Ones o partícules?

Ja vaig explicar a l’article de l’experiment de la doble escletxa (que
recomano llegir abans de seguir amb el present), que els fotons tenien
el comportament de les ones ja que presentaven el fenomen de les
interferències, cosa que ens va ajudar a descartar el seu comportament
com partícula.

[@more@]

Avui anem a repetir-lo amb electrons. Abans de començar amb ells, millor comencem amb alguna cosa que coneguem millor. Imaginem que tenim un experiment d’aquests però en comptes d’una font de llum o electrons posem una metralladora. Us ho mostro en aquest gràfic:

Supossem que les bales són indestructibles, és a dir, no es poden dividir per passar pels tots dos forats. La primera paret és de plom, de manera que les bales que arriben a la pantalla només poden passar per un dels dos forats. En la pantalla tenim un detector que podem moure tranquil·lament i fer totes les mesures que vulguem, repetir l’experiment, etc. Doncs bé, després de molts trets i amb el detector en diferents posicions podem fer un histograma que donarà com a resultat les corbes P1 i P2. Aquestes corbes guarden relació amb la quantitat de bales que han arribat a aquesta posició. Per tant, P1 és la probabilitat que una bala hagi passat pel forat 1 i P2 el mateix pel 2. La suma de les dues corbes la anomenem P12 i ens surt la clàssica campana de Gauss. Fins aquí no he dit res nou.

Ara triem la metralladora i posem un canó d’electrons, una paret i una pantalla especialment dissenyades perquè facin les mateixes funcions. Els forats seran de la mida apropiada. El detector pot ser un comptador Geiger que farà un "clic", cada vegada que rebi un electró. Tot el que hem dit de l’experiment anterior serà aplicable a aquest. Al cap i a la fi, els electrons són partícules i també són indestructibles, de manera que no poden passar pels tots dos forats a la vegada. Doncs comencem … "clic, clic, clic …". Ara fem el recompte de "clics" i fem els histogramas igual que amb la metralladora. Aquest és el resultat:

Tenen interferències!. Vegem, si interfereixen, vol dir que dos electrons han passat pels dos forats a la vegada? Recordem que enviàvem els electrons un a un igual que les bales amb la metralladora. Anem una mica més enllà i intentar agafar l’electró pel camí. Posarem una font de llum. Si un electró passa pel forat 1 veurem una espurna pròxima al forat 1 i això és anàleg al forat 2. Si passa pels dos forats es veuria una espurna prop dels dos forats alhora. Quin seria el resultat d’un experiment així?. Us ho mostro a continuació:

Vaja!, no hi ha interferència. O sigui, que si no intentem veure els electrons tenim interferència, però quan els mirem amb una font de llum, per exemple, la interferència desapareix. I és que, de fet, la llum que hem posat ho ha pertorbat i recordeu que no aconseguireu dissenyar un experiment que detecti el forat pel qual ha passat el fotó sense perturbarlo (recordar l’article de la certesa de la incertesa).

Podem reduir la intensitat de la llum per intentar pertorbar menys als electrons però el que estem fent és reduir el nombre de fotons emesos, per la qual cosa haurà electrons que se’ns escapin a l’observació. Doncs bé, aquests electrons que se’ns escapen a l’observació interfereixen, però els observats no. I és que, com va dir Heisenberg: "és impossible fer un aparell que pugui determinar el forat a través del qual passa un electró sense alhora perturbar-lo de manera suficient per destruir el model d’interferències".

D’altra banda, què ha passat amb aquestes espurnes de llum? com és possible que la llum que és una ona xoqui amb un electró que és una partícula i emeti llum que és una altra ona? L’explicació la va donar Einstein. Va fer les equacions d’un xoc elàstic afirmant que la llum és un feix de partícules. Els càlculs van coincidir totalment amb els experiments, acceptant-se que la llum també es pot comportar com un feix de partícules.

Fixeu-vos la quantitat de conclusions que podem treure. Al principi pensàvem que els electrons eren partícules i al fer aquest experiment ens hem adonat que presenten interferències, la qual cosa vol dir que també tenen un comportament ondulatori. En altres paraules, que són ones. I la llum que era una ona, a l’interferir amb electrons hem vist que ho fa com si fos una partícula ja que els resultats poden calcular-se com xocs entre partícules.

S’ha de reconèixer que tot això és desconcertant.

La pregunta sobre els fotons i els electrons queda a l’aire: són ones o són partícules?. La resposta és que cap de les dues. És el que es diu tècnicament comportament quàntic de l’electró, més ben dit, de la matèria. Quan els electrons arriben en unitats senceres es comporten com partícules però la probabilitat de l’arribada d’un electró a un determinat punt es calcula com si fos una ona. En aquest sentit diem que es comporten de vegades com partícules i de vegades com ones. El mateix passa amb els fotons.

Per tant, l’incorrecte no és la resposta sinó la forma de formular la pregunta. No és correcte preguntar: els electrons es comporten com ones o com partícules?, sinó com es comporten els electrons?.

I la resposta és, a vegades com ones i a vegades com partícules. Però millor que la meva resposta és la que en el seu moment va donar Feynman en una xerrada:

"L’electró no es comporta com una partícula ni com una ona, sinó com si estigués sonat. I el fotó no es comporta com una ona ni com una partícula, sinó com si estigués també sonat. No obstant això, el comportament sonat del fotó és exactament el mateix que el de l’electró. Així que, en el fons, hem unificat comportaments."

Deu n’hi do aquesta explicació, no us sembla?.

Aquí hi ha un detall important. Si quan l’electró es comporta com ona, és a dir, quan veiem la interferència, no som capaços de saber per quin dels dos forats ha passat, ens hem carregat el concepte de trajectòria. Sí, aquest concepte tan senzill al qual estem acostumats. Per anar de A a C cal passar per B, però ara sabem que hem partit de A i hem arribat a C, però no tenim ni idea del camí seguit.

Doncs encara que sembli un detall sense importància és la base de l’explicació de l’estabilitat de la matèria. Però deixarem això per a altres històries.

Font:
http://historias_de_la_ciencia.lamevaweb.info/post/1052/42043

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

2 respostes a Ones o partícules?

  1. dErsu_ diu:

    Però, els conceptes, ja siguin el d’ona, partícula, electrò, fotó, o el que sigui, són això, no? conceptes, idees de la ment humana que poc tenen a veure amb el mon exterior, però que ens són utils per les nostres coses. Descripcions del mon exterior, però en cap cas el mon exterior.

  2. omalaled diu:

    I tant, dErsu_. Pensa que en el fons, la ciència no és més que un model que nosaltres fem per entendre la Natura.

    L’únic que existeix són els fenòmens. Sï senyor.

    Salut!!

Els comentaris estan tancats.