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

Tłumaczenie: Sylwia Gliniewicz Korekta: Marta Konieczna

One of the most amazing facts in physics is this:

Jeden z niezwykłych faktów fizyki.

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

Wszystko we wszechświecie, od światła po elektrony, aż do atomów,

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

zachowuje się jak cząstka i fala w tym samym czasie.

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

Inne dziwne rzeczy, które słyszy się o fizyce kwantowej,

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

Kot Schrodingera, Bóg grający w kości, czy “upiorne oddziaływanie na odległość”,

all of it follows directly from the fact

wypływają bezpośrednio z faktu,

that everything has both particle and wave nature.

że wszystko posiada jednocześnie naturę cząstki i fali.

This might sound crazy.

To może wydawać się szalone.

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

Kiedy patrzysz dookoła, widzisz fale w wodzie i cząsteczki skały

and they're nothing alike.

tak niepodobne do siebie.

So why would you think to combine them?

Dlaczego miałyby być ze sobą połączone?

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

Fizycy nie zdecydowali się pomieszać tych rzeczy bez powodu.

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

Do podwójnej natury wszechświata doszli

through a process of small steps,

małymi kroczkami,

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

składając ze sobą wiele dowodów jak kawałki puzzli.

The first person to seriously suggest the dual nature of light

Pierwszy, który zasugerował podwójną naturę światła,

was Albert Einstein in 1905,

był Albert Einstein, w 1905 roku,

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

ale podchwycił wcześniejszą ideę zaproponowaną przez Maxa Plancka.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

Planck wyjaśnił barwy światła emitowanego przez rozgrzane objekty,

like the filament in a light bulb,

jak na przykład żarnik w żarówce,

but to do it, he needed a desperate trick:

ale aby tego dokonać, musiał użyć sztuczki.

he said the object was made up of oscillators

Powiedział, że obiekt składał się z oscylatorów,

that could only emit light in discrete chunks,

które mogły emitować światło jedynie w oddzielnych porcjach,

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

których energia zależała od częstotliwości światła.

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

Planck był niezadowolony z tej koncepcji, ale za to podchwcił ją Einstein.

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

Zastosował ideę Plancka do światła, uznając, że światło,

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

powszechnie uznawane za falę, jest tak naprawdę strumieniem fotonów,

each with a discrete amount of energy.

a każdy z nich posiada sporcjonowaną energię.

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

Einstein uznał, że to jedyny przełom, którego dokonał, ale wyjaśnia to,

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

czemu oświetlając metalową powierzchnię, następuje emisja swobodnych elektronów.

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

Nawet przeciwnicy tej idei musieli przyznać, że jest doskonała.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

Kolejną część układanki dodał Ernest Rutherford z Anglii.

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

Ernest Marsden i Hans Geiger, w roku 1909, pracując dla Rutherforda,

shot alpha particles at gold atoms

uderzali cząstkami alfa w atomy złota

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

i byli zdumieni, odkrywając, że niektóre z nich odbiły się.

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

To pokazało, że masa atomu koncentruje się w niewielkim jądrze.

The cartoon atom you learn in grade school,

Obraz atomu znany ze szkoły,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

czyli elektrony orbitujące jak maleńki układ słoneczny,

that's Rutherford's.

to model Rutherforda.

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

Problem w tym, że atom Rutherforda nie może działać.

Classical physics tells us that an electron

Zgodnie z tradycyjną fizyką, elektron,

whipping around in a circle emits light,

który porusza się po okręgu, emituje światło,

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

z czego korzysta się stale, aby wytworzyć fale radiowe i promienie X

Atomy Rutherforda powinny rozpraszać promienie X

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

we wszystkich kierunkach, przez krótką chwilę,

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

zanim elektron zderzy się z jądrem.

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

Niels Bor, duński fizyk teoretyczny, który pracował z Rutherfordem,

pointed out that atoms obviously exist,

zwrócił uwagę na to, że atomy jednak istnieją,

so maybe the rules of physics needed to change.

więc może należy zmienić zasady fizyki.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

Bohr zaproponował, że elekton w pewnych określonych orbitach

doesn't emit any light at all.

nie emituje światła.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

Atomy absorbują i emitują światło, kiedy elektrony zmieniają orbity,

and the frequency of the light depends on the energy difference

a częstotliwość światła zależy od różnicy energii,

in just the way Planck and Einstein introduced.

czyli tak, jak to zaproponowali Planck i Einstein.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

Atom Bohra rozwiązuje problem Rutherforda

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

i wyjaśnia, dlaczego atomy emitują ściśle określone barwy światła.

Each element has its own special orbits,

Każda cząstka ma swoją określoną orbitę

and thus its own unique set of frequencies.

i sobie właściwy zestaw częstotliwości.

The Bohr model has one tiny problem:

Z modelem Bohra jest mały problem.

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

Nie ma powodu, aby orbity były wyjątkowe.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

Louis de Broglie, fracuski doktorant,

brought everything full circle.

sprawił, że wszystko zatoczyło koło.

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

Zasugerował, że jeśli światło, które uznaje się za falę,

behaves like a particle,

zachowuje się jak cząstka,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

to może elekton, uznawany za cząstkę,

behaves like a wave.

zachowuje się jak fala.

And if electrons are waves,

Jeśli elekrony zachowują się jak fale,

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

wtedy łatwo wyjaśnić zasadę Bohra, dotyczącą wyboru specjalnych orbit.

Wiedza o elektronach, które zachowują się jak fale,

Once you have the idea that electrons behave like waves,

you can go look for it.

pozwala ich szukać.

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

W ciągu kilku lat naukowcy z USA i Wielkiej Brytanii

had observed wave behavior from electrons.

zaobserwowali elektrony zachowujące się jak fale.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

Teraz mamy niezwykle jasną tego demonstrację.

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

Przepuszczając pojedyncze elektrony przez barierę ze szczelinami.

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

Każdy elektron zostaje wykryty w określonym miejscu i czasie,

like a particle.

zupełnie jak cząstka.

Kiedy powtórzy się eksperyment, i to wielokrotnie,

But when you repeat the experiment many times,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

pojedyncze elektrony ułożą się we wzór prążków,

characteristic of wave behavior.

co jest charakterystyczne dla fali.

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

Idea, że cząstki zachowują się jak fale, a fale jak cząstki,

is one of the strangest and most powerful in physics.

jest jedną z najdziwniejszych i najbardziej wpływowych w fizyce.

Richard Feynman famously said

Znane są słowa Richarda Feynmana,

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

o tym, że jest to główna tajemnica mechaniki kwantowej.

Everything else follows from this,

Reszta łączy się z tym jak puzzle ułożone we właściwym miejscu.

like pieces of a puzzle falling into place.