DESPRE SPAȚIUL GOL DIN NOI, DESPRE PARTICULE/UNDE ȘI CONDIȚIONAREA COMPORTAMENTALĂ A MATERIEI/ENERGIEI
Dacă ar fi să ne uităm la constituenții corpului nostru fizic, la o scară mai mică și niveluri mai fundamentale, vom descoperi un întreg Univers în miniatură, structurat în interior. Corpul nostru este format din organe, care sunt formate din celule, care conține organele, care sunt compuse din molecule, care – ele însele – sunt lanțuri conectate de atomi individuali. Atomii există pe scale extrem de mici, de numai 1 ångström, dar și aceștia sunt formați din constituenți și mai mici: protoni, neutroni și electroni.
Sunt cunoscute dimensiunile minuscule ale protonilor și neutronilor care alcătuiesc nucleul fiecărui atom: doar un femtometru de apă, de 100.000 de ori mai mic decât un ångström. Dar electronul însuși nu se mai distinge de la un punct, nu mai mult de 1/10.000 din dimensiunea unui proton sau neutron. Înseamnă oare asta că atomii – și prin extensie tot ceea ce este format din atomi – sunt în mare parte spațiu gol? Deloc. Iată de ce.
În experiența noastră normală, dacă vrem să aflăm cât de mare este un lucru, ne apucăm să-l măsurăm. Pentru obiectele ne-cuantice, aceasta nu este o problemă, întrucât oricât de diferite vor fi metodele de măsurare ale unui obiect, vom obține același rezultat. Fie că utilizăm o riglă, o imagine de înaltă definiție, ori o tehnică bazată pe fizică, cum ar fi mișcarea Browniană sau dispunerea gravitațională, vom ajunge la soluții identice.
Dar pentru cele mai mici obiecte din lume, cum ar fi atomii singulari, aceste tehnici nu mai au eficiență. Prima tentativă de a sonda interiorul atomilor a sosit imediat după descoperirea radioactivității și a fost foarte ingenioasă. Aruncând particulele emise de materialul radioactiv pe o foaie subțire de atomi, Ernest Rutherford a încercat să determine ce s-a întâmplat examinând interiorul atomilor. Ceea ce a găsit, a șocat lumea.
Aceste particule cu mișcare rapidă au fost aruncate pe o foaie foarte subțire de folie de aur, bătută atât de fin încât s-ar destrăma dacă ar fi atinsă de cu mâna omului. În timp ce majoritatea particulelor treceau direct, o fracțiune mică, dar substanțială, a fost deviată, unele chiar revenind înapoi către direcția inițială. Așa cum Rutherford însuși remarca 15 ani mai târziu, ”a fost chiar cele mai incredibil eveniment care m-i s-a întâmplat vreodată. A fost ca și cum aș fi aruncat cu un ghemotoc de hârtie într-o coajă de 15 inci, iar hârtia a revenit spre mine și m-ar fi lovit.”
Acest tip de tehnică pentru măsurarea dimensiunii particulelor este cunoscut sub numele de împrăștiere inelastică și este utilizat astăzi pentru a constrânge dimensiunile și a măsura proprietățile particulelor fundamentale în interiorul protonilor și neutronilor. Timp de 100 de ani, de la Rutherford și până la LHC – acceleratorul de particule Large Hadron Collider, aceasta a fost o cale importantă de a măsura dimensiunile particulelor fundamentale.
Dar aceste condiții înalt energetice, în care atomii convenționali și nucleele atomice sunt bombardate cu particule ce se deplasează cu viteza luminii, nu sunt condițiile pe care le experimentează atomii tipic în viața noastră de zi cu zi. Noi trăim într-un Univers de energie joasă, unde atomii din corpurile noastre și coliziunile ce se produc între diverse particule reprezintă o milionime din energia pe care o atinge Large Hadron Collider.
În universul nostru cuantic, discutăm frecvent despre dualitatea particulă-undă, sau ideea că acea cuantă fundamentală din care este realizat universul cuprinde atât proprietăți ale particulei cât și proprietăți ale undei, depinzând de condițiile pe care le prezintă. Dacă ne vom deplasa către energii tot mai înalte, cuantele pe care le examinăm acționează mai mult ca particule, în timp ce la energii mai joase, cuantele acționează mai mult ca unde.
Putem ilustra acest lucru prin examinarea fotonului: energia cuantum asociată cu lumina. Lumina apare în mai multe varietăți de energie, de la energia ultra-înaltă a razelor gamma până la undele radio, reprezentând energie ultra-joasă. Dar energia luminoasă este legată strâns de lungimea sa de undă: cu cât este mai înaltă energia, cu atât mai scurtă este lungimea sa de undă.
Undele radio cu energia cea mai mică pe care o cunoaștem au o lungime de mai mulți metri, sau chiar kilometri, câmpurile lor electrice și magnetice oscilante fiind utile pentru a face ca electronii din interiorul antenelor să se deplaseze înainte și înapoi, creând un semnal pe care îl putem extrage și utiliza. Pe de altă parte, razele gamma pot fi atât de puternice energetic, încât este nevoie de zeci de mii de lungimi de undă pentru a se încadra chiar și numai pe un proton. Dacă dimensiunea particulei date este mai mare decât lungimea de undă date a luminii, lumina poate măsura dimensiunea sa. Dar, dacă particula este mai mică decât lungimea de undă a luminii, lumina nu va putea interacționa foarte bine cu particula respectivă și se va comporta ca o undă. Acesta este motivul pentru care fotonii de energie joasă, precum fotonii luminii vizibile, vor crea un model de interferență atunci când sunt trecuți printr-o fantă dublă. Atâta timp cât fantele sunt suficient de largi încât lungimea de undă a luminii să poată trece prin ele, vom obține un tipar de interferență pe cealaltă parte, demonstrând acest comportament ca de undă.
Acest lucru este valabil chiar dacă trimiteți fotonii unul câte unul, indicând faptul că această natură asemănătoare undelor nu se produce între fotoni diferiți, ci fiecare foton interferează cumva cu sine.
Acest lucru rămâne valabil chiar dacă vom înlocui fotonii cu electroni, deoarece chiar și particule masive pot acționa ca unde în condiții de consum energetic redus. Chiar și electronii de energie joasă, trimiși unul câte unul printr-o fantă dublă, se pot adăuga pentru a produce model de interferență, demonstrând comportamentul lor de undă.
Când ne imaginăm un atom, cei mai mulți dintre noi ne reprezentăm instinctiv primul model pe care l-am învățat cu toții: electronul ca un punct ce orbitează un nucleu mic și dens. Acest ”model planetar” al atomului a apărut prima oară datorită lui Rutherford, fiind ulterior rafinat de către Niels Bohr și Arnold Sommerfeld, care au recunoscut nevoia unor niveluri discrete de energie.
Dar, o bună parte a secolului trecut, am recunoscut că aceste modele sunt prea asemănătoare particulelor pentru a descrie ceea ce se întâmplă de fapt. Electronii ocupă niveluri discrete de energie, dar asta nu se traduce în orbite de tip planetar. În schimb, electronii dintr-un atom se comportă mai mult ca un nor: o ceață difuză, ce se răspândește într-un anumit volum de spațiu. Când vedeți ilustrații ale orbitalelor atomice, acestea vă arată practic forma ondulată a electronilor individuali.
Dacă ar fi să trimiteți un foton de înaltă energie sau o particulă pentru a interacționa cu un electron, sigur, puteți să-i fixați exact poziția. Dar – și iată spre ce ne conduce mecanica cuantică pe cei mai mulți dintre noi – actul trimiterii acelei particule de înaltă energie modifică fundamental ceea ce să întâmplă în interiorul atomului însuși. Îi provoacă electronului comportamentul de particulă, cel puțin în momentul acelei interacțiuni, în loc de comportamentul de undă. Dar până la o astfel de interacțiune, electronul a acționat de-a lungul timpului ca o undă. Când aveți un atom izolat, la temperatura camerei, sau un lanț de atomi legați într-o moleculă sau chiar într-un corp uman complet, nu acționează ca aceste particule individuale cu puncte bine definite. În schimb, acționează ca niște unde, iar electronul este de fapt localizat pe întreg acest volum de ~1 ångström, mai degrabă decât într-o anumită locație asemănătoare punctului.
Modul cel mai bun de a ne gândi la un electron este ca fiind o ”ceață” sau un ”nor”, răspândit în spațiul din jurul unui nucleu atomic. Când doi sau mai mulți atomi sunt legați împreună într-o moleculă, norii lor de electroni se suprapun, iar întinderea electronului în spațiu devine și mai difuză. Când presați cu mâna o altă suprafață, forțele electromagnetice de la electronii de pe acea suprafață se împing contra electronilor din mâinile dumneavoastră, determinând distorsionarea norilor de electroni și deformarea în formele lor.
Acest lucru este contraintuitiv, desigur, pentru că suntem atât de obișnuiți să ne gândim la constituenții fundamentali ai materiei în termeni de particule. Dar este mai bine să ne gândim la ele ca la cuante: comportament de particule în condiții de energie înaltă, dar comportament de unde sub condiții de energie joasă. Când ne confruntăm cu atomii sub condiții normale terestre, aceștia sunt ca undele, cu cuante individuale ocupând volume mari de spațiu.
Există o mare problemă ori de câte ori ne bazăm pe intuiția noastră pentru a da sens universului: intuiția este bazată pe experiență, iar experiența noastră personală privind Universul este în întregime clasică. Universul nostru este format din particule ca fenomene fundamentale, iar colecțiile de particule pot comprima, rarifica și oscila în moduri care par tipice undelor.
Însă, pe tărâmul cuantic al atomilor, fotonilor și electronilor individuali, comportamentul tipic de undă este la fel de fundamental ca un comportament de particulă, numai condițiile experimentului, măsurării sau interacțiunii determinând ceea ce observăm. La energii foarte mari, experimentele pot dezvălui acel comportament tipic particulelor cu care suntem atât de familiarizați, Dar, în condiții normale, ca și cele pe care le experimentăm constant în propriile noastre corpuri umane, chiar și un electron individual este răspândit pe un întreg atom sau o moleculă.
În interiorul corpului tău, mai ales nu ești … spațiu gol. Ești, în mare parte, o serie de nori de electroni, toți legați împreună de regulile cuantice care guvernează întregul univers.
Sursa: Forbes; By: Ethan Siegel; Traducere și adaptare: CPC.
