Z serii “Czy wiesz, że…”

 

ciekawostki naukowe

 

Niezwykła natura światła przyłapana na gorącym uczynku

Fizycy z politechniki w Lozannie po raz pierwszy uwiecznili

na jednym zdjęciu dwie natury światła - falową i cząsteczkową

 

Zgodnie z fizyką kwantową światło w jednych sytuacjach zachowuje się jak fala, a w innych jak strumień cząstek zwanych fotonami. Wydawało się, że to cechy rozłączne - albo ujawnia się jedna, albo druga z nich. Szwajcarskim fizykom udało się je pożenić. Swój eksperyment opisują w "Nature Communications".

Najpierw złapali falę świetlną w pułapce swego rodzaju światłowodu, którym był cienki nanodrut położony na powierzchni grafenu. Potem w okolice tego nanodrutu skierowali elektrony, które niczym kule bilardowe zderzały się z pojedynczymi cząstkami światła. Za pomocą ultraszybkiego mikroskopu elektronowego naukowcy obserwowali, w których miejscach elektrony są "szturchane", tj. zwalniają albo przyspieszają. Oznaczyli miejsca tych kolizji, a więc lokalizację pojedynczych fotonów, i jednocześnie zarejestrowali widmo ich energii, z czego mogli odczytać wielkość zaburzenia pola elektromagnetycznego, tj. zobaczyć falę, która rozchodziła się wzdłuż nanodrutu. Tym samym na jednej fotografii (za pomocą jednego pomiaru) pokazali obie twarze światła.

 

 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".

    Dziś te spory są już za nami. Fizyka przyznała każdemu część racji, uznając, że światło ma naturę... mieszaną. Teraz Szwajcarzy po raz pierwszy jednocześnie podejrzeli dwie komplementarne cechy światła w jednym pomiarze. Dzięki swej falowej naturze światło ulega interferencji i ugina się na krawędziach - tę cechę wykorzystuje się w pryzmatach, soczewkach czy mikroskopach.

 

Korpuskularna natura światła - tj. zdolność wybijania elektronów - przydaje się zaś w dzisiejszych fotokomórkach i matrycach CCD aparatów fotograficznych.

 

 

Kierujący eksperymentem Fabrizio Carbone twierdzi, że umiejętność kontrolowania korpuskularno-falowych zjawisk kwantowych w skali nanometra "otwiera drogę do zbudowania komputerów kwantowych".

   

 

Zredagował Rafał Nieściór 

        (źródło: wyborcza.pl)