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

Μετάφραση: Maria Boura Επιμέλεια: Maria Pericleous

One of the most amazing facts in physics is this:

Ένας από τους πιο εντυπωσιακούς κανόνες της φυσικής είναι

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

ότι τα πάντα στο Σύμπαν, από το φως ως τα ηλεκτρόνια και τα άτομα,

behaves like both a particle and a wave at the same time.

συμπεριφέρονται ταυτόχρονα ως σωματίδια και ως κύματα.

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

Οτιδήποτε άλλο μπορεί να έχετε ακούσει για την κβαντική φυσική,

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

η γάτα του Σρέντινγκερ, ο Θεός που παίζει ζάρια,

τρομακτικές ενέργειες από απόσταση, όλα αυτά έπονται άμεσα του γεγονότος

all of it follows directly from the fact

that everything has both particle and wave nature.

ότι όλα έχουν και σωματιδιακή και κυματική φύση.

This might sound crazy.

Αυτό μπορεί να ακούγεται τρελό.

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

Εάν κοιτάξετε γύρω σας, θα δείτε κύματα στο νερό και σωματίδια στις πέτρες,

and they're nothing alike.

και δε μοιάζουν καθόλου.

So why would you think to combine them?

Γιατί, λοιπόν, να σκεφτείτε να τα συνδυάσετε;

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

Οι φυσικοί δεν αποφάσισαν έτσι απλά από μόνοι τους να τα κολλήσουν μαζί.

Rather, they were led to the dual nature of the universe

Αντιθέτως, οδηγήθηκαν στη δυαδική φύση του Σύμπαντος

through a process of small steps,

μέσα από μια ακολουθία μικρών βημάτων, συνταιριάζοντας

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

πολλά μικρά κομμάτια παρατηρήσεων, όπως τα κομμάτια σε ένα παζλ.

The first person to seriously suggest the dual nature of light

Ο πρώτος που πρότεινε σοβαρά τη δυαδική φύση του φωτός

was Albert Einstein in 1905,

ήταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905,

αλλά συνέχιζε μια παλιότερη ιδέα του Μαξ Πλανκ.

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

Ο Πλανκ εξήγησε τα χρώματα του φωτός που εκπέμπεται από καυτά αντικείμενα,

like the filament in a light bulb,

όπως το νήμα μιας λάμπας φωτισμού,

but to do it, he needed a desperate trick:

αλλά για να το καταφέρει χρειάστηκε ένα απεγνωσμένο κόλπο:

he said the object was made up of oscillators

είπε ότι το αντικείμενο αποτελούνταν από ταλαντωτές

that could only emit light in discrete chunks,

που μπορούσαν να εκπέμψουν φως σε διακριτά πακέτα,

units of energy that depend on the frequency of the light.

μονάδες ενέργειας που βασίζονται στη συχνότητα του φωτός.

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

Τον Πλανκ ποτέ δεν τον ενθουσίασε αυτή η ιδέα,

αλλά ο Αϊνστάιν την άρπαξε.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

Χρησιμοποίησε ο ίδιος την ιδέα του Πλανκ, λέγοντας ότι το φως,

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

το οποίο όλοι ήξεραν ότι είναι κύμα, είναι στην πραγματικότητα

μια ροή φωτονίων, με το καθένα από αυτά με μια διακριτή ποσότητα ενέργειας.

each with a discrete amount of energy.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

Αν και ο ίδιος ο Αϊνστάιν το αποκάλεσε

το μοναδικό πραγματικά επαναστατικό πράγμα που έκανε,

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

αυτό εξηγεί τον τρόπο με τον οποίο το φως μπορεί να αφαιρέσει σωματίδια

από μια μεταλλική επιφάνεια.

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

Ακόμα και άνθρωποι που μισούσαν την ιδέα έπρεπε να συμφωνήσουν ότι δουλεύει τέλεια.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

Το επόμενο κομμάτι του παζλ ήρθε από τον Έρνεστ Ράδερφορντ στην Αγγλία.

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

Το 1909, ο Έρνεστ Μάρσντεν και ο Χανς Γκάιγκερ,

οι οποίοι δούλευαν για τον Ράδερφορντ, έριξαν σωματίδια Α σε άτομα χρυσού

shot alpha particles at gold atoms

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

και εξεπλάγησαν όταν βρήκαν ότι μερικά ανακλώνταν προς πίσω.

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

Αυτό έδειξε ότι το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου είναι συγκεντρωμένο

σε ένα μικροσκοπικό πυρήνα.

The cartoon atom you learn in grade school,

Το άτομο που μάθατε στο σχολείο,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

με τα ηλεκτρόνια να περιφέρονται σαν μινιατούρα ηλιακού συστήματος,

that's Rutherford's.

αυτό είναι του Ράδερφορντ.

Υπάρχει ένα μικρό πρόβλημα με το άτομο του Ράδερφορντ: δε μπορεί να δουλέψει.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

Classical physics tells us that an electron

Η κλασική φυσική μας λέει

ότι ένα ηλεκτρόνιο γυρίζοντας σε έναν κύκλο

whipping around in a circle emits light,

εκπέμπει φως, και αυτό το χρησιμοποιούμε συνέχεια

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

για την παραγωγή ραδιοκυμάτων και ακτίνων-Χ.

Τα άτομα του Ράδερφορντ θα έπρεπε να ψεκάζουν ακτίνες Χ

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

σε όλες τις κατευθύνσεις για μια σύντομη στιγμή,

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

πριν τα ηλεκτρόνια πέσουν πάνω στον πυρήνα.

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

Αλλά ο Νιλς Μπορ,

ένας Δανός θεωρητικός φυσικός ο οποίος δούλευε με τον Ράδερφορντ,

pointed out that atoms obviously exist,

επεσήμανε ότι τα άτομα προφανώς υπάρχουν,

so maybe the rules of physics needed to change.

και άρα οι κανόνες της φυσικής ίσως έπρεπε να αλλάξουν.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

Ο Μπορ πρότεινε πως ένα ηλεκτρόνιο σε συγκεκριμένες τροχιές

doesn't emit any light at all.

δεν εκπέμπει καθόλου φως.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

Τα άτομα απορροφούν και εκπέμπουν φως μόνο όταν τα ηλεκτρόνια αλλάζουν τροχιά,

and the frequency of the light depends on the energy difference

και η συχνότητα του φωτός εξαρτάται από την ενεργειακή διαφορά,

in just the way Planck and Einstein introduced.

όπως ακριβώς είχαν πει ο Πλανκ και ο Άϊνσταιν.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

Το άτομο του Μπορ διορθώνει το πρόβλημα του Ράδερφορντ

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

και εξηγεί γιατί τα άτομα εκπέμπουν μόνο πολύ συγκεκριμένα χρώματα φωτός.

Κάθε χημικό στοιχείο έχει τις δικές του μοναδικές τροχιές,

Each element has its own special orbits,

and thus its own unique set of frequencies.

και έτσι, τις δικές του μοναδικές συχνότητες.

The Bohr model has one tiny problem:

Το μοντέλο του Μπορ έχει ένα πολύ μικρό πρόβλημα:

there's no reason for those orbits to be special.

δεν υπάρχει κανένας λόγος για αυτές τις τροχιές να είναι ξεχωριστές.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

Αλλά ο Λουί ντε Μπρέηγ, ένας Γάλλος διδακτορικός φοιτητής,

brought everything full circle.

τα αναποδογύρισε όλα.

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

Επεσήμανε ότι, αν το φως, το οποίο όλοι ήξεραν ότι είναι ένα κύμα,

behaves like a particle,

συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

ίσως το ηλεκτρόνιο, το οποίο όλοι ήξεραν ότι είναι ένα σωματίδιο,

behaves like a wave.

συμπεριφέρεται σαν κύμα.

And if electrons are waves,

Και αν τα ηλεκτρόνια είναι κύματα, είναι εύκολο να εξηγήσουμε

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

τον κανόνα του Μπορ για την επιλογή συγκεκριμένων τροχιών.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

Αν έχετε την ιδέα ότι τα ηλεκτρόνια

λειτουργούν ως κύματα, μπορείτε να αρχίσετε να το ψάχνετε.

you can go look for it.

Και μέσα σε λίγα χρόνια, επιστήμονες από τις Η.Π.Α. και την Βρετανία

And within a few years, scientists in the US and UK

had observed wave behavior from electrons.

είχαν παρατηρήσει κυματική συμπεριφορά στα ηλεκτρόνια.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

Τώρα έχουμε μια πολύ ξεκάθαρη επίδειξη αυτού:

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

ρίχνοντας μεμονωμένα ηλεκτρόνια σε ένα εμπόδιο με οπές,

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

κάθε ηλεκτρόνιο ανιχνεύεται σε μια συγκεκριμένη θέση

σε ένα συγκεκριμένο χρόνο, όπως ένα σωματίδιο.

like a particle.

Αλλά όταν επαναλαμβάνετε το πείραμα πολλές φορές,

But when you repeat the experiment many times,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

όλα τα ηλεκτρόνια δημιουργούν ένα σχήμα από λωρίδες,

characteristic of wave behavior.

χαρακτηριστικό της κυματικής συμπεριφοράς.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

Η ιδέα ότι τα σωματίδια συμπεριφέρονται ως κύματα, και το ανάποδο,

is one of the strangest and most powerful in physics.

είναι μια από τις πιο περίεργες και πιο ισχυρές στη φυσική.

Richard Feynman famously said

Όπως είπε και ο Ρίτσαρντ Φάινμαν,

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

αυτό δείχνει το κεντρικό μυστήριο της κβαντομηχανικής.

Everything else follows from this,

Όλα τα υπόλοιπα έπονται από αυτό,

like pieces of a puzzle falling into place.

όπως τα κομμάτια ενός παζλ που μπαίνουν στη θέση τους.