Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

1,084,380 views ・ 2014-09-15

TED-Ed


Κάντε διπλό κλικ στους αγγλικούς υπότιτλους παρακάτω για να αναπαραγάγετε το βίντεο.

Μετάφραση: Maria Boura Επιμέλεια: Maria Pericleous
00:06
One of the most amazing facts in physics is this:
0
6735
3416
Ένας από τους πιο εντυπωσιακούς κανόνες της φυσικής είναι
00:10
everything in the universe, from light to electrons to atoms,
1
10151
3607
ότι τα πάντα στο Σύμπαν, από το φως ως τα ηλεκτρόνια και τα άτομα,
00:13
behaves like both a particle and a wave at the same time.
2
13758
4585
συμπεριφέρονται ταυτόχρονα ως σωματίδια και ως κύματα.
00:18
All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,
3
18343
3282
Οτιδήποτε άλλο μπορεί να έχετε ακούσει για την κβαντική φυσική,
00:21
Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,
4
21625
4924
η γάτα του Σρέντινγκερ, ο Θεός που παίζει ζάρια,
τρομακτικές ενέργειες από απόσταση, όλα αυτά έπονται άμεσα του γεγονότος
00:26
all of it follows directly from the fact
5
26549
2198
00:28
that everything has both particle and wave nature.
6
28747
4614
ότι όλα έχουν και σωματιδιακή και κυματική φύση.
00:33
This might sound crazy.
7
33361
1351
Αυτό μπορεί να ακούγεται τρελό.
00:34
If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,
8
34712
3631
Εάν κοιτάξετε γύρω σας, θα δείτε κύματα στο νερό και σωματίδια στις πέτρες,
00:38
and they're nothing alike.
9
38343
1415
και δε μοιάζουν καθόλου.
00:39
So why would you think to combine them?
10
39758
2118
Γιατί, λοιπόν, να σκεφτείτε να τα συνδυάσετε;
00:41
Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.
11
41876
4479
Οι φυσικοί δεν αποφάσισαν έτσι απλά από μόνοι τους να τα κολλήσουν μαζί.
00:46
Rather, they were led to the dual nature of the universe
12
46355
3084
Αντιθέτως, οδηγήθηκαν στη δυαδική φύση του Σύμπαντος
00:49
through a process of small steps,
13
49439
2448
μέσα από μια ακολουθία μικρών βημάτων, συνταιριάζοντας
00:51
fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.
14
51887
4244
πολλά μικρά κομμάτια παρατηρήσεων, όπως τα κομμάτια σε ένα παζλ.
00:56
The first person to seriously suggest the dual nature of light
15
56131
4241
Ο πρώτος που πρότεινε σοβαρά τη δυαδική φύση του φωτός
01:00
was Albert Einstein in 1905,
16
60372
2706
ήταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905,
αλλά συνέχιζε μια παλιότερη ιδέα του Μαξ Πλανκ.
01:03
but he was picking up an earlier idea from Max Planck.
17
63078
3573
01:06
Planck explained the colors of light emitted by hot objects,
18
66651
3163
Ο Πλανκ εξήγησε τα χρώματα του φωτός που εκπέμπεται από καυτά αντικείμενα,
01:09
like the filament in a light bulb,
19
69814
1999
όπως το νήμα μιας λάμπας φωτισμού,
01:11
but to do it, he needed a desperate trick:
20
71813
2451
αλλά για να το καταφέρει χρειάστηκε ένα απεγνωσμένο κόλπο:
01:14
he said the object was made up of oscillators
21
74264
2800
είπε ότι το αντικείμενο αποτελούνταν από ταλαντωτές
01:17
that could only emit light in discrete chunks,
22
77064
3023
που μπορούσαν να εκπέμψουν φως σε διακριτά πακέτα,
01:20
units of energy that depend on the frequency of the light.
23
80087
3463
μονάδες ενέργειας που βασίζονται στη συχνότητα του φωτός.
01:23
Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.
24
83550
4784
Τον Πλανκ ποτέ δεν τον ενθουσίασε αυτή η ιδέα,
αλλά ο Αϊνστάιν την άρπαξε.
01:28
He applied Planck's idea to light itself, saying that light,
25
88334
3349
Χρησιμοποίησε ο ίδιος την ιδέα του Πλανκ, λέγοντας ότι το φως,
01:31
which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,
26
91683
4496
το οποίο όλοι ήξεραν ότι είναι κύμα, είναι στην πραγματικότητα
μια ροή φωτονίων, με το καθένα από αυτά με μια διακριτή ποσότητα ενέργειας.
01:36
each with a discrete amount of energy.
27
96179
2390
01:38
Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,
28
98569
5428
Αν και ο ίδιος ο Αϊνστάιν το αποκάλεσε
το μοναδικό πραγματικά επαναστατικό πράγμα που έκανε,
01:43
but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.
29
103997
5125
αυτό εξηγεί τον τρόπο με τον οποίο το φως μπορεί να αφαιρέσει σωματίδια
από μια μεταλλική επιφάνεια.
01:49
Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.
30
109122
4274
Ακόμα και άνθρωποι που μισούσαν την ιδέα έπρεπε να συμφωνήσουν ότι δουλεύει τέλεια.
01:53
The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.
31
113396
3762
Το επόμενο κομμάτι του παζλ ήρθε από τον Έρνεστ Ράδερφορντ στην Αγγλία.
01:57
In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,
32
117158
4832
Το 1909, ο Έρνεστ Μάρσντεν και ο Χανς Γκάιγκερ,
οι οποίοι δούλευαν για τον Ράδερφορντ, έριξαν σωματίδια Α σε άτομα χρυσού
02:01
shot alpha particles at gold atoms
33
121990
2935
02:04
and were stunned to find that some bounced straight backwards.
34
124925
4058
και εξεπλάγησαν όταν βρήκαν ότι μερικά ανακλώνταν προς πίσω.
02:08
This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.
35
128983
5058
Αυτό έδειξε ότι το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου είναι συγκεντρωμένο
σε ένα μικροσκοπικό πυρήνα.
02:14
The cartoon atom you learn in grade school,
36
134041
2339
Το άτομο που μάθατε στο σχολείο,
02:16
with electrons orbiting like a miniature solar system,
37
136380
3001
με τα ηλεκτρόνια να περιφέρονται σαν μινιατούρα ηλιακού συστήματος,
02:19
that's Rutherford's.
38
139381
1880
αυτό είναι του Ράδερφορντ.
Υπάρχει ένα μικρό πρόβλημα με το άτομο του Ράδερφορντ: δε μπορεί να δουλέψει.
02:21
There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.
39
141261
3426
02:24
Classical physics tells us that an electron
40
144687
2046
Η κλασική φυσική μας λέει
ότι ένα ηλεκτρόνιο γυρίζοντας σε έναν κύκλο
02:26
whipping around in a circle emits light,
41
146733
2430
εκπέμπει φως, και αυτό το χρησιμοποιούμε συνέχεια
02:29
and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.
42
149163
3909
για την παραγωγή ραδιοκυμάτων και ακτίνων-Χ.
Τα άτομα του Ράδερφορντ θα έπρεπε να ψεκάζουν ακτίνες Χ
02:33
Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant
43
153072
4477
σε όλες τις κατευθύνσεις για μια σύντομη στιγμή,
02:37
before the electron spirals in to crash into the nucleus.
44
157549
3587
πριν τα ηλεκτρόνια πέσουν πάνω στον πυρήνα.
02:41
But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,
45
161136
4730
Αλλά ο Νιλς Μπορ,
ένας Δανός θεωρητικός φυσικός ο οποίος δούλευε με τον Ράδερφορντ,
02:45
pointed out that atoms obviously exist,
46
165866
2615
επεσήμανε ότι τα άτομα προφανώς υπάρχουν,
02:48
so maybe the rules of physics needed to change.
47
168481
2729
και άρα οι κανόνες της φυσικής ίσως έπρεπε να αλλάξουν.
02:51
Bohr proposed that an electron in certain special orbits
48
171210
3608
Ο Μπορ πρότεινε πως ένα ηλεκτρόνιο σε συγκεκριμένες τροχιές
02:54
doesn't emit any light at all.
49
174818
2666
δεν εκπέμπει καθόλου φως.
02:57
Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,
50
177484
4182
Τα άτομα απορροφούν και εκπέμπουν φως μόνο όταν τα ηλεκτρόνια αλλάζουν τροχιά,
03:01
and the frequency of the light depends on the energy difference
51
181666
2916
και η συχνότητα του φωτός εξαρτάται από την ενεργειακή διαφορά,
03:04
in just the way Planck and Einstein introduced.
52
184582
4170
όπως ακριβώς είχαν πει ο Πλανκ και ο Άϊνσταιν.
03:08
Bohr's atom fixes Rutherford's problem
53
188752
2162
Το άτομο του Μπορ διορθώνει το πρόβλημα του Ράδερφορντ
03:10
and explains why atoms emit only very specific colors of light.
54
190914
4413
και εξηγεί γιατί τα άτομα εκπέμπουν μόνο πολύ συγκεκριμένα χρώματα φωτός.
Κάθε χημικό στοιχείο έχει τις δικές του μοναδικές τροχιές,
03:15
Each element has its own special orbits,
55
195327
2127
03:17
and thus its own unique set of frequencies.
56
197454
2987
και έτσι, τις δικές του μοναδικές συχνότητες.
03:20
The Bohr model has one tiny problem:
57
200441
2388
Το μοντέλο του Μπορ έχει ένα πολύ μικρό πρόβλημα:
03:22
there's no reason for those orbits to be special.
58
202829
2912
δεν υπάρχει κανένας λόγος για αυτές τις τροχιές να είναι ξεχωριστές.
03:25
But Louis de Broglie, a French PhD student,
59
205741
2890
Αλλά ο Λουί ντε Μπρέηγ, ένας Γάλλος διδακτορικός φοιτητής,
03:28
brought everything full circle.
60
208631
2029
τα αναποδογύρισε όλα.
03:30
He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,
61
210660
3248
Επεσήμανε ότι, αν το φως, το οποίο όλοι ήξεραν ότι είναι ένα κύμα,
03:33
behaves like a particle,
62
213908
1575
συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο,
03:35
maybe the electron, which everyone knew is a particle,
63
215483
3212
ίσως το ηλεκτρόνιο, το οποίο όλοι ήξεραν ότι είναι ένα σωματίδιο,
03:38
behaves like a wave.
64
218695
2140
συμπεριφέρεται σαν κύμα.
03:40
And if electrons are waves,
65
220835
1703
Και αν τα ηλεκτρόνια είναι κύματα, είναι εύκολο να εξηγήσουμε
03:42
it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.
66
222538
3728
τον κανόνα του Μπορ για την επιλογή συγκεκριμένων τροχιών.
03:46
Once you have the idea that electrons behave like waves,
67
226266
3094
Αν έχετε την ιδέα ότι τα ηλεκτρόνια
λειτουργούν ως κύματα, μπορείτε να αρχίσετε να το ψάχνετε.
03:49
you can go look for it.
68
229360
1687
Και μέσα σε λίγα χρόνια, επιστήμονες από τις Η.Π.Α. και την Βρετανία
03:51
And within a few years, scientists in the US and UK
69
231047
3359
03:54
had observed wave behavior from electrons.
70
234406
2883
είχαν παρατηρήσει κυματική συμπεριφορά στα ηλεκτρόνια.
03:57
These days we have a wonderfully clear demonstration of this:
71
237289
3198
Τώρα έχουμε μια πολύ ξεκάθαρη επίδειξη αυτού:
04:00
shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.
72
240487
4150
ρίχνοντας μεμονωμένα ηλεκτρόνια σε ένα εμπόδιο με οπές,
04:04
Each electron is detected at a specific place at a specific time,
73
244637
4027
κάθε ηλεκτρόνιο ανιχνεύεται σε μια συγκεκριμένη θέση
σε ένα συγκεκριμένο χρόνο, όπως ένα σωματίδιο.
04:08
like a particle.
74
248664
1455
Αλλά όταν επαναλαμβάνετε το πείραμα πολλές φορές,
04:10
But when you repeat the experiment many times,
75
250119
2188
04:12
all the individual electrons trace out a pattern of stripes,
76
252307
4275
όλα τα ηλεκτρόνια δημιουργούν ένα σχήμα από λωρίδες,
04:16
characteristic of wave behavior.
77
256582
2320
χαρακτηριστικό της κυματικής συμπεριφοράς.
04:18
The idea that particles behave like waves, and vice versa,
78
258902
3133
Η ιδέα ότι τα σωματίδια συμπεριφέρονται ως κύματα, και το ανάποδο,
04:22
is one of the strangest and most powerful in physics.
79
262035
3703
είναι μια από τις πιο περίεργες και πιο ισχυρές στη φυσική.
04:25
Richard Feynman famously said
80
265738
1699
Όπως είπε και ο Ρίτσαρντ Φάινμαν,
04:27
that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.
81
267437
3815
αυτό δείχνει το κεντρικό μυστήριο της κβαντομηχανικής.
04:31
Everything else follows from this,
82
271252
2055
Όλα τα υπόλοιπα έπονται από αυτό,
04:33
like pieces of a puzzle falling into place.
83
273307
2685
όπως τα κομμάτια ενός παζλ που μπαίνουν στη θέση τους.
Σχετικά με αυτόν τον ιστότοπο

Αυτός ο ιστότοπος θα σας παρουσιάσει βίντεο στο YouTube που είναι χρήσιμα για την εκμάθηση της αγγλικής γλώσσας. Θα δείτε μαθήματα αγγλικών που διδάσκουν κορυφαίοι καθηγητές από όλο τον κόσμο. Κάντε διπλό κλικ στους αγγλικούς υπότιτλους που εμφανίζονται σε κάθε σελίδα βίντεο για να αναπαράγετε το βίντεο από εκεί. Οι υπότιτλοι μετακινούνται συγχρονισμένα με την αναπαραγωγή του βίντεο. Εάν έχετε οποιαδήποτε σχόλια ή αιτήματα, παρακαλούμε επικοινωνήστε μαζί μας χρησιμοποιώντας αυτή τη φόρμα επικοινωνίας.

https://forms.gle/WvT1wiN1qDtmnspy7