by 
Επειδή ο εχθρός του καλού είναι το καλύτερο ανεβάζω ξανά την παρουσίαση τη σχετική με το φως με κάποιες βελτιώσεις στον ήχο, ο οποίος είναι πλέον ξεχωριστό αρχείο στη κάθε διαφάνεια και με ένα εικονικό εργαστήριο από προσομοιώσεις του phet.
Το αρχείο σε μορφή zip
Καλημέρα Πάνο.
Θέλω από τη μια μεριά να σε συγχαρώ για τα ωραία θέματα που ανεβάζεις και από την άλλη να σε ευχαριστήσω και μάλιστα για δυο λόγους: ο ένας είναι γιατί μου δίνεις την ευκαιρία να ασχοληθώ με την οπτική (λίγη ώρα πριν ανέβασα μια μελέτη για τους φακούς) και ο άλλος γιατί μου δίνεις την ευκαιρία να αναφερθώ σε μερικά πράγματα, κάτι που μέχρι σήμερα το ανέβαλλα.
Συγκεκριμένα θα αναφερθώ στη σωματιδιακή φύση του φωτός. Η ανακάλυψη των κβάντων φωτός, των φωτονίων, δεν απέδειξε την σωματιδιακή φύση του φωτός. Γιατί τα φωτόνια είναι κύματα. Στο πείραμα της διπλής σχισμής το κάθε φωτόνιο περνά και από τις δυο σχισμές και συμβάλλει στην έξοδο με τον εαυτό του. Αν ήταν σωματίδιο θα περνούσε μόνο από τη μια σχισμή.
Όταν ένα άτομο εκπέμπει ένα φωτόνιο, εκπέμπει ένα κύμα. Αυτή η περιγραφή του ατόμου που εκπέμπει ένα-ένα τα φωτόνια δεν είναι σωστή. Πρέπει να θεωρηθεί ότι το άτομο, πριν «εκπέμψει» το φωτόνιο, ήταν στο ΗΜ πεδίο της συχνότητας αυτού του φωτονίου και σε κάποια χρονική στιγμή (αυτή της «εκπομπής») το άτομο ήταν η αιτία να αυξηθεί η ενέργεια του πεδίου κατά hν. Το ΗΜ πεδίο είναι βέβαια κύμα και δεν είναι ροή σωματιδίων. Μόνο που η ενέργειά του αυξάνεται κατά θεμελιώδεις μονάδες. Άρα που βρίσκεται η σωματιδιακή φύση του φωτός;
Βρίσκεται στο γεγονός ότι το πείραμα μας δίνει μια διαφορετική εικόνα. Για παράδειγμα, αν στο πείραμα της διπλής σχισμής βάλεις στην έξοδο της μιας σχισμής έναν φωτοπολλαπλασιαστή, κάποια στιγμή θα κάνει κλικ. Επίσης, αν στο ίδιο πείραμα, ένας μικρός αριθμός, πχ 100, φωτονίων περάσει από τις σχισμές και πέσει σε ένα φιλμ που βάλαμε στο πέτασμα, θα δούμε 100 κουκίδες στο πέτασμα. Και ο φωτοπολλαπλασιαστής και το φιλμ δηλώνουν σωματιδιακή φύση.
Εδώ οι μεγάλοι θεωρητικοί της Σχολής της Κοπεγχάγης δεν έκαναν πίσω ώστε να πουν ότι το φως είναι ροή σωματιδίων και δεν είναι κύμα. Είπαν ότι το φως είναι κύμα όταν δεν παρατηρείται, αλλά όταν παρατηρηθεί με μια συσκευή κατάλληλη να ανιχνεύει σωματίδια, γίνεται ροή σωματιδίων. Με απλά λόγια: Το φως είναι κύμα αλλά ο παρατηρητής το κάνει σωματίδιο.
Νίκο να σ’ ευχαριστήσω κατ’ αρχάς για τα καλά σου λόγια και να σου ευχηθώ ολόψυχα αυτό που προέχει πάντα και ειδικότερα στις πρωτόγνωρες και περίεργες καταστάσεις που ζούμε αυτήν την περίοδο. Δηλαδή υγεία.
Για το θέμα τώρα που βάζεις, δεν θα διαφωνήσω εν γένει με αυτά που λες. Απλά δεν θα επιμείνω στον χαρακτηρισμό σώμα ή κύμα. Τα σωματίδια κατά τη γνώμη μου έχουν μία περίεργη συμπεριφορά που ανάλογα με το πείραμα άλλοτε μοιάζουν με συμπεριφορά κλασσικών κυμάτων και άλλοτε με συμπεριφορά κλασσικών σωματιδίων. Ότι όμως συμπεριφορά έχουν τα φωτόνια την ίδια ακριβώς συμπεριφορά έχουν και τα σωματίδια Ζ, τα νετρίνα τα ηλεκτρόνια κλπ. Όλα δηλαδή τα σωματίδια έχουν κβαντική συμπεριφορά. Βέβαια ανάλογα με το αν το σπιν είναι ακέραιο ή κλασματικό συμπεριφέρονται λίγο διαφορετικά, πάντα όμως παράξενα. Η συμπεριφορά αυτή ( δηλαδή η κβαντική συμπεριφορά ) αλλάζει σταδιακά και πλησιάζει προς την κλασσική εικόνα, όσο αυξάνεται η μάζα των σωματιδίων. Αυτή είναι η άποψή μου. Δεν ξέρω αν σε κάλυψα.
Πάνο, τα όσα γράφεις είναι αναμφισβήτητα σωστά. Αλλά ξεφεύγουν από το θέμα της δικής μου απάντησης, που σκοπός της ήταν να ξεδιαλύνει τη σύγχυση η οποία υπάρχει, στο δικό μας χώρο τουλάχιστον, σε σχέση με τη φύση του φωτός. Γιατί διδάσκουμε ότι το φως έχει διπλή φύση. Καταλαβαίνεις εσύ πως γίνεται το φως να έχει διπλή φύση; Φυσικά ούτε κι ο μαθητής καταλαβαίνει. Η σύγχρονη κβαντομηχανική έκανε μια μεγάλη επανάσταση, όχι διακηρύσσοντας ότι το φως έχει διπλή φύση, αλλά διακηρύσσοντας ότι δεν υπάρχει αντικειμενική πραγματικότητα. Σε κανένα πείραμα το φως δεν έχει διπλή φύση. Έχει άλλοτε τη μια φύση άλλοτε την άλλη. Ποτέ και τις δυο. Αλλά αν μια οντότητα αλλάζει ανάλογα με τον τρόπο που την παρατηρούμε, τότε τι σημαίνει αυτό; Δεν σημαίνει ότι δεν υπάρχει αντικειμενική πραγματικότητα;
Συγχαρητήρια Πάνο.
Νίκο σε συνεχάρην και στην ανάρτησή σου.
Διαβάζω χωρίς να γνωρίζω το θέμα:
Ως το 1961 το πείραμα των δύο σχισμών δεν είχε γίνει με τίποτε άλλο από φως και τότε πρώτη φορά ο Clauss Jönsson από το πανεπιστήμιο του Tübingen το εκτέλεσε με ηλεκτρόνια.
Το 1999, μόριο του άνθρακα αποτελούμενο από 60 άτομα (C60) βρέθηκε να εμφανίζει επίσης κυματική συμπεριφορά. Το μόριο αυτό, διαμέτρου περίπου 7nm, σχεδόν μισό εκατομμύριο φορές μεγαλύτερο από πρωτόνιο, είναι αρκετά μεγάλο για να παρατηρηθεί με κλασικό μικροσκόπιο.
Πηγή η Βικιπαίδεια.
Αν είναι ακριβή αυτά, το σύμπλεγμα είναι μη σωματίδιο;
Είναι ένα κύμα ορατό στο μικροσκόπιο;
Πολύ καλή η ερώτησή σου Γιάννη, και θα σου απαντήσω περίπου όπως θα απαντούσε ο N. Bohr.
Το μόριο αυτό είναι 7 nm. Αν μπορούσε να παρατηρηθεί στο οπτικό μικροσκόπιο, θα χρησιμοποιούσαμε μήκη κύματος της τάξης των 500 nm. Δηλαδή πολύ μεγάλα. Θα βλέπαμε ένα ασαφές πράγμα μεγέθους πολύ μεγαλύτερου των 7 nm. Η απροσδιοριστία της θέσης του θα ήταν πολύ μεγάλη, άρα δεν θα ήταν σωματίδιο. Αν μπορούσαμε να κάνουμε το πείραμα διπλής σχισμής με ταχέως κινούμενα C60, θα βλέπαμε περίθλαση και συμβολή.
Αν το παρατηρούσαμε με μήκος κύματος 0,5 nm, δηλ. χίλιες φορές μικρότερο, θα βλέπαμε ένα σωματίδιο με πολλές από τις λεπτομέρειές του.
Το αντικείμενο αλλάζει ανάλογα με τον τρόπο που το παρατηρούμε.
Κύριε Μουρούζη καλησπέρα. Μου άρεσε πολύ η παρουσίασή σας για το φως. Εκπληκτικός ο τρόπος που "διατρέχετε" εικονικά τις διαστάσεις προς τον μακρόκοσμο και τον μικρόκοσμο.
Θα ήθελα να κάνω δύο παρατηρήσεις-απορίες:
α) Στη διαφάνεια 39 αναφέρετε ότι το φως ανακλάται και διαθλάται όπως ένα ελαστικό μπαλάκι όταν χτυπάει σε έναν τοίχο ή αλλάζει μέσο διάδοσης και, αν κατάλαβα καλά, αυτό υποδηλώνει τη σωματιδιακή φύση του. Η ερώτησή μου είναι αν όντως ένα μπαλάκι όταν αλλάζει το μέσο στο οποίο κινείται αλλάζει κατεύθυνση δηλ. "διαθλάται'. Αυτό που ουσιαστικά ρωτάω είναι το αν η διάθλαση είναι σωματιδιακή ιδιότητα και πως μπορεί να εξηγηθεί αυτό.
β) Στη διαφάνεια 46 αναφέρετε τα 10 σπουδαιότερα πειράματα σχετικά με το φως, μεταξύ των οποίων είναι η ακτινοβολία μέλανος σώματος (Planck) και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (Einstein). Η παρατήρησή μου είναι ότι, απ'ότι ξέρω, οι δύο αυτοί ογκόλιθοι έδωσαν τη θεωρητική ερμηνεία των φαινομένων, τα οποία είχαν παρατηρηθεί από τους επιστήμονες πιο πριν. Θέλω να πω ότι δημιουργείτε η εντύπωση ότι οι συγκεκριμένοι παρατήρησαν αυτά τα φαινόμενα πειραματικά, το οποίο νομίζω δεν ισχύει.
Αυτά και συγχαρητήρια και πάλι για την πολύ ωραία δουλειά…
Αλλάζει φύση ή οι πιθανότητες του προσδίδουν τέτοια συμπεριφορά;
Δηλαδή παρουσιάζεται στις πιθανότερες θέσεις όταν συμβάλει, ή είναι κύμα που συμβάλλει;
Κατ' αρχήν να σας ευχαριστήσω για τα καλά σας λόγια.
Για την πρώτη απορία σας να αναφέρω τα εξής: Έστω ότι ότι ένα μπαλάκι αλλάζει μέσο διάδοσης και περνάει πλάγια από ένα μέσο που τρέχει αργά σε ένα άλλο που τρέχει γρηγορότερα. Το μπαλάκι δέχεται μία δύναμη κάθετη στην επιφάνεια που χωρίζει τα δύο μέσα. Έτσι κατά τη διεύθυνση που χωρίζει τα δύο μέσα δεν ασκείται δύναμη, οπότε ισχύει η αρχή διατήρησης της ορμής. Αν εφαρμόσετε την αρχή διατήρησης της ορμής σ' αυτόν τον άξονα θα καταλήξετε στο νόμο του Σνελ. Αυτή την απόδειξη είχε κάνει ο Ντεκάρτ. Συνέβαινε λοιπόν το εξής μοναδικό στην ιστορία της επιστήμης. Ότι και η σωματιδιακή και η κυματική θεωρία καταλήγανε στον ίδιο νόμο. Το νόμο του Σνελ. Με την εξής διαφορά. Ότι ο λόγος των ημιτόνων ήταν μεν σταθερός και με τις δύο θεωρίες αλλά με τη σωματιδιακή θεωρία ήταν u1/u2 ενώ με την κυματική u2/u1. Δηλαδή η σωματιδιακή θεωρία προέβλεπε ότι το φως ταξιδεύει πιο γρήγορα στο νερό από ότι στον αέρα. Η μέτρηση του φωτός στο νερό ή το γυαλί έγινε από τους Φιζώ και Φουκώ στις αρχές του 19ου αιώνα. Έτσι τότε επιβλήθηκε η κυματική θεωρία. Όσον αφορά το δεύτερο θέμα προφανώς τα πειραματικά δεδομένα ήταν γνωστά και για τον Πλανκ και για τον Αιστάιν. Αυτοί όμως έδωσαν την ερμηνεία των πειραμάτων θεμελιώνοντας έτσι τη κβαντική θεωρία. Είναι αξιοσημείωτο ότι ο Αιστάιν δεν πήρε το βραβείο Νόμπελ για τη θεωρία σχετικότητας, αλλά για την ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Όταν λοιπόν αναφέρομαι στα σημαντικά πειράματα αναφέρομαι αυτά που η ερμηνεία τους ήταν καθοριστική για την αντίληψη που έχουμε διαμορφώσει για το φως.
Σας ευχαριστώ ιδιαίτερα για το σχολιασμό σας.
Γιάννη είναι ακριβώς όπως ένα φωτόνιο. Αν ένα ΗΜ κύμα αποτελούμενο από τεράστιο αριθμό φωτονίων συμβάλει, δημιουργούνται οι κροσσοί συμβολής. Όταν όμως μόνο ένα φωτόνιο πέσει στο διάφραγμα με τη διπλή σχισμή, συμβάλλει με τον εαυτό του. Κροσσοί συμβολής δεν μπορούν να δημιουργηθούν σε αυτή την περίπτωση αλλά μόνο μια κουκίδα στο πέτασμα. Αλλά η πιθανότητα να εμφανιστεί η κουκίδα σε ένα σημείο προσδιορίζεται όπως στην κυματική συμβολή. Γιατί αυτό που έπεσε στο πέτασμα ήταν κύμα, όχι σωματίδιο. Με την πτώση του όπως στο φιλμ του πετάσματος, που δρα σαν παρατηρητής γιατί αλληλεπιδρά με τα φωτόνια, μετατράπηκε σε σωματίδιο.
Όταν ένα κύμα παρατηρείται, χάνει την κυματική φύση του.
Καλημέρα και καλό ΣΚ σε όλους.
Πάνο συγχαρητήρια για την πλούσια εργασία, την οποία μοιράστηκες μαζί μας.
Μιας και βλέπω ότι η συζήτηση πήγε στη φύση του φωτός, να δώσω μια σχετική παλιότερη συζήτηση, που αξίζει κάποιος να διαβάσει:
Η φύση του φωτός
Καλημέρα συνάδελφοι, καλημέρα Πάνο.
Πάνο συγχαρητήρια και για αυτήν την δεύτερη εκδοχή της παρουσίασης σε ένα δύσκολο θέμα.
Συνάδελφοι μιας και ξεκίνησε συζήτηση περί της φύσεως των στοιχειωδών συστατικών του κόσμου μας, καταθέτω και εγώ την άποψή μου:
Τα φωτόνια, τα ηλεκτρόνια, όπως και κάθε άλλο σωματίδιο, περιγράφονται από μία κυματική εξίσωση. Με τον όρο «περιγράφονται» εννοούμε ότι η οποιαδήποτε γνώση για ένα χαρακτηριστικό μέγεθος του σωματιδίου (πχ θέση, ορμή, ενέργεια κ.λπ.) προκύπτει μέσω της προβολής του αντίστοιχου τελεστή στην κυματοσυνάρτησή του, η οποία με την σειρά της υπακούει στην κυματική εξίσωση (για παράδειγμα της εξίσωση Schrödinger). Τότε το φάσμα των ιδιοτιμών του τελεστή δίνουν τα πιθανά αποτελέσματα της μέτρησης του εν λόγω μεγέθους. Συνεπώς το όποιο κύμα αναλογεί στην κυματοσυνάρτηση, είναι κύμα πιθανότητας και όχι κλασσικό κύμα (μηχανικής η Η/Μ φύσεως).
Αλλά η κλασσική κυματική φύση των στοιχειωδών σωματιδίων εμφανίζει και διαφορετικού τύπου προβλήματα. Συγκεκριμένα τι γίνεται με τα καθαρά σωματιδιακά χαρακτηριστικά τους, όπως η μάζα ή το φορτίο; Στο δέσμιο ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου για παράδειγμα, το φορτίο διαχέεται σε μία πεπερασμένη περιοχή γύρω από τον πυρήνα (η οποία περιοχή σε ανώτερες στάθμες αποτελείται από δύο και τρεις ξεχωριστούς όγκους χωρίς κοινά χωρικά σημεία!); Το πρόβλημα αίρεται αν υποθέσουμε ότι το ηλεκτρόνιο είναι κβαντικό σωματίδιο, η γνώση της θέσεως του οποίου εξαρτάται από ένα κύμα πιθανότητας στο οποίο υπακούει η κυματοσυνάρτησή του (σχολή της Κοπεγχάγης). Κάθε φορά απαντάται σε ένα σημείο του χώρου, αλλά η εκ των προτέρων απόλυτη γνώση αυτής της θέσης είναι αδύνατη. Από το ίδιο κύμα πιθανότητας εξαρτάται και η γνώση της ενέργειάς του ή της ορμής του.
Διαφορετικά το φωτόνιο και το ηλεκτρόνιο είναι ακριβώς αυτό: φωτόνια και ηλεκτρόνια! Είναι σωματίδια. Απλά η γνώση μας για αυτά είναι πιθανοκρατική και όχι αιτιοκρατική. Τα κύματα υπεισέρχονται ως κύματα πιθανότητας και όχι ως υλικά κύματα ή κύματα κάποιου πεδίου.
Κλείνοντας να σημειώσω ότι σύμφωνα με την ανθρώπινη εμπειρία, τα παραπάνω φαντάζουν αλλόκοτα, περίεργα, μακριά από την διαίσθησή μας. Ο μοναδικός τρόπος για να περιγράψουμε την φύση σε αυτό το επίπεδο είναι καθαρά μαθηματικός. Γιατί σε αυτό το βαθύτερο επίπεδο, η φυσική (δηλαδή η περιγραφή και όχι η εξήγηση της πραγματικότητας) είναι μακριά από τις εμπειρίες τωνανθρώπων. Νομίζω ότι ο πλέον κατάλληλος τρόπος για να απαντήσουμε στο ποια είναι η φύση ενός στοιχειώδους σωματιδίου, είναι η κυματοσυνάρτησή του μαζί με την εξίσωση που υπακούει…
Καλημέρα Πάνο και σε ευχαριστούμε για τη δεύτερη εκδοχή. Συμφωνώντας με αυτά που έγραψε ο Στάθης παραπάνω (καλημέρα Στάθη) θα ήθελα να συμπληρώσω ότι, με τις λίγες γνώσεις μου επί του θέματος, κατανοώ ότι η κβαντική θεωρία είναι μη αναπαραστατική. Κάθε απόπειρα «οπτικοποίησης» οδηγεί μόνο σε παράδοξα.
Καλημέρα παιδιά.
Θα επαναλάβω τμήμα όσων βρήκα στην Βικιπαίδεια:
Το 1999, μόριο του άνθρακα αποτελούμενο από 60 άτομα (C60) βρέθηκε να εμφανίζει επίσης κυματική συμπεριφορά.
Καταλαβαίνω πως υπονοείται "κύμα πιθανότητας". Κάτι που είναι ορατό σε μικροσκόπιο, έχει μάζα και ανιχνεύεται χημικά, δεν είναι σωμάτιο;
Στην παλιότερη εκείνη συζήτηση οι θέσεις του Θρασύβουλου ήταν προσιτότερες σε μένα.
Διαβάζοντας και την εκλαϊκευμένη QED του Feynman μένω με την αίσθηση ότι η κυματική συμπεριφορά προκύπτει από την πιθανότητα να βρεθεί σε κάποια θέση.
Το γιατί η παρατήρηση αλλάζει την "φύση" του παρατηρούμενου το αντιλαμβάνομαι πάλι λόγω πιθανοτήτων. Οι πιθανότητες αλλάζουν όταν έχουμε μια πληροφορία.
Καλημέρα στην παρέα που μεγάλωσε. Το θέμα της φύσης του φωτός έχει πολύ ενδιαφέρον.
Γιάννη, στην κλασική μηχανική ένα σωμάτιο έχει καλά προσδιορισμένη θέση και ορμή. Στην κβαντική μηχανική ένα σωμάτιο έχει καλά προσδιορισμένη θέση αλλά κακά προσδιορισμένη ορμή. Με το κύμα συμβαίνει ακριβώς το αντίθετο.
Για να δεις το C60 στο μικροσκόπιο πρέπει να το φωτίσεις με φως στην περιοχή των σκληρών ακτίνων Χ. Αυτά θα σκεδαστούν από το C60 και μετά θα περάσουν από το φακό αλλά η γωνία σκέδασής τους είναι άγνωστη, επομένως και η μεταβολή της ορμής τους είναι επίσης άγνωστη. Επομένως άγνωστη θα είναι και η μεταβολή της ορμής που θα υποστεί το C60 μετά τη σκέδαση. Δεν θα είναι μόνο άγνωστη, αλλά θα είναι και πολύ μεγάλη λόγω του ότι το κβάντο ακτίνων Χ που θα σκεδαστεί πάνω του φέρει μεγάλη ορμή. Ουσιαστικά δηλαδή στο μικροσκόπιο θα παρατηρήσουμε ένα σωμάτιο αλλά δεν θα έχουμε ιδέα για την ορμή του. Άρα δεν πρόκειται για κλασικό σωμάτιο που και η θέση του και η ορμή του προσδιορίζονται με ακρίβεια.
Αν το C60 φωτιστεί με συνηθισμένο φως με μήκος κύματος πολύ μεγαλύτερο από τις διαστάσεις του μορίου, η ανάκρουση που θα υποστεί λόγω της σκέδασης του φωτονίου πάνω του θα είναι πολύ μικρή. Το σκεδαζόμενο φωτόνιο θα περάσει από το φακό και, από το γεγονός ότι πέρασε από την περιοχή του φακού, μας δίνει τη δυνατότητα να προσδιορίσουμε τη μεταβολή της ορμής του με πολύ καλύτερη ακρίβεια απ΄ αυτή του φωτονίου Χ αφού θα έχει πολύ μικρότερη ορμή από αυτό. Έτσι η αβεβαιότητα της τελικής ορμής του C60 θα είναι μικρή. Όμως αν δούμε το C60 με οπτικά φωτόνια δε θα δούμε ουσιαστικά τίποτα επειδή το C60 είναι πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος των φωτονίων. Θα έχει τόσο μεγάλη αβεβαιότητα στη θέση ώστε θα είναι ουσιαστικά κύμα. Ένα κύμα δεν είναι καλά προσδιορισμένο στο χώρο αλλά έχει καλά προσδιορισμένη ορμή.
Καλημέρα Νίκο.
Δέχομαι όσα είπες τώρα. Τα δέχτηκα και χθες όταν πρωτόγραψες για τα μήκη κύματος του φωτισμού. Ισχύουν. Όμως…..
Το τεράστιο αυτό μόριο είναι άλλοτε κύμα και άλλοτε σωματίδιο;
ή
Η πιθανότητα να βρεθεί το τεράστιο αυτό μόριο σε μία θέση περιγράφεται από μια συνάρτηση που είναι μαθηματικώς όμοια με την σχέση της συμβολής δύο κυμάτων;
Δεν ξέρω αν ο όρος "οντολογικής φύσης απορία" στέκει ή είναι κατανοητός.
Προφανώς "κάνω τη δουλειά μου" αν δεν με απασχολεί το "οντολογικό" πρόβλημα. Αν πω:
-Όταν δεν παρατηρείται είναι κύμα, όταν παρατηρείται είναι σωματίδιο.
Όμως αυτό μοιάζει λίγο με το:
-Σκάσε και υπολόγιζε!