Φέτος για πρώτη φορά εντάχθηκε στην διδακτέα ύλη Φυσικής της Γ΄ Λυκείου η Κβαντομηχανική. Βέβαια στην Χημεία της Γ΄ διδάσκουμε στοιχεία Κβαντομηχανικής από το 2000 με την μεταρρύθμιση Αρσένη.
του Χαράλαμπου Παπαδόπουλου
Επειδή είναι εκπληκτικό το πώς πέρασε η Φυσική από την κλασική θεωρία στην Κβαντομηχανική ας το δούμε όσο πιο απλά μπορούμε.
Γύρω στα 1900 η επιστήμη της Φυσικής ένοιωθε παντοδύναμη με την πρόοδο που είχε κάνει. Έγραφε ο μεγάλος φυσικός Michelson το 1899 «όλοι οι θεμελιώδεις νόμοι και τα πρωταρχικά δεδομένα της φυσικής επιστήμης έχουν ήδη ανακαλυφθεί και είναι τόσο σταθερά εδραιωμένα ώστε η πιθανότητα να ανατραπούν κάποτε ως αποτέλεσμα νέων ανακαλύψεων είναι τελείως μακρινή». Που να φανταζόταν ο Michelson ότι λίγους μήνες μετά που είπε τα λόγια αυτά, θα ξεκινούσε το ξήλωμα της κλασικής Φυσικής και σε 25 χρόνια θα αποδεικνυόταν ότι ήταν όλη λάθος ! Επαληθεύτηκε η φράση του σοφού αγίου Ισαάκ του Σύρου «Να φοβάσαι αυτά που τα θεωρείς οπωσδήποτε σωστά».
Η κλασική Φυσική όμορφα τα είχε τακτοποιήσει : ο κόσμος μας αποτελείται από σωματίδια και κύματα. Το βιβλίο, το αυτοκίνητο, το άτομο, το πρωτόνιο, το ηλεκτρόνιο … είναι σωματίδια. Όλες οι ακτινοβολίες όπως και το ορατό φως, ο ήχος, μια πετρούλα που πέφτει στο νερό και δημιουργεί εκείνα τα κυκλικά … είναι κύματα. Φυσικά είναι ξεκάθαρο τι είναι σωματίδιο και τι είναι κύμα. Υπάρχει περίπτωση όπως και να βάλουμε δυο ίδια βιβλία το ένα πάνω στο άλλο να μηδενιστούν και να μην υπάρχουν ; Όχι βέβαια. Αν όμως από 2 μικρές σχισμές φωτίζουμε ένα σκοτεινό δωμάτιο με την ίδια ακριβώς ακτινοβολία στον απέναντι τοίχο θα δημιουργηθούν πέρα από τις φωτεινές και κάποιες σκοτεινές περιοχές, επειδή εκεί θα φτάνουν τα κύματα αντίθετα και θα μηδενίζει το ένα το άλλο (το φαινόμενο λέγεται συμβολή).
Όμως αυτή η θεώρηση της κλασική Φυσικής δεν μπορούσε να εξηγήσει κάποια φαινόμενα όπως για παράδειγμα τα ακόλουθα τρία :
- Ότι υλικό και να πυρακτώσουμε στην ίδια θερμοκρασία εκπέμπει ακριβώς το ίδιο φως (λέγεται ακτινοβολία του μέλανος σώματος). Δηλαδή μέσα σε ένα υαλουργείο που πυρακτώνονται γυαλιά, μέταλλα, πλακάκια, όλα εκπέμπουν το ίδιο κίτρινο φως και δεν ξεχωρίζουν. Η κλασική φυσική δεν μπορεί να εξηγήσει πως γίνεται αφού είναι διαφορετικά υλικά να εκπέμπουν το ίδιο ακριβώς φως. Το φως περιέχει πολλά είδη ακτινοβολιών (τις ακτινοβολίες που περιέχει το ορατό φως τις βλέπουμε στο ουράνιο τόξο). Ακόμα η κλασική φυσική έβγαζε το συμπέρασμα ότι όσο πιο ισχυρές γίνονται οι ακτινοβολίες που περιέχονται στο εκπεμπόμενο φως (η μωβ είναι η ισχυρότερη ορατή ακτινοβολία και η κόκκινη η πιο ασθενής) από το θερμό σώμα, τόσο μεγαλώνει και η έντασή τους και στις υπεριώδεις για παράδειγμα γίνεται η ένταση άπειρη ! (αυτό ονομάστηκε υπεριώδης καταστροφή). Κοντολογίς, όταν θερμαινόταν ένα σώμα θα κατέστρεφε τον κόσμο γύρω του.
- Όταν πέφτει φως σε μέταλλο εκπέμπονται από το μέταλλο ηλεκτρόνια (λέγεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο). Σε πόρτες που ανοίγουν αυτόματα κάτι τέτοιο εφαρμόζεται. Η κλασική φυσική δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί ενώ λιγοστό μωβ φως μπορεί να πετύχει να γίνει εκπομπή ηλεκτρονίων από το μέταλλο, όσο έντονο και να κάνουμε το κόκκινο φως δεν μπορεί να βγάλει ούτε ένα ηλεκτρόνιο.
- Όταν ρίχνουμε ισχυρό φως πχ μωβ πάνω σε μια υλική επιφάνεια τότε το φως σκεδάζεται (στρίβει) προς διάφορες κατευθύνσεις. Και όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία σκέδασης (στριψίματος) τόσο πιο αδύνατο γίνεται το φως πχ σε μικρή γωνία μπορεί να είναι κίτρινο, σε μεγαλύτερη μπορεί να είναι κόκκινο (λέγεται φαινόμενο Compton). Η κλασική Φυσική θεωρεί αδύνατο να αλλάζει το χρώμα του φωτός στην σκέδαση (έλα όμως που αλλάζει ).
Το 1900 ο Max Planck για να ξεπεράσει την δυσκολία διατύπωσε την τολμηρή υπόθεση ότι το φως δεν είναι μόνο κύμα, αλλά ταυτόχρονα είναι και σωματίδια, κβάντα ενέργειας (φωτόνια) και ξεκινάει έτσι η Κβαντομηχανική. Τώρα που διαβάζουμε αυτές τις γραμμές τρισεκατομμύρια φωτόνια από την οθόνη πέφτουν στα μάτια μας. Δηλαδή είχε λάθος η κλασική Φυσική που θεωρούσε πως ότι υπάρχει στο σύμπαν είναι ή σωματίδιο ή κύμα. Η πραγματικότητα έδειξε πως ότι υπάρχει στο σύμπαν είναι ταυτόχρονα και σωματίδιο και κύμα (επειδή σε λίγο θα πούμε και το αντίστροφο ότι και τα κύματα είναι ταυτόχρονα και σωματίδια).
Το 1911 ξέραμε ότι μέσα στο άτομο υπάρχουν πρωτόνια με θετικό ηλεκτρικό φορτίο και ηλεκτρόνια με ίσο αριθμητικά αλλά αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και μάζα 1830 φορές μικρότερη από τα πρωτόνια. Το ατομικό μοντέλο που ίσχυε μέχρι τότε ήταν του «σταφιδόψωμου» επειδή ο επινοητής του Thomson έλεγε ότι τα πρωτόνια είναι διεσπαρμένα παντού μέσα στο άτομο όπως οι σταφίδες στο σταφιδόψωμο.
Ο Rutherford το 1911 έκανε ένα πείραμα (ας μη το περιγράψουμε) για να ελέγξει αν είναι σωστό το μοντέλο του «σταφιδόψωμου». Το πείραμα έδειξε ότι ήταν λάθος και ο Rutherford το βελτίωσε με το πλανητικό μοντέλο. Τα πρωτόνια κατελάμβαναν ένα πολύ μικρό χώρο στο κέντρο του ατόμου και γύρω σ’ ένα τεράστιο χώρο περιφέρονταν σε κυκλικές τροχιές τα ηλεκτρόνια, όπως το ηλιακό μας σύστημα γι αυτό το ονόμασε πλανητικό μοντέλο. Τα ηλεκτρόνια μπορούσαν να κινηθούν σε οποιαδήποτε κυκλική τροχιά γύρω από τον πυρήνα, σε κάθε τροχιά είχαν άλλη ενέργεια η οποία μεγάλωνε καθώς απομακρυνόταν από τον πυρήνα, δηλαδή τα ηλεκτρόνια του ατόμου μπορούσαν να πάρουν κάθε τιμή ενέργειας. Αυτά συμφωνούσαν με την κλασική Φυσική.
Όλα όμορφα και ωραία. Υπήρχε όμως ένα μικρό πρόβλημα. Αν το πλανητικό μοντέλο ήταν σωστό δεν θα υπήρχε ο κόσμος ! Επομένως δεν θα υπήρχαμε κι εμείς να το κουβεντιάζουμε. Δεν θα υπήρχαμε για δυο λόγους.
- Τα ηλεκτρόνια στο πλανητικό μοντέλο του Rutherford εκτελούν κίνηση ομαλή κυκλική. Η κίνηση αυτή όμως είναι επιταχυνόμενη, έχει κεντρομόλο επιτάχυνση η οποία απλώς αλλάζει μόνο την κατεύθυνση. Όμως πριν λίγα χρόνια ένας μεγάλος Φυσικός ο Maxwell είχε αποδείξει ότι κάθε επιταχυνόμενο φορτίο εκπέμπει ακτινοβολία, όπως συμβαίνει μέσα σε κάθε κεραία ραδιοφώνου, τηλεόρασης, κινητών … Άρα τα ηλεκτρόνια θα χάνουν συνεχώς ενέργεια και άρα θα πέσουν ακαριαία πάνω στον πυρήνα και άρα δεν υπάρχει η ύλη, δηλαδή ο κόσμος.
- Η κλασική Φυσική θεωρεί ότι η ενέργεια του ηλεκτρονίου σε ένα άτομο ή μόριο μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή. Δηλαδή ας πούμε ότι η ενέργεια των ηλεκτρονίων στο νερό Η2Ο μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή. Αυτό θα σήμαινε ότι αν χύσουμε στο δάπεδο ένα ποτήρι νερό τα ηλεκτρόνια μπορούν να πάρουν ενέργεια από την κρούση με το δάπεδο και να φύγουν και αντί για νερό να μας μείνουν πρωτόνια και ηλεκτρόνια μόνα τους. Δηλαδή δεν θα μπορούσε να υπάρξει σταθερή ύλη για να δημιουργηθεί ο κόσμος, δηλαδή και εμείς δεν θα μπορούσαμε να υπάρχουμε.
Εμείς όμως υπάρχουμε άρα το πλανητικό μοντέλο του ατόμου χρειαζόταν βελτίωση. Το 1913 ο Bohr διατύπωσε την άποψη ότι τα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα δεν μπορούν να κινούνται σε οποιαδήποτε τροχιά δηλαδή δεν μπορούν να έχουν οποιαδήποτε ενέργεια, αλλά μπορούν να κινούνται μόνο σε καθορισμένες τροχιές, δηλαδή μπορούν να έχουν μόνο καθορισμένες ενέργειες. Αυτό το λέμε ότι η ενέργεια είναι κβαντισμένο μέγεθος, ενώ για την κλασική Φυσική δεν είναι. Οπότε ένα ηλεκτρόνιο για ν’ αλλάξει τροχιά πρέπει να κάνει ένα άλμα ενέργειας, δηλαδή δεν είναι τόσο εύκολο να αλλάξει τροχιά, δηλαδή η ύλη είναι σταθερή. Άρα και να χύσουμε το νερό στο δάπεδο η ενέργεια από την κρούση είναι μικρή και δεν μπορεί να εξαναγκάσει τα ηλεκτρόνια να αλλάξουν τροχιά, άρα το νερό παραμένει νερό. Ευτυχώς !
Μήπως έχετε απορία αν βλέπουμε κάπου τα ηλεκτρόνια να αλλάζουν τροχιές ; Σε κάθε λάμπα που ανάβουμε και φωτίζει αυτό γίνεται. Τα ηλεκτρόνια απορροφούν ηλεκτρική ενέργεια και αλλάζουν τροχιά (ονομάζεται διέγερση) και στην επιστροφή τους εκπέμπουν σαν φως την παραπανίσια ενέργεια (ονομάζεται αποδιέγερση). Για την ακρίβεια όπου παράγουμε φως οι άνθρωποι αυτό γίνεται. Μόνο τα αστέρια δίνουν φως με άλλο τρόπο.
Το 1924 ο de Broglie διατύπωσε την άποψη ότι όπως το φώς είναι και σωματίδια, έτσι και τα κινούμενα σωματίδια είναι ταυτόχρονα και κύματα. Θυμάστε που λέγαμε για το πείραμα κατά το οποίο από δυο μικρές σχισμές φωτίζαμε ένα σκοτεινό δωμάτιο ; Από τις δυο σχισμές αντί για φως αν στείλουμε δέσμες ηλεκτρονίων παρατηρούμε το ίδιο ακριβώς. Το φαινόμενο της συμβολής που ισχύει μόνο για κύματα. Σε κάποιες περιοχές της οθόνης πάνω στην οποία πέφτουν τα ηλεκτρόνια μηδενίζει το ένα το άλλο και δεν υπάρχουν καθόλου ηλεκτρόνια. Και εμείς όταν τρέχουμε εκδηλώνουμε και κυματική συμπεριφορά αλλά το μήκος κύματός μας είναι τόσο μικρό που δεν μπορούμε να το ανιχνεύσουμε, δηλαδή στα κινούμενα μεγάλα σώματα η κυματική συμπεριφορά είναι αμελητέα.
Το 1927 ήρθε ο Σρέντινγκερ ο οποίος είπε ότι αφού τα κινούμενα ηλεκτρόνια στα άτομα είναι και κύματα χρειάζονται μια κυματοσυνάρτηση που να περιγράφει κάθε χρονική στιγμή σε ποιο σημείο του χώρου βρίσκονται. Κι έτσι από την σιγουριά της κυκλικής τροχιάς περάσαμε σε ποιο χώρο γύρω από τον πυρήνα είναι πιθανό να βρίσκονται τα ηλεκτρόνια και αυτοί οι χώροι ονομάστηκαν τροχιακά. Αυτά τα εξηγούμε στην Χημεία της Γ΄.
Την ίδια χρονιά ήρθε και η χαριστική βολή στην κλασική Φυσική από την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg : «Είναι αδύνατο να προσδιορίσουμε με ακρίβεια συγχρόνως την θέση και την ταχύτητα ενός μικρού σωματιδίου». Δηλαδή αν έχουμε μικρό λάθος στον προσδιορισμό της θέσης του θα έχουμε μεγάλο λάθος στην ταχύτητά του και αντίστροφα. Ας το δείξω με ένα παράδειγμα από το βιβλίο Φυσικής της Γ΄. Ας πούμε ότι μετρήσαμε την ταχύτητα του ηλεκτρονίου σε ένα άτομο και κάναμε λάθος 0,1 % δηλαδή κάναμε πολύ μικρό λάθος. Τότε το λάθος που θα κάνουμε στον προσδιορισμό της θέσης του είναι 100.000 χιλιόμετρα δηλαδή θα βγάζουμε ότι το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε απόσταση 15 φορές την απόσταση της Ελλάδας από την Κίνα ! Αν μετρήσαμε την ταχύτητα μιας μπάλας του γκολφ με λάθος 0,1 % το λάθος που θα κάνουμε στον προσδιορισμό της θέσης της είναι μικρότερο από εκατομμυριοστά του χιλιοστού, άρα γνωρίζουμε με ακρίβεια την θέση του. Δηλαδή για σώματα της καθημερινής μας ζωής η κλασική Φυσική συμφωνεί με την Κβαντομηχανική.
Διάβασα στο βιβλίο «Η γενιά του internet» (iGen) της Καθηγήτριας της Ψυχολογίας στο Πανεπιστήμιο του Σαν Ντιέγκο της Καλιφόρνιας Jean Twenge : «Καθυστερώντας να ωριμάσει και ζώντας μέσα στην υπερπροστασία των γονέων δεν είναι παράξενο που η γενιά του internet δημιούργησε μέσα στα πανεπιστήμια «ασφαλείς χώρους». Αυτοί είναι χώροι μέσα στα αμερικανικά πανεπιστήμια που καταφεύγει για να ηρεμήσει όποιος φοιτητής ένοιωσε πανικό, φοβία, απόρριψη και δυστυχώς τελευταία και όποιος ένοιωσε άσχημα επειδή άκουσε απόψεις αντίθετες από τις δικές του».
Αν τα εφαρμόζαμε αυτά και προτιμούσαμε την σιγουριά και την ασφάλεια των απόψεων της κλασικής Φυσικής από την αβεβαιότητα και την ανασφάλεια των θέσεων της Κβαντομηχανικής θα είχαμε στερηθεί την έκπληξη του θαύματος της Κβαντομηχανικής η οποία εξηγεί ότι υπάρχουμε. Από την δεκαετή εμπειρία μου στην Χριστιανική Φοιτητική Δράση μέσα στην οποία είχα ασφάλεια απόψεων και ιδεών, μπορώ να πω τώρα μετά από χρόνια, καλύτερα στα φοιτητικά μου χρόνια να είχα ζήσει την εμπειρία της αγωνίας της αναζήτησης της αλήθειας.
