#83 Światło vol. 2, czyli Nosisz, Uszysz i Oczysz je w sobie

0. Wstępniak okolicznościowy.

Witam ponownie. Tym razem, w odróżnieniu od poprzedniego tematu, zajmiemy się światłem. Wyjątkowo, skoro okoliczności pozwalają, nie będę się rozwlekał, to ma być druga część. Podobno. Dziś gościnnie wystąpią u nas literki 'Ś', 'C', oraz liczba 300. To nie będzie tych trzystu z filmu, jeszcze by mi tu obory narobili. Mam nadzieję, że domyślacie się, dlaczego zaprosiłem do nas akurat te literki i tę liczbę. Nie? 

O, Wy, Tłuczyska. To ja się tu produkuję i wypacam co mam najlepszego spod klawiszy, a Wy nie potraficie zapamiętać, że 'Ś' to światło, 'C' to prędkość światła, a 300 to liczba tysięcy kilometrów na sekundę, jaką przebywa światło? Na sekundę?! No, trzysta! Wiecie co, nawet ja się mylę, tak naprawdę jestem podjarany tym, że mogę znowu do Was przemawiać z ambony Fizyki dla Laika. A propos nazwy, jakaś babka wydała książkę pod dość znajomo brzmiącym tytułem 'Fizyka dla Laika'. Obrażam się i podaję do sądu. Ja byłem pierwszy. Jakbyście nie wiedzieli, kto wymyślił, to ja - 10 lat temu.

Ale do meritum.

1. Co do babć wypadających z bamboszy, odnośnie pierwszego tematu.

Na czym ja to skończyłem? A na, podawaniu do sądu. Może przełóżmy tę kwestię gdzie indziej, a raczej wystrzelamy ją z plagiatem na Księżyc.

Co się tyczy bamboszy, na pewno uznacie fakt, że foton podróżuje bez czasu, za jakąś bzdurkę. Fizyczną, laiczną, tłuczyskową. Skoro bez czasu, to panie, jak się mówi, skąd te 300,000 km na sekundę? I pewnie bystrzejsi z Was powiedzą: 'Kolego, foton potrzebuje 8 minut, by dotrzeć ze Słońca do Ziemi. Co ty na to, tępa strzało?'. Ci bystrzejsi, na pewno tak powiedzą. Widzę to w Waszych oczach. 

A te, skoro jeszcze nie są jak spodki, będę się produkował dalej. Jeśli mógłbyś lecieć razem z fotonem, czego nie da się zrobić, ale przyjmijmy to na chwilę jako eksperyment myślowy; wtedy czas w ogóle nie płynie. Foton opuszcza Słońce (chlip, chlip), podróżuje 150 milionów kilometrów do Ziemi, nasze zegary mierzą 8 minut. Ale dla fotonu czas wynosi ZERO. Jest emitowany i absorbowany w jednej i tej samej chwili. Foton nie doświadcza 'podróżowania'. Nie doświadcza tak naprawdę niczego. Pojawia się w jednym miejscu a zaraz potem w innym, tylko że to zaraz nie istnieje - podróżuje bez czasu pomiędzy tymi dwoma zdarzeniami.

Z punktu widzenia światła nie było żadnej podróży. Coś Wam jednak powiem. Mogę? Ha, mogę, bo to mój blog, i mogę pisać, co chcę, byle się zgadzało z fizyczną wiedzą. Mogę też dla jaj zakończyć w tym miejscu. Wiem, że przeczytacie. Przecież tak się Wszyscy lubimy ;)

Kiedy opisywałem perspektywę fotonu, trochę minąłem się z prawdą, ponieważ słowo 'perspektywa' odnosi się do obserwatora, a foton nie ma masy. A szczególna teoria względności doznaje lekkiego zakłopotania, kiedy punktem odniesienia jest coś bez masy. Prawdę mówiąc, nie daje ona odpowiedzi faktycznej dla czegoś, co nie ma masy, załamuje się. No ręce opadają, jednym słowem, szczególna teoria względności załamana, Albert Einstein płacze, a fotony, cóż fotony świecą oczami, bo to takie małe świecące kuleczki. Żartuję, oczywiście.

Dlatego kiedy mówię, że foton ma perspektywę, ekstrapoluję naszą intuicję do czegoś, co w rzeczywistości nie może mieć perspektywy. Nie można sobie lecieć z fotonem. Matematyka tego zabrania. Matematyka nie w pełni pozwala na nazywanie czegoś 'perspektywą fotonu'. To ważne rozróżnienie. Fizyka to jest takie coś, co mówi o tym, co pokazują nam równania. Nie jest historyjką o równaniach, czy innym opowiadaniem znad rzeki. Historyjki i filozofia są przydatne, ale to nie to samo, co fizyka.

Dobra, powiedzieliśmy, że światło to fala elektromagnetyczna. Podróżuje przez pusta przestrzeń bez poruszania się jakiejkolwiek masy, i ma prędkość stałą dla wszystkich obserwatorów. A ze swojego punktu widzenia, nie doświadcza czasu. I jego upływu.

2. Nadchodzi wiek 20 i mechanika kwantowa.

Co takiego zaś mówi o świetle mechanika kwantowa, bo z klasycznego i relatywistycznego punktu widzenia wiemy tyle, że możemy wykładać na Sorbonie?

Okazuje się, że na początku wieku XX wkradło się do fizyki cos takiego, jak efekt fotoelektryczny. Świecisz sobie na jakiś materiał, a tu wylatują elektrony. Tak w skrócie można opisać efekt fotoelektryczny, za który Einstein dostał Nobla. Naprawdę :)

Ale, jest pewien problem. Energia wylatujących z kapelusza Białego Królika fotonów nie zależy od jasności światła. Zależy zaś od częstotliwości, koloru światła, inaczej mówiąc. Jasne czerwone światło nie powoduje wypadania żadnych elektronów. Przyciemnione niebieskie światło wywołuje elektrony do tablicy z zakamarków kapelusza Białego Kapelusznika, Alicji, zaraz, to nie ta bajka. Wracać do nory!

Rozlazły mi się zwierzęta i baśniowe chochliki. Zawsze się pojawiają, gdy piszę o fizyce. Zawsze. Na przemian z białymi myszkami i zielonymi słoniami. Mam ich pełno w pokoju. Powaga, pomagają mi pisać, te głupie żarciki wyskakują wtedy, gdy na attosekundę przejmują kontrolę nad moją świadomością, ja jestem śmiertelnie poważny. Gdzie mi by było do obśmiewania naukowców z XX wieku, którzy maja młotki jak w mojej grafice. Ot, kwantowa mechanika.

Obraz falowy nie tłumaczy efektu fotoelektrycznego. Jeśli światło byłoby falą, wtedy jaśniejsze światło oznaczałoby  więcej energii. I wiązałby się ów fakt z innym, zaprzyjaźnionym sobie faktem, że jaśniejsze światło wystrzeliwuje elektrony z materiału mocniej. Ale, tak się nie dzieje. Einstein w roku 1905, tym samym, w którym ogłosił światu szczególną teorię względności, powiedział, tak, powiedział, do siebie w łazience przed lustrem, i tak wiadomość obiegła cały świat, że światło przenosi się w skwantowanych pakietach, małych wycinkach. Każdy pakiet ma energię, która zależy od częstotliwości. E = h*f. H to stała Plancka, kolejnego lizusa i placka fizyki kwantowej, f to częstotliwość. Pojedynczy pakiet ma wystarczająco energii, by wybić elektron, albo nie ma. Większa jasność to tylko więcej pakietów, nie więcej energii na pakiet. Kumacie? Już słyszę rechot żab. Tak, kumamy.

Jeśli pakiet nie jest wystraczająco energetyczny, żaden elektron się nie pojawi. Nieważne, ile ich wystrzelimy w kierunku badanego materiału. Te pakiety, to fotony. Robi się teraz trochę dziwniej, bo światło to i fala i, jak się później okazało, także cząstka. Można je wykryć raz od czasu, jakbyście mieli przypadkiem taki detektor promieniowania, licznik Geigera znaczy, to można zaobserwować takie tyknięcia.

Już widzę jak, to mógłbym inaczej wytłumaczyć. Pyk, foton, pyk, foton. Ale nie zniżajmy się do poziomu piaskownicy. Na pewno już wszyscy jesteśmy wystraczająco dorośli, by uznać wyższość licznika Geigera nad pykaniem.

Można je wykryć, jeden po drugim. Przyciemnione światło wystrzeliwuje jeden foton za każdym razem. Jeśli mamy wystraczająco czuły detektor, słyszymy 'klik, klik'. Ja mam, słyszę klikanie, a może to tylko klawisze od komputera? Już nie wiem, czy jestem fizykiem, czy pisarzem. Wybaczcie.

3. Eksperyment z dwoma szczelinami, czyli doświadczenie Younga. (a raczej Olda, bo to było 100 lat temu ;))

Jeśli te fotony wystrzelimy w coś, co ma dwie szczeliny, taką barierę z dwoma dziurami, każdy foton przejdzie przez...

Tam tara ram tam tam…

… dwie szczeliny jednocześnie. To nie żart. To pisałem ja, Tomasz Dawidowicz, a nie moje białe myszki ;)

Jak to? A tak to, że gdy na ekranie detektora za barierą, tam gdzie powinny lądować fotony, powstaje obraz interferencyjny, czyli po prostu obraz nakładających się na siebie fal. Ale przecież my wysyłamy, oprócz czasem poczty gołębiami, jeden foton na raz! Nie ma co z czym interferować! A widzicie. A widzicie! Tu przydaje się ja, jako fizyk. Bo ja Wam mogę to wyjaśnić ni mniej ni więcej tak, że foton interferuje sam ze sobą. Gdybym dopuścił jakiś żart, cały temat runąłby. W tym momencie nie pora na żarty, tylko na prawdziwy zachwyt nad niesamowitością i pięknem Natury :)

Mało tego. Gdybyśmy próbowali wykryć, przez którą szczelinę przeszedł foton, zniknąłby obraz prążków interferencyjnych na detektorze za szczelinami. Foton wtedy przechodziłby grzecznie jedna cząstka po drugiej, przez jedną bądź drugą szczelinę, jak zwykła cząstka. Na detektorze pojawiają się dwie kupy (parszywe gołębie! Bujajcie się!), eee, to znaczy, już ścieram, dwa stosy cząstek, po jednej na każdą szczelinę. Próba podejrzenia drogi fotonu kończy się zniszczeniem obrazu interferencyjnego.

To doprowadzało Einsteina do białej gorączki. Nigdy się z opisanym faktem nie pogodził. Chodzili za nim, tłumaczyli, a on nie! Sam odkrył i się wygłupia, co najśmieszniejsze. Nie zaakceptował tak naprawdę własnego odkrycia. Mówił, że 'Bóg nie gra w kości z Wszechświatem'. A jednak, teoria działała. I działa do dzisiaj, choć nie wiemy nadal, dlaczego. Teoria kwantów przewiduje wszystko, co do tej pory zmierzyliśmy. Jest precyzyjniejsza niż jakakolwiek inna teoria w fizyce. Całej fizyce. Jest po prostu świetna.

Elektrodynamika kwantowa, kwantowa teoria materii i energii, jest najlepiej przebadaną teorią w fizyce. Jej przewidywania sprawdzają się do 10 miejsc po przecinku, zero, przecinek i dziesięć zer. A na końcu...

Czym więc jest właściwie światło? Falą czy cząstką?

4. Z dwojga złego, na dwoje babka wróżyła, tak czy nie, kurde...

… Otóż nie jest ani tym, ani tym. Powiedzcie to Ani. Zabije Was i nasmaży Plancków, a nie zrozumie. Trochę się zapędziłem myślami, ale wiecie, tak to jest, gdy Wam coś łazi między palcami. Może to korniki z mojej maszyny do liczenia, mojego drewnianego Atari?

Światło jest tym, na co nie mamy dobrego klasycznego odpowiednika, czegoś z naszej codzienności. Słowo fala i słowo cząstka to zwykłe ludzkie wynalazki, bazujące na logice dnia codziennego, dla dużych, klasycznych obiektów, fali na wodzie, kul bilardowych. Natura na poziomie kwantowym nie jest zmuszona do mieszczenia się w naszych pojęciach; robi coś po swojemu, tak, że nie jesteśmy w stanie nadążyć, ani sobie wyobrazić. Jest to prostu efekt świetlny. To, co mamy, to matematyczna rama, która mówi nam dokładnie o prawdopodobieństwie znalezienia fotonu w danym miejscu. Funkcja falowa, bo taki instrument mamy, to fala. Ma częstotliwość, długość fali i interferuje, czyli nakłada się sama na siebie. Ale kiedy wykrywamy foton, otrzymujemy go w dokładnej lokalizacji jako cząstkę. Tam, gdzie funkcja falowa ma wysoką amplitudę, jest większa szansa, że go znajdziemy. I odwrotnie, gdzie fala jest niska, tam mało prawdopodobne, że znajdziemy foton. A kiedy ją badamy, kiedy dokonujemy pomiaru, kiedy ktoś patrzy (tak jak w eksperymencie z dwiema szczelinami Młodzieniaszka), funkcja falowa dokonuje kolapsu do tego punktu. Nie patrzysz - fala, patrzysz, kolaps i cząstka.

5. A teraz najlepsze, czyli najgorsze.

Kiedy foton podróżuje z punktu A do punktu B, nie wygląda to tak dobrze, by pomogła nam mechanika klasyczna. Ot, kulka toczyłaby się z jednego miejsca do drugiego. Prawidłowo na to zagadnienie odpowiada mechanika kwantowa, bo foton nie podróżuję prosta linią. Porusza się za to po... każdej możliwej trajektorii!

Każdy foton podróżujący z A do B leci jednocześnie każdą możliwą ścieżką, poprzez bezdroża Antarktydy i ciasne szczeliny grawastarów. A także, oczywiście, i to jest tylko jedna z opcji, prosto z A do B. Zygzaki, ślimaki, korniki. Do Jowisza i z powrotem. Wszystkie te ścieżki dokładają się do jednej strzałki, a każda z nich jest maleńką strzałeczką, amplitudą, a sumujemy wszystkie te małe strzałeczki, by otrzymać naszą jedną, prosta strzałę. Leciała cząstka jak strzała, i strzała jak leciała, to znaczy strzała też leciała ;)

Większość z tych strzałeczek anuluje się sumując ze sobą, ponieważ lecą one w losowych kierunkach  i w sumie dają zero. Ale strzałki blisko klasycznej strzały, tej od punktu A do B, prostej linii, blisko ścieżki o najniższym czasie podróży, te się nie zerują. W rezultacie otrzymujemy fakt, że foton zachowuje się, jakby podróżował po prostej linii. Klasyczny obraz mówi, że porusza się w linii prostej od A do B, ale światło nie trzyma się zasady podróżowania po linii prostej, na fundamentalnym poziomie. To tylko efekt zsumowania wszystkich małych strzałek, dróg, po których poruszało się światło, a raczej foton.

Linia prosta jest tak zwaną emergentną, czyli wypadkową wszystkich możliwych dróg.

Wszystkie głupie niedobre ścieżki się zerują, przetrwała tylko linia klasyczna i to mówi nam mechanika kwantowa... Prawo odbicia, refrakcji, prosta linia rozchodzenia się świtała, wszystko z tego wynika. Wszystko, to wszystko. Phi.

6. Końcówka, Moi Drodzy, brawo dla bohaterów, którzy doczytali do końca. W nagrodę - e-uścisk od Autora :)

Co wiemy o świetle?

Tak naprawdę… coś rozchodzi się od źródła do detektora. Porusza się ze stałą prędkością C w próżni, dla wszystkich obserwatorów. Wiemy, że to, co się rozchodzi, mianowicie, nie wiemy o co się rozchodzi, ale chodzi o to, że... :)

Już teraz jaśniej, bo przecież to temat o świetle. To co się przemieszcza ma własności fali. Ma częstotliwość, długość fali, interferuje samo ze sobą. Ale ma też własności cząstki. Dociera do detektora w dyskretnych pakietach, kliknięciach na detektorze, przenosi także energię równą (h) * swoją częstotliwość. Foton ma zerową masę. I właśnie z uwagi na powyższy fakt, może poruszać się tylko i wyłącznie z prędkością światła. Nigdy szybciej, nigdy wolniej. Do trzystu wolno mu tylko zliczyć. To w próżni. Wiemy też, że z relatywistycznego punktu widzenia czyli stamtąd, gdzie siedział Einstein, właściwy czas dla fotonu wynosi zero. Nie doświadcza on trwania.

Czego nie wiemy o świetle?

Nie wiemy tego , co dzieje się z fotonem między emisją a detekcją. Tak, może to brzmi dziwnie, ale wiemy, że jest w punkcie A i B, a co pomiędzy - tak naprawdę nie wiadomo. Piknie. Co robi foton, gdy nikt nie patrzy? Czy fala jest rzeczywista? Czy rzeczywista jest korpuskularność, czyli cząsteczkowość? Te pytania mogą na zawsze pozostać bez odpowiedzi, bo odpowiedzi zależą od tego, jakie zadamy i jak zadamy pytanie... Natura robi cos w sekrecie przed nami. Pytanie, przez którą szczelinę przechodzi światło, gdy nie patrzymy, może nie mieć żadnej odpowiedzi. To nie kwestia naszej wiedzy. To kwestia tego, jak naprawdę, na atomowym poziomie, funkcjonuje Rzeczywistość.

Tak właśnie jest rozumiane zdanie, że nikt nie rozumie mechaniki kwantowej. Nie dlatego, że równania są zbyt skomplikowane, bo nie są, ale ponieważ dlatego, że równania nie opowiadają żadnej historyjki. Dają wyliczenia. Zadajemy pytanie, otrzymujemy prawdopodobieństwo, a ono jest zgodne z obserwacją. Ale na pytanie o to, co się dzieje z fotonem między detektorem a źródłem, nie otrzymamy jasnej odpowiedzi. Możemy zapytać filozofów, ale oni raczej zadymiają niż rozjaśniają. Tam, gdzie powinna się znajdować fizyka, mamy filozofię, i to jest właśnie bardzo niewiarygodne. Światło podróżuje? Tak. 300000 km/s? Tak. Jest falą? Tak. Jest cząstką? Tak. Czy coś się fizycznie porusza? Cóż, zmieniają się wartości pól. Pola - elektromagnetyczne i elektryczne oscylują, ale nic nie jest transportowane. Czy mija czas podczas tej podroży? Nie, z punktu widzenia fotonu, ale czy można o takiej perspektywie mówić z matematycznego punktu widzenia? Nie. Ale żaden czas nie upływa. Czy foton porusza się po linii prostej, czy tak uczy mechanika kwantowa? Tak, ale tylko dlatego że niewiarygodne ścieżki się zerują.

Czym jest światło? To kwant pola elektromagnetycznego. Coś, co jest falo i cząstko podobne, coś co porusza się bez pośrednika, z prędkością ściśle wyznaczoną i tylko z nią, czymś co obiera wszystkie ścieżki jednocześnie i najczęściej się zeruje, a co dociera do detektora jako klik. Czy tam, pyk.

Tak wygląda światło, kiedy Natura, a nie człowiek, rysuje obraz.