elgavrilis's blog

Το πρώτο μέρος του 20^ου αιώνα προκάλεσε αλλαγές οι οποίες έφεραν επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο θεωρούμε τη φυσική πραγματικότητα, ειδικά στη σφαίρα του ατόμου. Πριν απ’ αυτό, πριν δηλαδή το ξέσπασμα της κβαντικής επανάστασης, όλες οι περιγραφές της συμπεριφοράς της ύλης ήταν ντετερμινιστικές – μια ορισμένη υπάρχουσα ομάδα συνθηκών καθόριζε πλήρως τη μελλοντική συμπεριφορά. Η κβαντομηχανική το άλλαξε αυτό! Αυτή η νέα θεωρία πρότεινε ότι για τα υποατομικά σωματίδια – ηλεκτρόνια, νετρόνια και πρωτόνια – το παρόν ΔΕΝ καθορίζει πλήρως το μέλλον. Για παράδειγμα αν ρίξουμε ένα ηλεκτρόνιο σε μία διαδρομή και υπολογίσουμε που προσγειώνεται, ένα δεύτερο ηλεκτρόνιο που θα ριχτεί ακολουθώντας την ίδια διαδρομή και υπό τις ίδιες συνθήκες, πιθανότατα θα προσγειωθεί σε διαφορετικό μέρος!

Η κβαντομηχανική θεωρία αναπτύχτηκε από διάφορους ασυνήθιστα προικισμένους επιστήμονες όπως οι Albert Einstein, Niels Bohr, Louis de Broglie, Max Plank, Werner Heisemberg, Paul Dirac και Erwin Schrondinger. Αυτοί οι επιστήμονες δεν ένοιωθαν ιδιαίτερα άνετα με τη θεωρία τους. Ο Bohr είπε: “Όποιος δεν εκπλήσσεται από την κβαντομηχανική θεωρία δεν την έχει καταλάβει”. Ο Schrondinger έγραψε: “Δεν μου αρέσει, και λυπάμαι που είχα κάποια σχέση με αυτήν”. Ο Albert Einstein ήταν δύσπιστος για την ίδια τη θεωρία που ο ίδιος βοήθησε να δημιουργηθεί, δηλώνοντας: “Ο Θεός δεν παίζει ζάρια με το σύμπαν”. Στην πραγματικότητα ο Einstein προσπαθούσε να απορρίψει την Κβαντομηχανική – χωρίς επιτυχία – μέχρι το τέλος της ζωής του. Ωστόσο, η κβαντομηχανική κατάφερε να εξηγήσει θεμελιώδεις παρατηρήσεις, συμπεριλαμβανομένης της ίδιας της σταθερότητας των ατόμων, η οποία δεν μπορούσε να γίνει κατανοητή μέσα στο πλαίσιο της κλασσικής φυσικής. Σήμερα η κβαντομηχανική αποτελεί το θεμέλιο της Χημείας – εξηγώντας δια παράδειγμα τον περιοδικό πίνακα και τη συμπεριφορά των στοιχείων στους χημικούς δεσμούς – καθώς επίσης παρέχοντας την πρακτική βάση για τα Laser, τους υπολογιστές και αναρίθμητες άλλες εφαρμογές.

Στην καθημερινή ζωή η έννοια του μικρού είναι κάτι σχετικό. Κάτι είναι μικρό σε σύγκριση με κάτι άλλο. Ένα αυτοκίνητο είναι μικρότερο από ένα σπίτι, και ένας άνθρωπος είναι μικρότερος από ένα αυτοκίνητο. Αλλά η μικρότητα έχει όρια. Για παράδειγμα, ένα σπίτι δεν μπορεί να είναι μικρότερο από τα τούβλα με τα οποία φτιάχνεται. Τα άτομα και τα σωματίδια που τα απαρτίζουν. Όπως είναι γνωστό τα ηλεκτρόνια είναι αφάνταστα μικρά – έχουν μάζα 9,1 x 10^-28 g, μικρότερη δηλαδή από το ένα τρισεκατομμυριοστό του τρισεκατομμυριοστού του γραμμαρίου – και διαστάσεις (μέγεθος) τόσο μικρές που δεν μπορούν να μετρηθούν. Ένας μοναδικός κόκκος σκόνης περιέχει περισσότερα ηλεκτρόνια από τον αριθμό ατόμων που έχουν υπάρξει στη Γη μέχρι σήμερα. Τα ηλεκτρόνια είναι μικρά με την απόλυτη σημασία της λέξης. Ανήκουν στα πιο μικρά σωματίδια που απαρτίζουν την ύλη. Κι’ επιπλέον τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου καθορίζουν πολλές από τις Χημικές και φυσικές του ιδιότητες. Για να γίνουν κατανοητές αυτές οι ιδιότητες πρέπει να προσπαθήσει κάποιος να κατανοήσει τη φύση των ηλεκτρονίων.

Η απόλυτη μικρότητα των ηλεκτρονίων, καθιστά πρόκληση την κατανόησή τους μέσω της παρατήρησης. Ας εξετάσουμε τις διαφορές στην παρατήρηση ανάμεσα σε ένα μπαλάκι του τένις και σε ένα ηλεκτρόνιο. Μπορούμε να υπολογίζουμε τη θέση μιας μπάλας του τένις παρατηρώντας το φως που πέφτει πάνω στη μπάλα, ανακλάται και εισέρχεται στο μάτι μας. Το μπαλάκι του τένις είναι πολύ μεγάλο σε σχέση με τη διαταραχή που προκαλείται από το φως, οπότε στη ουσία δεν επηρεάζεται από την παρατήρηση. Αντίθετα, αν φανταστούμε ότι παρατηρούμε τη θέση ενός ηλεκτρονίου, τότε η αλληλεπίδραση του φωτός με το ηλεκτρόνιο, στην πραγματικότητα αλλάζει τη θέση του, το οποίο είναι αυτό που κυρίως προσπαθούμε να μετρήσουμε.

Η ανικανότητα παρατήρησης των ηλεκτρονίων χωρίς αυτά να διαταραχθούν έχει σημαντικές επιπλοκές. Σημαίνει ότι όταν παρατηρούμε ένα ηλεκτρόνιο, αυτό συμπεριφέρεται διαφορετικά απ’ ότι όταν δεν το παρατηρούμε. Η πράξη της παρατήρησης μεταβάλλει αυτό που ένα ηλεκτρόνιο πράττει. Σημαίνει ότι οι γνώσεις μας σχετικά με τη συμπεριφορά του ηλεκτρονίου έχουν όρια. Σημαίνει ότι ο απόλυτα μικρός κόσμος του ηλεκτρονίου (ο μικρόκοσμος) είναι διαφορετικός από τον μεγάλο κόσμο (μακρόκοσμο) στον οποίο είμαστε συνηθισμένοι. Επομένως πρέπει βλέπουμε (να “θεωρούμε”) τα υποατομικά σωματίδια με διαφορετικό τρόπο απ’ ότι τον καθημερινό μακροσκοπικό κόσμο.

Τα ηλεκτρόνια – τα υποατομικά σωματίδια γενικότερα – έχουν μια κυματική φύση, με ένα σχετιζόμενο μήκος κύματος που υπολογίζεται μέσω της σχέσης De Broglie  λ = h/p = h/mv. Η κυματική και η σωματιδιακή φύση της ύλης είναι συμπληρωματικές, το οποίο σημαίνει ότι όσα περισσότερα γνωρίζουμε για το ένα, τόσο λιγότερα γνωρίζουμε για το άλλο. Ο κυματο-σωματιδιακός δυϊσμός των ηλεκτρονίων ποσοτικοποιείται με την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg  (Δx. Δp ≥ h/4π), η οποία δηλώνει ότι υπάρχει ένα όριο στο πόσο καλά μπορούμε να γνωρίζουμε τη θέση ενός ηλεκτρονίου (που σχετίζεται με τη σωματιδιακή φύση) και την ταχύτητα επί τη μάζα ενός ηλεκτρονίου (που σχετίζεται με την κυματική φύση. Με όσο μεγαλύτερη ακρίβεια υπολογίζεται το ένα, τόσο πιο αβέβαιο είναι το άλλο. Το να μη μπορούμε να γνωρίζουμε ταυτόχρονα τη θέση και την ταχύτητα ενός ηλεκτρονίου, οδηγεί σε απροσδιοριστία την ανικανότητα πρόβλεψης της τροχιάς του. Συνεπώς η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων περιγράφεται διαφορετικά από τη συμπεριφορά των σωματιδίων της καθημερινής ζωής. Η τροχιά που συνήθως σχετίζουμε με τα μακροσκοπικά αντικείμενα αντικαθίσταται, στην περίπτωση των ηλεκτρονίων, με στατιστικές περιγραφές που δείχνουν, όχι τη διαδρομή ενός ηλεκτρονίου, αλλά την περιοχή όπου είναι πιθανότερο να βρίσκεται.