Jesteś tutaj

Najpiękniejszy z pięknych

Czy eksperyment fizyczny może być piękny? Skoro fizyka, jako nauka jest najpiękniejsza, zatem i eksperymenty ją reprezentujące muszą takie być. Ale czy jedne są piękniejsze od innych? Czy są jakieś wybory miss, czy raczej mistera, eksperymentów fizycznych? Domyślacie się pewnie, że skoro zacząłem taki wywód, odpowiedź musi być twierdząca - i słusznie. Tylko jak oceniać piękno doświadczeń w fizyce, wszak nie mają one mierzalnej długości nóg czy obwodu klaty? 

Takiego karkołomnego zadania wyboru Mistera fizyki podjął się w 2002 roku  Robert P. Crease na łamach czasopisma PhysicsWorld1. W tym celu przeprowadził ankietę wśród czytelników, a ci jako najczęstsze kryterium piękna, wskazywali historyczną przełomowość i wpływ na postrzeganie świata.

Zwycięzcą zostaje...

W pierwszej dziesiątce znalazły się przełomowe eksperymenty Eratostenesa, Galileusza, Newtona, Foucoulta czy Rutherforda. Wszystkie połączone z nazwiskiem badaczy, którzy po raz pierwszy je przeprowadzili. Oprócz jednego, najmłodszego z wszystkich - eksperymentu potwierdzającego falową naturę materii i zawierającego sedno mechaniki kwantowej - interferencji eletronów na podwójnej szczelinie. I właśnie ten osierocony, anonimowy eksperyment, bezapelacyjnie wygrał.

10 najpiękniejszych eksperymentów w fizyce

  1. Demonstracja interferencji elekronów na podwójnej szczelinie
  2. Eksperyment Galileusza - swobodny spadek ciał o różnej masie(ok. 1600)
  3. Doświadczenie Millikana - wyznaczenie ładunku elektronu za pomocą spadającej w polu elektrycznym kropli oleju (1909 rok)
  4. Eksperyment Newtona - rozszczepienie światła za pomocą pryzmatu (1665-1666)
  5. Doświadczenie Younga - interferencja światła na dwóch szczelinach (1801)
  6. Eksperyment Cavendisha - wyznaczenie stałej grawitacji G za pomocą wagi skręceń (1798)
  7. Pomiar Eratostenesa obwodu Ziemi (ok. roku 230 p.n.e.)
  8. Eksperyment Galileusza - obserwacja ruchu ciał staczających się z równi pochyłej (ok.1600)
  9. Eksperyment Rutherforda - odkrycie jądra atomowego (1911)
  10. Wahadło Foucaulta - doświadczalne potwierdzenie ruchu obrotowego Ziemi (1851)

Dlaczego to takie ważne?

Demonstracja tego, że cząstki materialne mogą zachowywać się jak fale położyła kres dyskusjom i wątpliwościom wokół mechaniki kwantowej. Podobnie jak miało to miejsce na początku XIX wieku, kiedy Thomas Young zaprezentował interferencję światła na dwóch szczelinach, zamykając ponad dwustuletnią dysputę o tym czy światło składa się z cząstek czy też jest falą. Wspomniany dwuszczelinowy eksperyment Younga również znalazł się w pierwszej dziesiątce. 

Fale przechodząc przez dwie szczeliny o rozmiarze porównywalnym z długością fal interferują, tworząc charkterystyczny dla tego zjawiska wzór prążków.

Jak to z tym Misterem Fizykum było

W trzecim tomie słynnych Wykładów Feynmana z 1965 roku pojawia się eksperyment myślowy, który zakłada możliwość posyłania pojedynczych elektronów przez dwie szczeliny o rozmiarach porównywanych długością fal, jakie według teorii de Broglie możemy przypisać cząstkom. Jest to warunek konieczny, aby możliwa była obserwacja wzoru interferencyjnego. Ponieważ fale powiązane z elektronami są dużo mniejsze niż długości fal świetlnych, Feynman zakładał, że w praktyce nie możliwa jest realizacja tego pomysłu. Mylił się jednak, ponieważ podobne eksperymenty zostały już przeprowadzone kilka lat wcześniej2, o czym prawdopodobnie nie wiedział, a może chciał tylko sprowokować badaczy do precyzyjniejszych pomiarów, rzucając wyzwanie doświadczalnikom?  

Upiększanie najpiękniejszego

W kolejnych latach wielu eksperymentatorów prześcigało się w coraz to lepszych pomysłach, jak idee Feynmana zmaterializować w laboratorium. Wyzwaniem było spełnienie warunku, aby przez szczeliny nie przechodziła wiązka elektronów, ale pojedyncze cząstki, wystrzeliwane jeden po drugim w pewnych odstępach czasu. Wzór interferencyjny widoczny również w takim wariancie oznacza, że elektron musi interferować sam ze sobą, przechodząc jednocześnie przez obie szczeliny! Eksperymenty takie zostały zrealizowane dopiero w XXI wieku, a ostatnio ogłoszono, że udało się zrobić kolejny, najpiękniejszy z dotychczasowych! Badacze z Kanady w artykule Controlled double-slit electron diffraction, opublikowanym na łamach New Journal of Physics, ogłosili, że Richard Feynamn by ich z pewnością pochwalił. Udało im się, wcielić w życie jego pomysły z niezwykła precyzją. Przełomem w ich podejściu jest możliwość wybierania otworu, którym mogą przelatywać cząstki.

 

Zestawienie najnowszych wyników eksperymentu z oryginalnymi rysunkami Feynmana. W przypadku, gdy cząstki przechodzą przez jedną ze szczelin, obserwujemy klasyczny rozkład trafień w ekran z maksimum trafień w miejsce na wysokości szczeliny. Jeśli jednak odsłonięte są obie szczeliny, liczba trafień nie odzwierciedla zwykłej sumy rozkładów z obu, obserwujemy obraz interferencyjny z szeregiem maksimów i minimów, które są wynikiem intereferecji fal materii.3

Zastosowali w tym celu membranę krzemową pokrytą złotem z otworami o rozmiarze 62 na 4000 nanometrów każdy, oddalonymi od siebie o 272 nm oraz mikroskopijną maskę do ich przesłaniania. Elektrony rozpędzali napięciem 600 V. Może ktoś pokusi się o policzenie długości fali de Broglie dla tych elektronów?

Pierwszy filmik prezentuje, jak wzór interferencyjny zmienia się, gdy przesuwana jest maska, zasłaniająca otwory (ilustracja w lewym górnym roku). Wzór interferencyjny pojawia się tylko wtedy, gdy odłonięte są obie szczeliny.

 

Na następnym zaś widzimy, gdzie trafiają kolejne cząstki w miarę upływu czasu. Mimo tego, iż elekrony podróżują pojedynczo, każdy z nich wie o istnieniu szczelin i trafia w takie miejsce, aby po zebraniu sygnału od wielu cząstek powstał odpowiedni wzór, świadczący o falowym zachowaniu materii. Takie mądre elektrony!

 

Na koniec polecam jeszcze anglojęzyczny filmik z miniwykładem Doktora Quantum, ktory zgrabnie wyjaśnia wszystkie zawiłości związane z tymi szczeliniastych eksperymentami i inetrferencjami. 

                                                       

 

 

 
  • Obrazek użytkownika piotrowski
    O autorze:

    Marcin Piotrowski

    Wydawca portalu fiztaszki.pl, webmaster, redaktor działu fresh science.
    Fiztaszki popija zawsze yerba mate. Mimo tego, że w pracy w laboratorium ma do czynienia z ekstremalnie niskimi temperaturami, nie przepada za terrere. Oprócz kuchennego eksperymentowania, zajmuje się fiztaszkowym webmasteringiem. Aktualnie bada czy fiztaszkowa fizyka działa tak samo w Australii.

Dodaj komentarz