Dažnas mokslininkas žino tą keistą jausmą, kuomet naujienų lentos sprogsta nuo žinių apie mokslinį rezultatą, tačiau beskaitant ko tik galima nerasti tose naujienose: ir elementaraus nesuvokimo, ir beletristikos apie taikymus ir tyrimo metodus, ir spekuliacijų bei naivių prisigalvojamų iš rašančiojo pusės. Toks jau liūdnas mokslininko gyvenimas: kuomet susilauki dėmesio, vis tiek lieki nesuprastas ir rausta ausys beskaitant savo iškraipytą, iškarpytą interviu.
Štai ir prieš keletą dienų naujienų lentos sprogo nuo tokių antraščių kaip “Pirmą kartą fizikoje šviesa užregistruotą kaip dalelė ir banga vienu metu” , “Šviesa nupaveiksluota vienu metu ir kaip banga, ir kaip dalelė“, “Šviesos bangos-dalelės dualumas nufotografuotas pirmą kartą”. Ir kas blogiau, net tokios rimtos svetainės, kaip Extremetech, LiveScience bei Photonics.com, svetainės, kurias patys mokslininkai tikrai skaito ir apie kurias dažnai gerai galvoja, pasigavo šias klaidinančias antraštes.
Kodėl klaidinančias, galite paklaust? Matot, nes vieną fotoną nėra įmanoma priverst vienu metu elgtis ir kaip banga, ir kaip dalelę. Tai yra fundamentalus kvantinės fizikos teiginys – Heizenbergo neapibrėžtumo principas.
Heizenbergo neapibrėžtumo principas yra vienas iš fundamentalių kvantinės mechanikos teiginių. Ką gi jis sako? Jis teigia, kad vieno matavimo metu yra neįmanoma tuo pat metu nustatyti dalelės greitį ir padėtį. Jei mes bandysime tiksliai išmatuoti dalelės padėtį, tuo mažiau mes žinosime kokiu greičiu dalelė judėjo iki matavimo. Jei gi bandytume nustatyti kaip greitai skriejo dalelė, mes prarasime tikslumą bandydami sužinoti, kur dalelė buvo. Matematiškai šis principas išreiškiamas nelygybe, kuri teigia, kad padėties nustatymo paklaidos sandauga su judesio kiekio paklaida negali būti mažesnė už Planko konstanta h = 1.054571726×10−34 m2kg/s2.
Natūralus klausimas, kodėl mes to nepastebime kasdienybėje? Reikalas yra tas, kad judesio kiekis yra fizikinis dydis, gaunamas padauginus kūno masę ir kūno judėjimo greitį, o Planko konstanta yra labai mažas dydis. Tarkime, elektrono masė yra m=9.10938291 × 10-31 kg, protono masė m=1.67262178 × 10-27 kg, urano 238 izotopo masė yra m=3.983 ×10-25 kg, o žmogaus DNR masė m=2.01 × 10-19 kg. Tarkime, mes norime nustatyti šių objektų padėtį su vieno nanometro tikslumu. Kokiu tikslumu tuomet galėsime nustatyti jų greičius? Atsakymas pateiktas paveiksliuke. Tuo sunku patikėti, tačiau elektrono greitį mes nustatysime tik šimtų tūkstančių kilometrų per valandą tikslumu! Tokį didelį skaičiu net liežuvis neapsiverčia pavadinti “tikslumu”… Šiek tiek “geriau” su protonu – greitį nustatysime net 174 km/h tikslumu! Kaip tokiam mažam objektui didoka. Urano atomo greitį nustatysime 0,73 km/h tikslumu, o žmogaus DNR greitį galėsime išmatuoti 1.45× 10-6 km/h tikslumu. Na, su DNR molekulė skaičiai gaunasi jau padorūs. Jau galime pavadint tokią paklaidą “tikslumu”.
Su Heizenbergo neapibrėžtumu yra tiesiogiai susijęs ir bangos-dalelės dualumo principas, apie kurį ir rašė visi naujienų puslapiai ir apie kurį ir yra aptariamas mokslininkų darbas. Šis principas teigia, kad kvantinio pasaulio objektai vienose situacijose elgiasi kaip bangos, o kitose – kaip dalelės. Bet niekada vienu metu. Koks gi šio principo sąryšis su Heizenbergo neapibrėžtumo principu? Labai paprastas. Jei bandot nustatyti elektrono padėtį, greičiausiai naudojate kamerą arba fotojuostelę. Kuomet elektronas sugeriamas fotojuostelės, vienas taškas pajuoduoja. Taip jus nustatote elektrono padėtį, bet nebegalit pasakyti, kokiu greičiu jis skriejo. Elektronas elgiasi kaip dalelė. Jei bandote išmatuoti elektrono greitį, jus nebežinote jo padėties. Būtent čia elektronas elgiasi kaip banga, kadangi bangos neturi vienos konkrečios padėties. Jei metate akmenuką į vandenį, matote bangas, kurios užima vandens paviršiaus sritį, o ne konkretų tašką.
“Bet kaip gi mokslininkai? Ką gi jie padarė tada?” – jau įsivaizduoju nustebusius mano pamfletus skaitančių žmonių veidus (jei tokie dar tebėra). Aš įdėmiai perskaičiau originalią publikaciją Nature Communications žurnale. Turiu pasakyti, jog nieko panašaus iš to, kas teigiama aukščiau paminėtose antraštėse mokslininkai nepadarė. Net tuo nekvepia. Visų pirma, mokslininkai nagrinėjo ne pavienius fotonus, o fotonų grupę. Suprantate? Daug skirtingų fotonų. Ir šioje fotonų grupėje, vieni fotonai elgėsi kaip bangos, o kiti – kaip dalelės, bet joks fotonas nesielgė vienu metu ir kaip dalelė, ir kaip banga. Joks. Taškas. Ir esu nustebęs, kiek daug šaltinių nesuprato šio momento.
Kodėl aš tai rašau? Matote, mokslo naujienas skaito daug įvairių ir žmonių ir įvairiais tikslais: vieni perskaito ir nueina savo keliais, kiti pakomentuoja, vieni yra humanitarai, kiti – tiksliukai, treti – fizikos studentai. Būtent jauniems fizikos studentams tokios naujienos yra žalingos, kadangi rimto žurnalo autoritetas priešpastatomas objektyviam mokslui ir fizikinei tiesai. Tokie mokslą populiarinantys straipsniai paprasčiausiai klaidina jauną žmogų. Žurnalų noras užsidirbt neišvengiamai yra susietas su noru kuo greičiau paskelbt žinią ir kuo daugiau pritraukt reklamos. Būtent todėl visi žurnalai arba taip supaprastina naujieną, jog nebelieka nei naujienos, nei mokslo, arba taip ją radikalizuoja, kad sako netiesą. Jie teigia, jog buvo stebėta kažkas gerokai radikalesnio negu iš tikrųjų. Žmonės, ne fizikai, dirbantys tose žurnaluose ir tose naujienų svetainėse, pernelyg sureikšmina, per daug prisigalvoja ir per daug permąsto mokslinių duomenų svarbą.
Taigi, kas gi iš tikrųjų įvyko? Ką gi tie mokslininkai padarė? Laimė, esu šios srities specialistas, tad galiu paaiškinti ir pakomentuoti. Visų pirma, mokslininkai pagavo elektromagnetinę bangą ant plono laidelio, kurio storis buvo keletas nanometrų, o pats laidelis yra padarytas iš metalo. Kodėl aš sakau elektromagnetinę, o ne vadinu šią bangą optine banga arba šviesos banga? Matot, jei kalbėt tiesiai šviesiai, tai nėra šviesos banga. Tai yra hibridas tarp šviesos ir elektronų bangos. Optikoje tokios bangos vadinamos paviršiniais plazmonais poliaritonais .
Skirtingai nuo paprastos šviesos bangos, kuri gali judėt visoje erdvėje, šios paviršinės bangos egzistuoja tik ant metalo paviršiaus, o jų bangos ilgis yra trumpesnis negu fotonų. Šios paviršinės bangos yra vadinamos evanescentinėmis arba gęstančiomis bangomis, kadangi stebėtojui tolstant nuo metalo paviršiaus, jos slopsta pagal eksponentinį dėsnį. Kartu su šviesa svyruoja ir elektros krūviai metale, elektronai iš vienos vietos perbėga į kitą, todėl vienur yra neigiamo krūvio perteklius, o kitose bangos vietose krūvis yra teigiamas.
Šviesos bangos, sudarytos iš vien tik fotonų, taip nesielgia. Jų elektinis laukas svyruoja pagal sinusoidės dėsnį, o atstumai tarp maksimumų yra didesnį nei pas paviršiaus plazmonus. Ir tokias bangas mato žmogaus akis.
Taigi, eksperimente kalbama apie bangą hibridą – sudaryta iš svyruojančių laide elektronų ir dėl tų svyravimų atsirandančių fotonų. Skaitome straipsnį toliau. Mokslininkai apšaudė šį nanolaidą su jame svyruojančia plazmonų banga elektronais. Šie elektronai kartais netikėtai pagreitėdavo, lyg iš kažkur gautų energijos kvantus. Kadangi vienintelis šios energijos šaltinis galėtų būti banga-hibridas, mokslininkai padarė išvadą, kad elektronas sugeria fotoną iš šios bangos. Kitaip tariant dalelę. Bet kaip fotonas gali būt vienu metu ir banga, ir dalelė? Atsakymas paprastas – bangoje yra ne vienas vienintelis fotonas. Bangoje yra daug fotonų. Kiekvienas iš jų elgiasi savaip. Būtent tai ir nufotografavo mokslininkai. Jie aptiko, kad bangoje fotonai yra nepriklausomi. Ir kai vieni tebesielgė kaip bangos, kiti elgėsi kaip dalelės. Ir šio eksperimento naujovė yra būtent tai, kad vienu metu buvo paveiksluojami ABEJŲ tipų fotonai.
Jau įsivaizduoju nusivylusius veidus. Gražus rezultatas, bet jokios revoliucijos. Nieko, kas pakeistų klasikinius vadovėlius, arba priverstų perrašyt knygas. Nieko dėl ko reiktų skubėt su knygom į sąvartyną. Kas gi dėl pavienio fotono matavimo. Artimiausiai buvo prof. Steinberg iš Toronto, kuris 2011 metais matavo pavienių fotonų bangines ir korpuskulines savybes. Šis darbas net buvo pavadintas “Breakthrough of the Year” . Tačiau nei aname darbe, nei šiame darbe niekas Heizenbergo neapibrėžtumo taip ir nepaneigė.
Kaip sakoma, norai lieka norais, o mokslas lieka tuo, ko jis visada buvo. Šaltas ir negailestingas nepamatuotų fantazijų žudikas.
