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
