20 maja br. w Physical Review Letters ,organie Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego [ Amercan Physical Society – APS] ukazało się sprawozdanie [1] z dosyć egzotycznego eksperymentu , a mianowicie eksperymentu sfotografowania przestrzennego rozkładu obecności elektronu [ w funkcji czasu ] w atomach wodoru.
Eksperyment ten przeprowadził międzynarodowy zespół [ Holandia, Niemcy, Francja, Grecja, USA ] pod kierownictwem Anety Stodolnej [prof. w Instytucie Fizyki Atomowej i Molekularnej,Holandia].
Prof. Aneta Stodolna, absolwentka Politechniki Gdańskiej,to ona powiedziała do atomu wodoru: uśmiechnij się , jesteś w mojej kamerze kwantowej...
Przez ostatni tydzień medialne newsy popularno- naukowe i sieciowe omawiały ten eksperyment, przy dosyć licznych zapytaniach odbiorców o jego istotę i znaczenie naukowe. I do mnie również skierował bloger hobbysta zapytanie , co sądzę o tym eksperymencie.
Na wstępie napiszę , iż nie jest prawdą [ jak wielu informatorów prasowych twierdzi ], że uzyskano fotografię kształtu funkcji falowej “psi” dla elektronu w atomie wodoru.
Funkcja falowa “psi” spełniająca równanie Schroedingera nie opisuje żadnych wielkości bezpośrednio mierzalnych/obserwowanych. Jest obiektem czysto formalnym , którego ontologia jest określana w matematyce , a nie w fizyce.
Pewnego rodzaju zbliżeniem do ontologii świata fizycznego, jest kwadrat wartości bezwzględniej amplitudy funkcji “psi”. Max Born w roku 1926 zaproponował by przyjąć , że iloczyn kwadratu amplitudy funkcji falowej, oraz elementu objętości dV
|Psi (x,y,z,t)|^2 *dV
jest proporcjonalny do gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w elemencie objętości otaczającym punkt [ x,y,z,t ].
Przy pewnym zabiegu formalnym, iloczyn ten jest po prostu równy prawdopodobieństwu znalezienia elektronu w chwili t w elemencie objętościowym dV.
W takim razie co przedstawiają fotografie nr.1 ,które pochodzą z pracy opublikowanej przez zespół prof.A.S.Stodolnej?
fot.1[credit: A.Stodolna and all, poz.1]
Przedstawiają płaskie przekroje rozkładu przestrzennego obecności elektronu w przestrzeni otaczającej jądro atomu wodoru , atomu będącego w określonym stanie kwantowym, który jest wyznaczony przez cztery liczby kwantowe l,m,n,s .
Przy czym, uzyskano ją przez połączenie sfotografowanych położeń elektronów w kilkudziesięciu tysiącach atomów wodoru będących w tym samym stanie kwantowym dzięki zewnętrznemu polu elektrostatycznemu o jednakowym natężeniu dla całej próbki atomów.
fot.2
Intrygująca jest technika mikroskopowego odwzorowania struktury przestrzennej obecności elektronu w atomie wodoru.
Ponad trzydzieści lat temu rosyjscy teoretycy: Demkov-Kondratovitch-Ostrovskij [2] zaproponowali eksperymentalną metodę wyznaczenia rozkładu przestrzennego obecności elektronu w atomie.
Zasugerowali, że eksperymenty powinny polegać na badaniu laserowej jonizacji atomowego wodoru w statycznym polu elektrycznym.
fot.3 [credit: Science Daily/Credit: OLA Monti, TA Baker i DJ Nesbitt / JILA)]
Pracę tę wykorzystali Amerykanie wskazując na możliwość zastosowania nowej technologii światła laserowego [ femtosekundowe lasery ultrafioletowe w reżimie impulsowym ] i po raz pierwszy opracowano technikę scanningu fotojonizacyjnego w 2002 roku [3], a przetestowano ją w roku 2006 w the National Institute of Standards and Technology (NIST) and University of Colorado at Boulder pod kierunkiem prof. Davida Nesbitta [4].
Nosi ona nazwę Scanning photoionization microscopy (SPIM), czyli scaningowa mikroskopia fotojonizacyjna.
Bardzo krótkie impulsy ultrafioletowego lasera omiatają powierzchnię badanego materiału [ płaski przekrój zbioru atomów ] powodując jednocześnie fotojonizację elektronów z atomów materiału badanego , a następnie elektrony te są kierowane na układ soczewek elektrycznych ,pracujący jak mikroskop elektronowy.
Uwolniony fotoelektron może uciec od atomu wzdłuż trajektorii bezpośrednich i pośrednich
fot.4.
Powstała różnica faz pomiędzy różnymi drogami dla fal de Broglie'a związanymi z tymi elektronami, prowadzi do obrazu interferencyjnego, który jest powiększony za pomocą elektrostatycznych soczewek mikroskopu.
Geometria tego obrazu jest wiernym odwzorowaniem miejsca przebywania elektronów w momencie aktów fotojonizacji.
Prof. M.J.J.Vrakking, Dyrektor Max Born Institut fur Nichtlineare Optik und Kurzzeit-Spektroskopie.
“To co widzimy w detektorze mikroskopu ,jest tym co dzieje się w atomie wodoru”, powiedział M.J.Vrakking, członek zespołu ,który uzyskał pierwsze fotografie powłok elektronowych w atomie wodoru.
Jakie jest znaczenie teoriopoznawcze uzyskania fotografii rozkładu przestrzennego obecności elektronu w atomie wodoru?
Po pierwsze ,
dokonano weryfikacji doświadczalnej poprawności rozwiązań równania Schroedingera dla atomu wodoru. Rozwiązania te były znane od blisko 80 lat i prezentowane graficznie [ lub obecnie - symulacjami komputerowymi], w każdym akademickim kursie mechaniki kwantowej.
Fot 5. [credist: wiki ]
Fot.5 przedstawia graficznie rozwiązania równania Schrodingera dla różnych stanów kwantowych atomu wodoru uzyskane rachunkowo przed eksperymentem zespołu pod kierunkiem prof.A.S.Stodolnej. Odpowiedniość teorii i doświadczenia jest nadzwyczajna.
Po drugie ,
doświadczalnie stwierdzono wpływ fal de Broglie'a na rozkład przestrzenny obecności elektronu w atomie wodoru. Geometria tego rozkładu odpowiada falom stojącym z charakterystycznymi węzłami i strzałkami.
Tym samym fale de Brogliea[ lub popularnie : fale elektronowe] są faktem ontycznym [ istnieją poza umysłem badacza ] i stanowią przyczynę sprawczą słynnych obrazów dyfrakcyjnych cząstek elementarnych w tzw. eksperymentach ze szczeliną.
Każda próba wyjaśnienia zjawisk dyfrakcyjno- interferencyjnych cząstek elementarnych z odrzuceniem twierdzenia o istnieniu fal de Broglie'a musi się zacząć od zakwestionowania twierdzenia , które orzeka, co jest obiektem fotografii uzyskanych przez zespół A.S.Stodolnej.
Własności fizyczne i zachowanie tej realności zwanej falami de Brogliea, będą badane nadal tą samą techniką mikroskopowania. Na przykład, już projektuje się zbadanie wpływu pola magnetycznego na geometrię fal elektronowych w atomie wodoru.
Powyższe nie oznacza jednak , że po tym eksperymencie[ i następnych w przygotowaniu], wiemy czym są fale de Brogliea, jaka jest ich natura.
Wiemy tylko ,ż e formalizm mechaniki falowej Erwina Schroedingera opisuje prawdziwie, istniejącą ontycznie realność.
Po tym eksperymencie, kwestionowanie istnienia fal de Brogliea będzie w gruncie rzeczy kwestionowaniem teoriopoznawczej funkcji eksperymentu w fizyce.
Natomiast interpretacja ontologiczna fal de Broglie'a wciąż jest dyskusyjna.
Roger Penrose w roku 2004 zestawił sześć różnych interpretacji natury fale de Brogliea, nie zajmując definitywnego stanowiska, która z nich ma największy stopień wiarygodności [5].
Najnowsza ontologia o nazwie : “interakcyjna interpretacja QM” [The Transactional Interpretation of Quantum Mechanics - TIQM ] , autorstwa J.Cramera wzbudza coraz większe zainteresowanie [ przedstawiłem ją na salonie 24 ,tutaj poz.6 ], czego dowodem może być książka jej poświęcona [7].
W jakimś stopniu wiąże się ona z radykalnie informatycznym podejściem do funkcji falowej “psi” [“Psi to zakodowana informacja o stanie układu”] i wobec nie fizycznej natury informacji, prowadzi do dziwnej fizyki, według której cząstki elementarne oddziaływujące ze sobą przekazują wzajemnie informację niby organizmy żywe.
Informatyzacja ontologii fizyki mikroświata wyjmuje ten obiekt matematyczny [ funkcję “psi”] definitywnie z fizyki, ucina jego związek z rzeczywistością poza-umysłową, istniejąca poza podmiotem poznawczym. I w konkluzji prowadzi do takiego określenia :
“I tego dotyczy formalizm mechaniki kwantowej : przedstawia reguły, jakim podlegają reguły, jakim podlegają fakty.”
To stwierdzenie, znalezione na salonie 24 –gdy mu się przyjrzeć dokładnie- orzeka , że mechanika kwantowa nie zajmuje się żadną warstwą rzeczywistości realnie istniejącej poza umysłem poznającym. Jest meta-językiem sformalizowanym , mającym za przedmiot badania –język o przyrodzie w wymiarze mikro, a nie samą przyrodę. Fizyk który się z nim zgodzi ,opuszcza fizykę jako naukę oempiryczną o rzeczywistości obiektywnie istniejącej.
To prawda, że fale de Broglie'a nie są realnością o naturze i istocie takiej samej, jakimi obdarzone są fale mechaniczne lub elektromagnetyczne.
Są tajemniczym bytem przyrody , którego własności powoli odkrywamy i który najlepiej charakteryzuje pojęcie “potencjalności” , wprowadzone do fizyki i określone przez Czesława Białobrzeskiego.
Natomiast stanowisko sprowadzające fizykę do zbioru reguł, jakim podlegają reguły rządzące faktami, zawisa w próżni dowodowej - by nie powiedzieć bardziej dokładnie- zostało zaprzeczone fotografią rozkładu przestrzennego obecności elektronu w atomie wodoru, rozkładu zgodnego ze strukturą fal de Brogliea w układzie kwantowym.
Literatura
[1] A.S.Stodolna and All, Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States, PHYSICAL REVIEW LETTERS, PRL 110, 213001 ,24 May 2013
[3]C.Nicole,H.Offerhaus,M.J.Vrakking,Photoionization Microscopy,Physical Review Letters,vol.88,no:13,april,2002
[4] A. Monti, T.A. Baker, D.J. Nesbitt , Imaging nanostructures with scanning photoionization microscopy. Journal of Chemical Physics, 21 October 2006
[5] R.Penrose,Droga do rzeczywistości,Warszawa,2007,str.471-503,751-784
[7] R. E. Kastner, "Transactional Interpretation of Quantum Mechanics. The Reality of Possibility", Cambridge Univ. Pres. 2013
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Technologie
