Μπορεί ένα ηλεκτρόνιο να είναι ταυτόχρονα σε δύο θέσεις;

Πηγή: PhysOrg, 11 Οκτωβρίου 2005

Σε ένα πείραμα παρόμοιο με αυτό της διπλής σχισμής, επιστήμονες στο Ινστιτούτο Fritz Haber του Max Planck, σε συνεργασία με τους ερευνητές από το Τεχνολογικό Ίδρυμα της Καλιφόρνιας στην Πασαντένα, έδειξαν για πρώτη φορά ότι τα ηλεκτρόνια έχουν συγχρόνως χαρακτηριστικά και των κυμάτων και των σωματιδίων και ότι μπορούμε κατ' αρχήν με το πάτημα ενός κουμπιού να εκδηλώνεται το ένα ή το άλλο χαρακτηριστικό του.

Οι ερευνητές έδειξαν συγκεκριμένα ότι ηλεκτρόνια που ανήκαν σε μόρια αζώτου, έδειχναν συγχρόνως τον κυματικό και σωματιδιακό χαρακτήρα τους. Οι ερευνητές αυτοί έδωσαν ενδείξεις ότι η διάσπαση της  κατοπτρικής συμμετρίας αυτών των μορίων με την εισαγωγή δύο διαφορετικών βαρέων ισοτόπων, που σε αυτήν την περίπτωση είναι το άζωτο 14 και 15, οδηγεί σε μια μερική απώλεια της κβαντικής υπέρθεσης αυτών των καταστάσεων. Τα ηλεκτρόνια αρχίζουν μερικώς να περιορίζονται σε ένα από τα δύο άτομα που τώρα πια είναι διακριτά. Τα αποτελέσματα αυτά θα μπορούσαν να έχουν επιπτώσεις στη δημιουργία και τον έλεγχο των "τεχνητών μορίων", που τα φτιάχνουμε με ημιαγώγιμες κβαντικές κουκίδες, οι οποίες είναι ένα πιθανό συστατικό των κβαντικών υπολογιστών. (Nature, 29 Σεπτεμβρίου 2005).

Πριν εκατό χρόνια, στο επίπεδο των στοιχειωδών φυσικών γεγονότων, βρήκαμε το διπλό χαρακτήρα της φύσης που είχε τεθεί ως αίτημα στη φυσική φιλοσοφία. Ο Αλβέρτος Αϊνστάιν ήταν ο πρώτος που είδε ότι η κβαντική υπόθεση του Max Planck οδηγούσε σε αυτόν τον διπλό χαρακτήρα. Ο Αϊνστάιν πρότεινε ότι το φωτόνιο έχει έναν σωματιδιακό χαρακτήρα, αν και τα φωτόνια προηγουμένως θεωρούνταν ότι είχαν μόνο ηλεκτρομαγνητικό κυματικό χαρακτήρα. Αυτή ήταν η πεμπτουσία της εργασίας του για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Στα τέλη του 1926, ο de Broglie αναγνώρισε ότι όλες οι δομικές μονάδες της φύσης, τα γνωστά μας σωματίδια - ηλεκτρόνια, πρωτόνια, κ.λ.π.- συμπεριφέρονται όπως τα κύματα υπό ορισμένους όρους.

Στο σύνολό της, επομένως, η φύση είναι διπλή. Κανένα από τα συστατικά της δεν μπορεί να θεωρηθεί μόνο ως σωματίδιο ή ως κύμα. Για να γίνει κατανοητό αυτό το γεγονός, ο Niels Bohr εισήγαγε το 1923 την αρχή της συμπληρωματικότητας: κάθε συστατικό στη φύση έχει ένα σωματιδιακό, καθώς επίσης και έναν κυματικό χαρακτήρα, και εξαρτάται μόνο από τον παρατηρητή ποιο χαρακτηριστικό βλέπει κάποια στιγμή. Με άλλα λόγια, το πείραμα καθορίζει ποιο χαρακτηριστικό μετρά κάποιος  - σωματίδιο ή κύμα.

Σε ολόκληρη τη ζωή του ο Αϊνστάιν δεν πείστηκε ότι τα φυσικά χαρακτηριστικά εξαρτώνται πραγματικά από τον παρατηρητή. Πίστευε ότι πρέπει να υπάρχει μια πραγματικότητα ανεξάρτητη του παρατηρητή. Πράγματι, η κβαντική φυσική απλά δέχτηκε όλα τα χρόνια ότι δεν φαίνεται να υπάρχει μια ανεξάρτητη πραγματικότητα. Η φυσική σήμερα έχει πάψει να ψάχνει γι αυτό, επειδή τα πειράματα το έχουν επιβεβαιώσει επανειλημμένα και με μια αυξανόμενη ακρίβεια.

Το καλύτερο παράδειγμα είναι το πείραμα της διπλής σχισμής του Young. Ένα σύμφωνο φως περνά μέσω ενός φράγματος με δύο σχισμές. Σε μια οθόνη παρατήρησης πίσω από το φράγμα, δημιουργείται ένας σχηματισμός με εναλλάξ φωτεινές και σκοτεινές λωρίδες. Το πείραμα μπορεί να πραγματοποιηθεί όχι μόνο με το φως, αλλά και με σωματίδια - παραδείγματος χάριν, ηλεκτρόνια. Εάν σταλούν μοναχικά ηλεκτρόνια, το ένα μετά από το άλλο, μέσω της ανοικτής διπλής σχισμής του Young, τότε εμφανίζεται ένα σχήμα κροσσών συμβολής πίσω από το φράγμα. Το σχήμα δεν περιέχει καμία πληροφορία για τη διαδρομή που έκανε το ηλεκτρόνιο. Αλλά εάν η μία από τις δύο σχισμές είναι κλειστή, τότε εμφανίζεται μια εικόνα που δημιουργείται από την άλλη ανοικτή σχισμή από την οποία μπορούμε άμεσα να διαβάσουμε την πορεία του ηλεκτρονίου. Το νέο όμως πείραμα με τη μία μόνο σχισμή δεν παράγει ξανά το σχηματισμό των φωτεινών και σκοτεινών κροσσών όπως στην αρχική κατάσταση. Για αυτό, απαιτείται ένα μοριακό διπλό πείραμα σχισμών που να είναι βασισμένο όχι πάνω στην αβεβαιότητα της θέσης-ορμής, αλλά στην κατοπτρική συμμετρία.

Το πείραμα της διπλής σχισμής ψηφίστηκε σαν το ομορφότερο πείραμα όλων των εποχών σε μια ψηφοφορία που έγινε το 2002 από το Physics World. Αν και κάθε ηλεκτρόνιο φαίνεται να περνά μόνο από τη μία από τις δύο σχισμές, στο τέλος δημιουργείται ένα κυματοειδές σχήμα συμβολής, σαν να χωρίστηκε το ηλεκτρόνιο ενώ πέρασε από τη σχισμή, και στη συνέχεια  επανενώθηκε. Αν όμως η μία από τις σχισμές είναι κλειστή, ή ένας παρατηρητής με κάποιο τρόπο βλέπει από ποια σχισμή πέρασε το ηλεκτρόνιο, τότε το ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται σαν ένα εντελώς κανονικό σωματίδιο. Αυτό το σωματίδιο βρίσκεται κάθε στιγμή είτε σε μια μόνο θέση. Αν πάλι δεν γνωρίζουμε την ακριβή του πορεία, τότε βρίσκεται κάθε στιγμή σε μια επαλληλία των δυνατών πορειών. Έτσι, ανάλογα με το πώς πραγματοποιείται το πείραμα, το ηλεκτρόνιο είναι είτε στη θέση Α, είτε στη θέση Β, είτε και στις δύο συγχρόνως.

Η Αρχή της Συμπληρωματικότητας του Bohr, που εξηγεί αυτήν την ασάφεια, απαιτεί ότι κάποιος,  οποιαδήποτε στιγμή μπορεί να παρατηρήσει μόνο τη μία από τις δύο εκδηλώσεις του ηλεκτρονίου - είτε ως κύμα είτε ως σωματίδιο, αλλά όχι και τις δύο ταυτόχρονα. Αυτή η απαίτηση παραμένει μια βεβαιότητα σε κάθε πείραμα, παρά την αβεβαιότητα που εμπεριέχει η κβαντική φυσική. Είτε ένα σύστημα βρίσκεται σε μία κατάσταση που είναι επαλληλία άλλων (δηλαδή ταυτόχρονη ύπαρξη περισσοτέρων καταστάσεων) όπως π.χ. ένα κύμα που μπορεί να βρίσκεται σε περισσότερες θέσεις, είτε είναι εντοπισμένο σε μια θέση  όπως ένα σωματίδιο. Αυτή είναι, σε γενικές γραμμές, μια συνέπεια της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg, που λέει ότι σε ένα συμπληρωματικό ζευγάρι μετρήσεων - παραδείγματος χάριν, της θέσης και της ορμής - μόνο ένα μπορεί να καθοριστεί με ακρίβεια σε μια μόνο μέτρηση. Οι πληροφορίες για την άλλη μέτρηση χάνονται, αναλογικά.

Νέα πειράματα

Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στα εργαστήρια BESSY στο Βερολίνο και HASYLAB του DESY στο Αμβούργο.