Éter a kvantová mechanika 2 - dvouštěrbinový experiment

čtvrtek 1. říjen 2009 18:08

Známý pokus s dvojitou štěrbinou patří ke klíčovým experimentům, kterým se demonstruje vlnově-částicový charakter kvantové mechaniky. V podstatě při něm jde o to, že hmotná částice po průchodu dvojicí štěrbin uspořádaných rovnoběžně vedle sebe nedopadají na stínítko za štěrbinami zcela náhodně, nýbrž tam postupně vytvoří difrakční obrazec podobný interferenční proužkům, který po průchodu dvojitou štěrbinou vytvoří paprsek světla. Částice hmoty se tedy při pokusu chovají částečně jako vlny energie.

Schéma dvouštěrbinového experimentu

Fyzici dávno tuší, že dvouštěrbinový experiment by mohl mít svoje klasické vysvětlení, nejenom ryze formální řešení vyplývající ze Schrodingerovy rovnice. Nedávno se jej podařilo částečně zreplikovat v mechanické analogii pomocí vibrující vodní hladiny. Na takové hladině vydrží poskakovat mnoho hodin drobné olejové kapky, které v tomto modelu představují částice šířící se podél gradientu hustoty éteru tvořícího časoprostor. Spojení kapky s vodní hladinou totiž vyžaduje přechodné vytvoření tenkého krčku se silně zápornou křivostí, která je zdrojem odpudivé síly a zabraňuje kapce ve splynutí s hladinou (analogický jev v prostorovém uspořádání zabraňuje hmotným částicím v jejich rozpuštění ve vakuu). Pokud se hopsající kapky nechaly procházet přepážkou ležící na hladině se dvěma otvory, výsledek pokusu výrazně připomínal dvouštěrbinový experiment s částicemi ve vakuu.

Průběh dvouštěrbinového experimentu na stínítku za štěrbinami - dopadající částice zde postupně vytvářejí difrakční obrazec

Vysvětlení dvouštěrbinového experimentu pomocí éterové teorie je snadné a opírá se opět o model vakua jako částicového prostředí. Hmotné částice při pohybu vakuem v prostředí vyvolají podobnou vlnu, jako každý objekt, který se pohybuje v částicovém prostředí. Této vlně se říká deBroglieho vlna, podle francouzského fyzika šlechtického původu Louis deBroglie, který její vznik v roce 1929 předpověděl. Na vodní hladině můžeme podobnou vlnu pozorovat vždy, jakmile se po ní pohybuje objekt (např. plovající brouk nebo loďka) nenulovou rychlostí a je vždy orientovaná kolmo na směr dvouštěrbinového experimentu pohybu. V objemovém uspořádání tyto vlny vedou k turbulencím: na podobném principu se rozvlní stuha tažená vzduchem nebo proud plynu tvořící plamen, pokud je rychlost pohybu dostatečně velká, apod.

Ryba plavající pod hladinou vytváří na hladině vlnu napříč směru svého pohybu

Ve vakuu není deBroglieho vlna přímo pozorovatelná, protože je svázána s pohybem částice a vlny se navzájem prostupují, ale protože je tvořena stojatou gravitační vlnu a prostředím se propaguje nadsvětelnou rychlostí, zahuštuje vakuum daleko od částice. Zatímco vlastní rozměry částic lze ve srovnání s rozměry štěrbin zcela zanedbat, protože elementární částice je přibližně bodová a může procházet pouze jedinou štěrbinou, deBroglieho vlna je rozměrný prostorový útvar a může tedy procházet oběma štěrbinami současně. Obě části deBroglieho vlny vycházející z jednotlivých štěrbin se chovají v duchu Huyghensova principu vlnové mechaniky jako současné zdroje vlnění, mohou vzájemně interferovat podobně jako vlny světla a vytvořit  tak ve vakuu za štěrbinami neviditelný difrakční obrazec ve tvaru vějíře, ve kterém se střídají interferenční maxima a minima. V místech, kde se vlna skládají do maxim je vakuová pěna promíchávána intenzívněji a přechodně zde houstne, podobně jako pěna mýdlová (viz předchozí úvod do éterového výkladu kvantové mechaniky). Vakuum se v těchto místech stává hustší a vlny se takovým prostředím šíří pomaleji, je zde tedy vyšší pravděpodobnost výskytu vln. Oblast interferenčních maxim tak funguje pro vlny jako jakýsi prostorový vlnovod.

Schéma éterového modelu dvouštěrbinového experimentu

Jak již bylo vysvětleno v úvodu do kvantové mechaniky, hmotné částice se propagují kvantovou pěnou vakua jako vlnový balík, nebo-li soliton.  Podobně jako jiné vlny se zpomalují v hustší oblasti vakua a soustředují se do oblasti interferenčních maxim difrakčního obrazce. Jsou jimi při svém pohybu zachyceny a svedeny do místa, kde částice dopadnou na stínítko. Hustota dopadu částic tak kopíruje rozložení interferenčních proužků difrakčního obrazce deBroglieho vlny v místě stínítka. Výsledek experimentu při průchodu hmotné částice štěrbinami lze tedy ve stručnosti popsat následující posloupností pěti kauzálních kroků:

  1. Hmotná částice při pohybu vakuem vytváří deBroglieho vlnu orientovanou napříč na směr pohybu.
  2. DeBroglieho vlna se kolem částice propaguje do okolí jako podélná gravitační vlna a prochází oběma štěrbinami současně.
  3. Obě části deBroglieho vlny spolu za štěrbinami vzájemně interferují za vzniku vějířovitého difrakčního obrazce.
  4. V místech, kde vznikají interferenční maxima difrakčního obrazce se pěna vakua promíchává energií deBroglieho vlny nejintenzívněji a proto se zde udržuje nejhustší.
  5. Oblast vakua s vyšší hustotou se chová jako vlnovod a orientuje vlnové balíky představující hmotné částice do interferenčních proužků na stínítku, rozložení částic za dvojicí štěrbin tedy není zcela náhodné.

Pokud částice prochází jedinou štěrbinou, odpadají body 3-5 a částice se v důsledku kvantových fluktuací vakua pohybuje vakuem náhodně a dopadá na stínítko se statistickým rozložením připomínajícím Gaussovu křivku, nikoliv interferenční proužky. Výše popsaný éterový výklad je ve fyzice původní a postrádá nedostatky některých předchozích intepretací dvouštěrbinového experimentu, jako např.:

  • Elementární částice jsou ve skutečnosti rozsáhlé prostorové vlny, které mohou procházet a interferovat oběma štěrbinami současně.
    Takový předpoklad ale odporuje jiným experimentům, ve kterých se částice chovají doopravdy téměř jako bodové objekty. Nelokální charakter částic se projevuje pouze při jejich pohybu, je však nutné si uvědomit, že v důsledku kvantových fluktuací vakua se každá částice neustále trochu pohybuje a šíří tak kolem sebe deBroglieho vlnu do okolí asi jako kachna vrtící se na hladině rybníka. Tato vlna se následně projevuje jako gravitační pole částice a propojuje tím koncepčně kvantovou mechaniku s teorií relativity. Dalšími relativistickými souvislostmi deBroglieho vlny se budu podrobněji zabývat v následujícím příspěvku.
  • Částice jsou sice bodové objekty, ale difrakční obrazec vzniká tím, že vzájemně interferují dvě částice, procházející štěrbinami současně.
    Tento předpoklad se teprve relativně nedávno podařilo vyvrátit experimentem, při kterém byl tok částic (v daném případě šlo o elektrony) omezen do té míry, že se v prostoru za štěrbinami statisticky nacházela vždy pouze jediná částice. Výsledek experimentu však zůstal nezměněn a nezávisel na hustotě částic v aparatuře: to znamená, že k dosažení difrakčního obrazce při dvouštěrbinovém experimentu stačí jedna jediná částice, která přitom technicky vzato interferuje "sama se sebou". Protože se však difrakce objevuje i při dvouštěrbinovém experimentu s fotony, lze z toho odvodit, že difraktující deBroglieho vlna se musí vakuem šířit nadsvětelnou rychlostí, aby stačila interferovat i s fotonem samotným, je to tedy podélná vlna gravitační. 

    Creative Commons License
    Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

NatáliaPřesně moje pocity19:104.8.2014 19:10:33
EXWxSEryaVkLOAfXYhxXClTcrSBDfe04:2223.7.2011 4:22:00
CXIpDxnonPROaNSZwesKYPjlzoOtmCHEmAb02:5322.7.2011 2:53:28
peterKonečně něco solidního13:3612.5.2010 13:36:36
MartinPochvala21:571.10.2009 21:57:04

Počet příspěvků: 5, poslední 4.8.2014 19:10:33 Zobrazuji posledních 5 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik