2014-11-26
Autor: nTimes

Światło jako cząstka i fala? Jest historyczny dowód (zdjęcie)!

Light-Spatial-Interference-Energy-QuantizationŚwiatło zachowuje się zarówno jak cząstka i jak fala. Nazywamy to korpuskularno-falową naturą światła. Od czasów Einsteina, który wyjaśniając „efekt fotoelektryczny” określił światło jako nie tylko falę, ale również strumień cząstek, naukowcy starali się bezpośrednio zaobserwować obydwa aspekty światła w tym samym czasie. Udało się to dopiero teraz naukowcom z EPFL – École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Federalnej Politechniki w Lozannie). Fizycy po raz pierwszy uwiecznili na jednym zdjęciu dwie natury światła – falową i cząsteczkową.

Fabrizio-Carbone-thumbMechanika kwantowa mówi nam, że światło może zachowywać się jednocześnie jak cząstka i fala. Jednak nigdy nie zostało to eksperymentalnie potwierdzone. Byliśmy w stanie potwierdzić obydwa aspekty światła osobno, ale nigdy w tym samym czasie. Zespół badawczy prowadzony przez Fabrizio Carbone (kontakt) dzięki nowatorskiemu podejściu do tematu, uzyskał pierwszy w historii na jednej fotografii (za pomocą jednego pomiaru) obraz światła jako fali i cząsteczki jednocześnie – grafika poniżej. Przełomową pracę opublikowano w artykule „Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field” w prestiżowym Nature Communications.


Źródło: ScienceDaily.com

Jeszcze na przełomie XIX i XX wieku fizycy byli przekonani, że światło jest falą elektromagnetyczną, która się rozchodzi w wypełniającym przestrzeń eterze, choć kilkaset lat wcześniej wielki Izaak Newton stworzył i popierał swoim autorytetem teorię korpuskularną (zgodnie z nią promienie światła są złożone z małych cząstek, wyrzucanych przez świecące ciała). Po śmierci Newtona jednak eksperymenty z dyfrakcją i interferencją przekonały największych niedowiarków, że światło to jednak fala.

I dopiero Albert Einstein ponownie powrócił do pomysłu Newtona – w swojej słynnej pracy z 1905 roku zasugerował, że istnieją porcje światła, tj. kwanty, które można traktować jak cząsteczki gazu. Wyjaśnił w ten sposób zjawisko fotoelektryczne, które gra dziś wielką rolę w fotokomórkach czy matrycach CCD naszych aparatów komórkowych. Ale nawet wtedy fizycy podejrzliwie traktowali korpuskularną teorię światła – bardziej jako pewien sposób matematycznego opisu zjawiska, niż rzeczywistość. Prof. Andrzej K. Wróblewski w „Historii fizyki” przytacza powiedzenie słynnego duńskiego fizyka Nielsa Bohra, że „nawet jak Einstein prześle mi telegram, zawiadamiając o udowodnieniu istnienia kwantów światła, to ta wiadomość może dotrzeć do mnie tylko za pośrednictwem fal elektromagnetycznych”.

Light-Electromagnetic-Radiation

Zespół Fabrizio Carbone’a, za pomocą ultraszybkiego transmisyjnego mikroskopu elektronowego – jednego z dwóch takich na świecie, wpuścił laserowy impuls światła do metalicznego nanokabla o średnicy 0,00008 mm, położonego na powierzchni grafenu. Światło lasera cały czas dostarczało energii cząsteczkom w nanokablu, powodując, że zaczęły one w „ciasnym” kablu poruszać się w dwóch możliwych kierunkach, w pewnym momencie spotykając się i tworząc falę, która wyglądała jakby stała w miejscu. Ta właśnie fala stała się źródłem światła, promieniując wokół nanokabla. Następnie naukowcy wystrzelili w kierunku nanokabla strumień elektronów, które miały na celu uzyskanie „obrazu” stojącej fali światła. W momencie, gdy elektrony trafiły na światło, wchodziły z nim w interakcję i przyspieszały albo zwalniały. Zespół Carbone’a zdołał określić, w którym miejscu elektrony zwalniały, a gdzie przyspieszały. W ten sposób otrzymano obraz stojącej fali. Gdzie zatem dowód na cząstki światła? Przyspieszanie i zwalnianie elektronów spowodowane było uderzaniem ich w cząsteczki światła – fotony, które albo przejmowały energię elektronów (wtedy elektron zwalniał), albo oddawały własne kwanty energii (elektrony przyspieszały).

W przeszłości przeprowadzano już wiele eksperymentów, jednak dopiero teraz udało się bezpośrednio zaobserwować światło jako falę i strumień cząstek jednocześnie. Fizyka przyznała każdemu z wielkich naukowców – Newtonowi, Bohrowi i Einsteinowi… część racji, uznając, że światło ma naturę mieszaną. Dzięki swej falowej naturze światło ulega interferencji i ugina się na krawędziach – właśnie tę jego cechę wykorzystuje się w pryzmatach, soczewkach czy mikroskopach. Korpuskularna natura światła, czyli zdolność wybijania elektronów – przydaje się zaś w dzisiejszych fotokomórkach i matrycach CCD aparatów fotograficznych czy smartfonów.

Fabrizio Carbone podsumowując wyniki udanego eksperymentu stwierdził, iż po raz pierwszy możemy bezpośrednio zaobserwować naturę światła, a dogłębne badania nad umiejętnością kontrolowania korpuskularno-falowych zjawisk kwantowych w skali nanometra otwierają nam drogę do zbudowania komputerów kwantowych.

Na podstawie: Astropolis.pl, TylkoNauka.pl, Wyborcza.pl. Źródło: Nature.com

You need to install or upgrade Flash Player to view this content, install or upgrade by clicking here.

Video-Info-Planete

SKOMENTUJ

Zaloguj się i napisz komentarz.

Poznaj Chiny

Artykuły w Kategoriach:

Ziemia Nocą

Komentarze (temp. OFF)

Teleskop Hubble'a