Porozmawiajmy o elektronie. Zobaczyć go okiem nie można, nawet pod mikroskopem. Niemniej bodaj nikt nie ma dziś wątpliwości, że elektrony to realne byty, że one naprawdę są, że to nie wymysł chorych teoretyków. Elektrony wykonują dla nas pracę, zostawiają po sobie ślady, uderzając w ekran kineskopu pozwalają nam oglądać obraz telewizyjny. Dziś kineskopy zostały wyparte, jako nieekonomiczne i niebezpieczne, przez wyświetlacze plazmowe, lcd, led, ale kineskopy z działami elektronowymi zasilanymi wysokim napięciem działają i dziś tak samo jak przed laty. Elektrony, choć same niewidoczne, pracują dla nas byśmy mogli inne rzeczy zobaczyć. Zresztą podobnie jak fotony, ale ja dziś o elektronach piszę.
Zaglądając do Wikipedii znajdujemy tam zdanie, które może brzmieć nieco nipokojąco:
Dualizm korpuskularno-falowy – cecha obiektów kwantowych (np. fotonów czy elektronów) polegająca na przejawianiu, w zależności od sytuacji, właściwości falowych (dyfrakcja, interferencja) lub korpuskularnych (dobrze określona lokalizacja, pęd)
Czyli, według Wikipedii, a Wikipedia serwuje nam szkolną, podręcznikową, oficjalną, wiedzę, według wikipedii w zależności od sytuacji elektron zachowuje się a to jak fala, a to jak cząstka. To jest frustrujące. Chcielibyśmy wiedzieć czym jest elektron. Co to znaczy „zależnie od sytuacji”? Mętne to jakieś.
Szczęśliwie parę linijek niżej znajdujemy pocieszające stwierdzenie:
Dualizm korpuskularno-falowy w sformalizowanym języku mechaniki kwantowej można opisać posługując się równaniem Schrödingera:
Czyli w jednym prostym równaniu mechanika zawiera ów tajemniczy dualizm. Jest on tam jakoś zakodowany. Tak przynajmniej uczymy nasze dzieci. Ale czy naprawdę jest tak pięknie? W Wikipedii pod hasłem „Kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej”, w ostatnikm paragrafie, znajdujemy stwierdzenie, które może zaniepokoić. Nie powinno się tego zdania czytać dzieciom na dobranoc. Oto to zdanie:
„Do krytyków interpretacji kopenhaskiej należy też Roger Penrose, neguje on uzależnienie kolapsu funkcji falowej od świadomości obserwatora. Uważa, że odpowiednio zaprojektowane doświadczenie pokazałoby iż redukcja stanu kwantowego dokonuje się niezależnie od świadomości badacza. Jako alternatywę proponuje kwantowograwitacyjny mechanizm pomiaru.”
Pojawia się tu zwrot „kolaps funkcji falowej”. Co to za pies? Z bajki czy prawdziwy, taki co i ugryźć może?
W dyskusji pod poprzednią notką („Makrokosmiczna kwantowa fala”) pojawił się na przykład taki zabawny komentarz:
Czy "kolaps kwantowy" to jest pochodna po czasie (niech tam nawet cząstkowa) rozważań o wyższości Świąt Bożego Narodzenia nad Świętami Wielkiejnocy?
Bo to by wiele wyjaśniało... „
Najwyraźniej autor tego komentarza ma wątpliwości co do sensowności wprowadzenia tego terminu do fizyki. Sądzi, że są to fanaberie fizyków teoretyków, choćby i tych z wysokimi tytułami, jak Roger Penrose. Tytuły i stopnie naukowe nie zabezpieczają przed pleceniem głupot – to prawdopodobnie chciał powiedzieć autor komentarza, tylko nie chciał tego powiedzieć wprost. Nie winię go za to. Niewiedza wiele tłumaczy. Rolnik w dawnych czasach, który zobaczył pierwszy raz parowóz, nie bez racji uważał, że spotkał diabła. Tak i nasz komentator. Nie on zresztą jeden. Takich rolników jest więcej na moim blogu.
A jak to jest naprawdę z tym parowozem? Otóż jest tak. Strzelamy z działa elektronami, nie jest to działo szczególnie szybkostrzelne, około jeden elektron na sekundę. Strzelamy w podwójną sczelinę i patrzymy jak dziury po uderzających elektronach formują obraz na tarczy ustawionej za szczeliną. Wynik strzelania wygląda mniej więcej tak:
Gdy mamy dostatecznie wiele dziur na tarczy, zaczynają one tworzyć typowy obraz interferencyjny, coś na kształt fali.
To nie jest bajka. Tonomura robił to w Tokyo w swoim laboratorium. Oprowadzał mnie po nim osobiście, pokazywał aparaturę i jej działanie. Rauch w swoim laboratorium w Wiedniu robił podobne doświadczenia z neutronami. Też mnie oprowadzał, dawał do potrzymania w ręce specjalne kryształy służące do detekcji. Zatem mamy sytuacje w których elektrony wykazują własności falowe. Tak jak w doświadczeniach Tonomury. Ale czy da się przebieg doświadczenia Tonomury wyjaśnić mechaniką kwantową i równaniem Schrodingera, jakby zdawała się sugerować Wikipedia?
Nie. Nie da się. Równaniem Schrodingera można przewidzieć kształt obrazu po zarejestrowaniu nieskończnej liczby elektronów. Nie da się jednak wymodelować powstawania na przykład 100 dziur. Formalizm matematyczny mechaniki kwantowej (tej z Kopenhagi) pozwala nam na wyliczenie wartości „średnich”, po nieskończonej liczbie pomiarów. Nie pozwala na wymodelowanie powstawania w czasie rzeczywistym skończonej liczby obserwacji. Penrose o tym wie, dlatego poszukuje wyjścia poza równanie Schrodingera. Wikipedi wspomina o mechanizmie „kwantowograwitacyjnym”. Nic to nie znaczy poza mętnymi hipotezami. Równanie Schrodingera jest potrzebne, ale nie wystarczające. Może je trzeba jakoś zmodyfikować?
Elektron przejawia się także jako cząstka. W komorze pęcherzykowej, lub w specjalnej emulsji, elektron zostawia ślad:
Tym razem to nie setki tysięcy elektronów zostawiają każdy jeden ślad, i z tych śladów tworzy się falisty obraz. Tym razem to jeden elektron zostawia setki tysięcy mikroskopijnych kropek-śladów, i te układają się w obraz który interpretujemy jak „ślad pozostawiony przez cząstkę”. Tym razem przejawia się „cząstkowa natura” elektronu. Czy mechanika kwantowa z jej równaniem Schrodingera to wyjaśnia?
Nie. Nie wyjaśnia. Mechanika kwantowa może przewidzieć, że ślad powinien jakoś ułożyć się w linie, ale nie potrafi opisać tego jak ten ślad powstaje, kropka po kropce.
A co wyjaśnia? W chwili obecnej są dwa konkurujące ze sobą wyjaśnienia. Jedno możliwe wyjaśnienie to dołączenie do równania Schrodingera „kolapsów”. Wie o tym Pensrose. Wiem o tym ja. Penrose ma ogólne hipotezy, ja mam bardzo konkretne mechanizmy pozwalające mi robić symulacje komputerowe, symulować powstawanie śladów i obrazów dyfrakcyjnych w czasie rzeczywistym.
Jest i drugie możliwe wyjaśnienie: to tzw. „mechanika Bohma” działająca na nerwy niektórym zasłużonym fizykom.
Które z tych dwóch konkurujących wyjaśnien jest lepsze? Rzecz jest do eksperymentalnej weryfikacji, na przykład przy pomocy bardzo dokładnych pomiarów „czasu tunelowania”. Jak dotąd jednak nasza aparatura nie jest jeszcze wystarczająco dokładna by to zmierzyć.
Zapewne także dokładniejsza obserwacja (rejestracja na szybkim filmie) procesu powstawania śladu cząstki w komorze pęcherzykowej pozwoliłaby na stwierdzenie która z teorii jest lepsza: ta z falą pilotem i bez kolapsu, czy też ta z kolapsami. Każdy jeden ślad, to kolaps.
Oto stosowny fragment z powieści Cixin Liu "Problem trzech ciał":
Osoby:
Ye Zhetai
–
fizyk, profesor Uniwersytetu Tsinghua
Shao Lin
–
fizyczka, żona Ye Zhetaia
Ye Wenjie
–
astrofizyczka, córka Ye Zhetaia
Ye
Wenxue
Jeden z czerwonogwardzistów powiedział:
– Do mechaniki kwantowej, której nas uczyłeś, też wmieszałeś wiele re‐
akcyjnych idei!
Potem dał znak Shao Lin, żeby kontynuowała.
Shao chętnie spełniła jego polecenie. Musiała mówić, bo w przeciwnym razie jej umysł, który i tak już ledwie działał, zupełnie by się zmącił.
– Ye Zhetai, nie możesz zaprzeczyć temu oskarżeniu! Często prowadziłeś
wykłady o reakcyjnej interpretacji kopenhaskiej!
– Przecież jest to wyjaśnienie, które najbardziej zgadza się z wynikami
eksperymentów – odparł jej mąż.
Jego spokojny i zrównoważony ton zdumiał i przeraził Shao Lin.
– To wyjaśnienie zakłada, że obserwacja z zewnątrz prowadzi do załama‐
nia się funkcji falowej. To kolejny przejaw reakcyjnego idealizmu, i to prze‐
jaw najbardziej bezczelny!
