Εμφάνιση αναρτήσεων με ετικέτα φως. Εμφάνιση όλων των αναρτήσεων
Εμφάνιση αναρτήσεων με ετικέτα φως. Εμφάνιση όλων των αναρτήσεων

Κυριακή, 12 Αυγούστου 2018

Το πείραμα των δύο σχισμών

Το πείραμα των δύο σχισμών πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Thomas Young, το μακρινό 1803. Την εποχή εκείνη, ο κύριος Young το χρησιμοποίησε ως απόδειξη ότι το φως είναι κύμα και όχι σωματίδια όπως πίστευε ο Νεύτωνας. 

Που να ήξερε ότι χρόνια μετά, το ίδιο πείραμα θα γινόταν το σήμα κατατεθέν της κβαντικής φυσικής. Ας το δούμε αναλυτικά.
Η διάταξη του πειράματος είναι αρκετά απλή. Έχουμε ένα λεπτό τοίχωμα με δύο πολύ μικρές σχισμές σε κοντινή απόσταση (Ναι, το ξέρω ότι αυτό είναι λίγο ασαφές αλλά καλύτερα ας μην μπούμε σε τεχνικές λεπτομέρειες. Για περισσότερες πληροφορίες δείτε εδώ.) και ακριβώς απέναντι μία οθόνη η οποία καταγράφει το αποτέλεσμα του πειράματος.
Έστω λοιπόν ότι βάζουμε όλο αυτό το σύστημα μέσα στο νερό και με κάποιο τρόπο προκαλούμε κύματα πίσω από το τοίχωμα.

Αν σας μπερδεύει αυτή η απεικόνιση των κυμάτων, μην ανησυχείτε, είναι το ίδιο πράγμα με την κλασική απεικόνιση, απλά σκεφθείτε ότι βλέπετε τα κύματα από πάνω. Οι κύκλοι είναι οι κορυφές του κύματος και οι χώροι ανάμεσα στους κύκλους είναι τα κοίλα του κύματος.

Ας δούμε για αρχή τι συμβαίνει αν το κύμα πέσει σε ένα τοίχωμα με μία μόνο σχισμή. Η σχισμή λειτουργεί σαν μια καινούργια πηγή. Η οθόνη μπορεί να απεικονίσει την ένταση του κύματος (δηλαδή το ύψος του νερού) που πέφτει πάνω της σε κάθε σημείο ξεχωριστά και το αποτέλεσμα θα είναι όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Ακριβώς στο κέντρο της σχισμής η ένταση το κύματος είναι η μεγαλύτερη δυνατή. Το αποτέλεσμα στην οθόνη βέβαια εξαρτάται από το εύρος της σχισμής, αλλά για τον σκοπό μας ας υποθέσουμε ότι το εύρος είναι τέτοιο ώστε να δώσει αυτή την εικόνα.
Όσο πιο σκούρο το χρώμα τόσο πιο μεγάλη η ένταση του κύματος

Αφού με τη μία σχισμή η εικόνα ήταν αυτή, με τις δύο σχισμές η εικόνα θα είναι κάτι τέτοιο, σωστά;

Όχι ακριβώς. Όταν δύο κύματα συναντιούνται μπορούν να συμβούν τρία πράγματα: Αν συναντηθούν δύο κορυφές ή δύο κοιλότητες των κυμάτων θα δημιουργήσουν μια μεγαλύτερη κορυφή ή κοιλότητα. Αν συναντηθεί μία κορυφή με μία κοιλότητα θα αλληλοαναιρεθούν.

Οπότε το αποτέλεσμα θα είναι κάτι τέτοιο.
Όσο πιο σκούρο το χρώμα τόσο πιο μεγάλη η ένταση του κύματος. Το λευκό σημαίνει μηδενική ένταση, δηλαδή το νερό δεν ταλαντώνεται σε αυτά τα σημεία!

Μέγιστη ένταση εκεί που οι κορυφές και οι κοιλότητες συναντιούνται, μηδενική ένταση εκεί που κορυφές και κοιλότητες αλληλοαναιρούνται. Τα κύματα λέμε πως συμβάλουν και το αποτέλεσμα ονομάζεται εικόνα συμβολής.
Τώρα θα επαναλάβουμε το πείραμα, αλλά αυτή τη φορά θα στείλουμε μικρά αντικείμενα προς την οθόνη, έστω μπίλιες, σαν κι αυτές που παίζαμε μικροί. Όπως είναι λογικό, το αποτέλεσμα στην οθόνη θα είναι μία γραμμή από χτυπήματα για τη μία σχισμή και δύο γραμμές για τις δύο σχισμές.

Βλέπουμε λοιπόν πως το αποτέλεσμα του πειράματος διαφέρει εντελώς αναλόγως με το αν θα χρησιμοποιήσουμε ύλη ή κύματα.
Κάποιος λοιπόν είχε τη φαεινή ιδέα να χρησιμοποιήσει ηλεκτρόνια σε αυτό το πείραμα. Μιας και τα ηλεκτρόνια αποτελούν μια μικροσκοπική ποσότητα ύλης, σαν πολύ, πολύ μικρές μπίλιες, η λογική λέει πως θα δώσουν το ίδιο αποτέλεσμα με αυτές. Και όντως, όταν εκτελούμε το πείραμα με τη μία σχισμή, το αποτέλεσμα είναι ολόιδιο: μια λεπτή γραμμή από ίχνη ηλεκτρονίων.

Όπως ήδη φαντάζεστε, το επόμενο βήμα είναι να ρίξουμε ηλεκτρόνια σε ένα τοίχωμα με δύο σχισμές. Και εδώ η κοινή λογική περνάει μια κρίση. Γιατί αντί για το αναμενόμενο αποτέλεσμα…παίρνουμε μια εικόνα συμβολής.

Τι σημαίνει εικόνα συμβολής για τα ηλεκτρόνια; Σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια δεν θα σχηματίσουν μόνο δύο γραμμές απέναντι από τις σχισμές αλλά πολλές γραμμές σε όλο το μήκος της οθόνης! Το μεγαλύτερο ποσοστό των ηλεκτρονίων θα πέσει ακριβώς στο κέντρο της οθόνης, ανάμεσα από τις δύο σχισμές του τοιχώματος. Το δεύτερο μεγαλύτερο ποσοστό θα πέσει σε δύο λωρίδες αριστερά και δεξιά της κεντρικής και ούτω κάθε εξής.
Ρίξαμε ηλεκτρόνια, δηλαδή μικροσκοπικά κομμάτια ύλης, και πήραμε μια εικόνα η οποία είναι χαρακτηριστική των κυμάτων.

Την ίδια απορία είχαν και οι Φυσικοί. Υποψιάστηκαν λοιπόν ότι στέλνοντας στο τοίχωμα μια δέσμη ηλεκτρονίων, μπορεί τα ηλεκτρόνια να συγκρούονται μεταξύ τους και γι’ αυτό να δίνουν αυτή την εικόνα στην οθόνη.
«Αν δεν φταίει αυτό τότε σίγουρα έχει να κάνει με εξωγήινους

Οπότε ξαναέκαναν το πείραμα, μόνο που αυτή τη φορά έστελναν τα ηλεκτρόνια ένα-ένα. Δυστυχώς όμως για την ψυχική τους υγεία, το αποτέλεσμα ήταν ακριβώς το ίδιο: μια εικόνα συμβολής.
Κανείς δε μπορούσε να αμφισβητήσει το αποτέλεσμα του πειράματος. Τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονταν ως κύματα. Σύμφωνα με την επικρατέστερη ερμηνεία της κβαντικής φυσικής , αυτό σημαίνει ότι το κάθε ηλεκτρόνιο περνάει και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα, συμβάλει σαν κύμα με τον εαυτό του και τελικά καταλήγει στην οθόνη ως σωματίδιο.

Μάλλον θα σκέφτεστε ότι αυτό δεν βγάζει κανένα απολύτως νόημα. Γιατί λοιπόν να μην κρυφοκοιτάξουμε και να ξεκαθαρίσουμε μια και καλή από ποια από τις δύο σχισμές περνάει το κάθε ηλεκτρόνιο;
Τοποθετούμε λοιπόν δύο ανιχνευτές στις σχισμές και ξεκινάμε το πείραμα. Οι ανιχνευτές δουλεύουν όπως πρέπει και μπορούμε να δούμε πως το κάθε ηλεκτρόνιο περνάει είτε από τη μία, είτε από την άλλη σχισμή.
Τέλεια, το πρόβλημα λύθηκε! Αφού το κάθε ηλεκτρόνιο περνάει από μία σχισμή είναι αδύνατον να συμβάλει με τον εαυτό του και σίγουρα θα υπάρχει κάποια άλλη εξήγηση για το αποτέλεσμα στην οθόνη (εξωγήινοι;).
Δημιουργείται όμως ένα άλλο πρόβλημα (σιγά που θα ήταν τόσο απλό!). Το αποτέλεσμα στην οθόνη έχει αλλάξει. Για την ακρίβεια, δεν υπάρχει καμία συμβολή και τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται ως απλά σωματίδια. Ό,τι δηλαδή περιμέναμε εξ’ αρχής από μικρές μπίλιες ύλης, δύο κάθετες γραμμές ακριβώς απέναντι από τις σχισμές.

Η πράξη και μόνο της παρακολούθησης άλλαξε το αποτέλεσμα του πειράματος!


Τι είναι τελικά τα ηλεκτρόνια; Πως γίνεται η ύλη να έχει και κυματικές και σωματιδιακές ιδιότητες; Τι ακριβώς αναπαριστούν αυτά τα κύματα και πως γίνεται το ίδιο πείραμα να δίνει δύο εντελώς διαφορετικά αποτελέσματα;
Καλώς ήλθατε στον κόσμο της Κβαντικής Φυσικής!

Δείτε το σχετικό βίντεο παραπάνω

Περισσότερες πληροφορίες 

https://www.khanacademy.org/science/physics/light-waves/interference-of-light-waves/v/youngs-double-split-part-1

(Διάλεξη του Richard Feynman πάνω στο πείραμα των δύο σχισμών)https://www.youtube.com/watch?v=aAgcqgDc-YM

https://arxiv.org/pdf/1210.6243.pdf


Η (διπλή;) φύση του φωτός

Το φως είναι ο συνδετικός κρίκος μεταξύ εμάς και του σύμπαντος. Υπήρχε, υπάρχει και θα υπάρχει για πολλά, πολλά χρόνια ακόμα. Είναι τόσο άμεσα συνδεδεμένο με την καθημερινότητά μας που του δίνουμε ελάχιστη σημασία, παρ’ όλα αυτά είναι εντελώς απαραίτητο για την επιβίωσή μας. Τι πραγματικά γνωρίζουμε για το φως όμως;
Το φως είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συγκεκριμένων συχνοτήτων.
Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Πολύ χοντρικά, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι ο συνδυασμός ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, που διαδίδονται στο κενό με ταχύτητα ακριβώς 299.792.458 μέτρα το δευτερόλεπτο.
Ταλάντωση ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων

Δυστυχώς δεν μπορούμε ούτε καν να διανοηθούμε αυτή την ταχύτητα αφού δεν υπάρχει τίποτα στην καθημερινότητα μας που έστω να την πλησιάζει. Σκεφθείτε ότι η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι μια ποταπή ταχύτητα των 340 μέτρων ανά δευτερόλεπτο!
Πίνακας γνωστών ταχυτήτων

Τι το ξεχωριστό έχει λοιπόν το φως από τις υπόλοιπες ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες; Από την οπτική (pun intended) γωνία της Φυσικής, απολύτως τίποτα. Για τους ανθρώπους όμως, το φως είναι η μοναδική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που μπορούμε να δούμε, γι’ αυτό και πολλές φορές αναφέρεται ως «ορατό φως».
Είναι τυχαίο που μπορούμε να δούμε μόνο τις συγκεκριμένες συχνότητες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος; Καθόλου. Οι πρώτοι οργανισμοί στους οποίους εξελίχθηκαν τα μάτια  ήταν οι μακρινοί πρόγονοι μας που πριν από πολλά εκατομμύρια χρόνια ζούσαν κάτω από τη θάλασσα. Από όλες τις ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες, το φως είναι το μόνο που διαδίδεται μέσα στο νερό  Αν προσθέσουμε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό  της Ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στην επιφάνεια της Γης είναι ορατό φως, και όχι για παράδειγμα ακτίνες Χ ή ραδιοκύματα, καταλαβαίνουμε εύκολα πως η ικανότητα να βλέπεις στο ορατό έπαιξε τεράστιο ρόλο στην εξέλιξη και επιβίωση των ειδών.
Εξέλιξη του ανθρώπου
Stick figures, το επόμενο βήμα στην εξέλιξη του ανθρώπου!

Το φως λοιπόν, όπως όλες οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες, ταξιδεύει ως μικροσκοπικά σωματίδια, τα λεγόμενα φωτόνια. Τα φωτόνια όμως εκτός από σωματιδιακές έχουν και κυματικές ιδιότητες. Τι σημαίνει αυτό; Φανταστείτε ένα κύμα που διαδίδεται στο νερό και μία μπάλα του τένις που μόλις έχει χτυπηθεί από μια ρακέτα. Μπορείτε να σκεφθείτε κάποια ομοιότητα στην κίνηση αυτών των δύο; Πιθανόν όχι, αφού είναι δύο εντελώς διαφορετικά πράγματα! Η μπάλα του τένις είναι περιορισμένη σε μία περιοχή του χώρου, ενώ το κύμα είναι περισσότερο απλωμένο και βρίσκεται σε πολλά μέρη ταυτόχρονα.
Σύγκριση κύματος και σωματιδίου
Αν το κύμα στη Φυσική ήταν το άσπρο, τα σωματίδια θα ήταν το μαύρο!

Είναι τόσο διαφορετικά, που για χρόνια οι Φυσικοί διαφωνούσαν για το αν το φως είναι το ένα ή το άλλο. Υπήρχαν πειράματα τα οποία απεδείκνυαν ξεκάθαρα ότι το φως είναι κύμα αλλά υπήρχαν και πειράματα τα οποία απεδείκνυαν το ακριβώς αντίθετο, ότι το φως αποτελείται από σωματίδια! Η διαμάχη κράτησε για πολλά χρόνια, μέχρι που στο τέλος κατέληξαν στο εξής απίστευτο συμπέρασμα: το φως είναι κύμα και σωματίδια ταυτόχρονα, αλλά αυτά τα δύο δεν μπορούν να παρατηρηθούν ποτέ μαζί. Μπορούμε δηλαδή να παρατηρήσουμε άμεσα σε ένα πείραμα, ή τη σωματιδιακή φύση του φωτός ή την κυματική. Το φως λοιπόν φαίνεται να έχει μια διπλή φύση.
Γιατί όχι και τα δύο;
Η διαμάχη ήταν ανηλεής και πολύχρονη αλλά ευτυχώς δεν υπήρχαν απώλειες.

Γιατί από όλα τα πράγματα στο σύμπαν, το φως να έχει τη μεγαλύτερη ταχύτητα; Αυτό συμβαίνει γιατί τα φωτόνια…δεν έχουν μάζα. Ή τουλάχιστον, δεν έχουν μάζα με την έννοια που έχουμε συνηθίσει . Τι είδους σωματίδια είναι αυτά χωρίς μάζα, είναι πιθανόν να ρωτήσετε. Ίσως θα ήταν ευκολότερο αν φανταζόσασταν τα φωτόνια σαν πακέτα ενέργειας και όχι σαν σωματίδια. Το κάθε φωτόνιο είναι ένα μικροσκοπικό κομμάτι ενέργειας που ταξιδεύει σε αυτόν τον σκληρό και άκαρδο κόσμο μέχρι να απορροφηθεί.
Μισό λεπτό όμως. Όπως είναι γνωστό, το φως που πέφτει πάνω σε ένα αντικείμενο ανακλάται και καταλήγει στα μάτια μας και με αυτόν τον τρόπο βλέπουμε τον κόσμο γύρω μας. Άμα όμως τα φωτόνια δεν έχουν μάζα, πως ακριβώς γίνεται αυτή η ανάκλαση; Χμ…
Εντάξει, το φως είναι και κύμα και σωματίδια, και ταξιδεύει με τη μεγαλύτερη δυνατή ταχύτητα στο σύμπαν. Πως όμως δημιουργείται; Ας μεγεθύνουμε λίγο ένα κομμάτι ύλης…έστω ένα πρόβατο.
Πρόβατο
«Μπε;»

Το πρόβατο αποτελείται από ένα σύνολο ατόμων.
Τα ηλεκτρόνια των ατόμων μπορούν να βρίσκονται σε συγκεκριμένες μόνο τροχιές γύρω από τον πυρήνα, γνωστές και ως ενεργειακές στάθμες γιατί κάθε τροχιά αντιστοιχεί σε μία συγκεκριμένη ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια, εάν με κάποιον τρόπο απορροφήσουν ενέργεια, μπορούν να βρεθούν σε μια υψηλότερη ενεργειακή στάθμη. Όμως δεν μπορούν να μείνουν για πάντα εκεί, οπότε τελικά θα επιστρέψουν στην αρχική τους σταθερή κατάσταση εκπέμποντας κατά τη μετάβαση τους την ενέργεια που είχαν απορροφήσει. Η ενέργεια αυτή εκπέμπεται υπό τη μορφή φωτονίων, συχνότητας ανάλογης της ενέργειας (h*f = E). 
Η απορρόφηση της απαιτούμενης ενέργειας ώστε κάποιο ηλεκτρόνιο να διεγερθεί μπορεί να γίνει για παράδειγμα εάν το πρόβατο βγει στον Ήλιο να λιαστεί. Τα φωτόνια των ηλιακών ακτίνων θα απορροφηθούν από τα ηλεκτρόνια των ατόμων, τα οποία με την σειρά τους θα εκπέμψουν νέα φωτόνια.
Ο τρόπος εκπομπής φωτονίων από διεγερμένα ηλεκτρόνια

Οπότε, για να απαντήσω στην προηγούμενη ερώτηση, το φως δεν ανακλάται από την ύλη όπως η ύλη ανακλάται από την ύλη, αλλά περισσότερο γίνεται ένα παιχνίδι ανταλλαγής φωτονίων!
Έχει και συνέχεια όμως. Σύμφωνα με τον de Broglie , όχι μόνο το φως αλλά οτιδήποτε μπορεί να κινηθεί έχει και σωματιδιακές και κυματικές ιδιότητες. Εσείς οι ίδιοι, ο σκύλος σας, το αμάξι σας, μέχρι και τα σουτζουκάκια που τρώτε!
Μα τι λέει αυτός, θα πείτε. Σήμερα έφαγα σουτζουκάκια και δεν έμοιαζαν καθόλου με κύματα. Δυστυχώς, ή ευτυχώς, δεν μπορούμε να αντιληφθούμε τις κυματικές ιδιότητες αντικειμένων με σχετικά μεγάλη μάζα. Μπορούμε όμως να τις παρατηρήσουμε όταν μελετάμε μικροσκοπικά σωματίδια, όπως για παράδειγμα τα ηλεκτρόνια και τα νετρόνια.
Σίγουρος τρόπος για να σας περάσει ο κόσμος για τρελό!

Μπορούμε άρα να λέμε ότι το φως έχει διπλή φύση, αν αυτή είναι η μοναδική φύση που υπάρχει; Το σίγουρο είναι πως ο κόσμος στη μικρότερη κλίμακα είναι πολύ διαφορετικός απ’ ότι έχουμε συνηθίσει.


δείτε το σχετικό βίντεο παρακάτω 





περισσότερες πληροφορίες



εδώ κι εδώ κι εδώ

Πυθαγόρας

Βικιπαίδεια πληροφορίες για τον Πυθαγόρα   https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%A0%CF%85%CE%B8%CE%B1%CE%B3%CF%8C%CF%81%CE%B1%CF%82 διάφορ...