Για πρώτη φορά στα χρονικά, οι Φυσικοί κατάφεραν να συλλάβουν μια καθαρή εικόνα μεμονωμένων ατόμων που συμπεριφέρονται σαν κύματα. Η εικόνα (βλ. παρακάτω) δείχνει έντονες κόκκινες κουκκίδες φθορίζοντων ατόμων να μετατρέπονται σε ασαφείς κηλίδες κυματικών πακέτων και αποτελεί μια εκπληκτική απόδειξη της ιδέας ότι τα άτομα υφίστανται τόσο ως σωματίδια όσο και ως κύματα, ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους της Κβαντομηχανικής!
«Η κυματική φύση της ύλης παραμένει μια από τις πιο εντυπωσιακές πτυχές της Κβαντομηχανικής», γράφουν οι ερευνητές στην εργασία τους. Προσθέτουν ότι η νέα τεχνική τους θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την απεικόνιση πιο πολύπλοκων συστημάτων, δίνοντας πληροφορίες για ορισμένα θεμελιώδη ερωτήματα της Φυσικής.
Ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός, που προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Γάλλο φυσικό Louis de Broglie το 1924 και διευρύνθηκε από τον Erwin Schrödinger δύο χρόνια αργότερα, δηλώνει ότι όλα τα σωματίδια κβαντικού μεγέθους, και επομένως όλη η ύλη, υφίστανται ταυτόχρονα ως σωματίδια και ως κύματα.
Η διάσημη εξίσωση του Schrödinger ερμηνεύεται συνήθως από τους Φυσικούς ως η δήλωση πως τα άτομα υπάρχουν ως πακέτα κυματοειδούς πιθανότητας στο χώρο, τα οποία στη συνέχεια καταρρέουν σε διακριτά σωματίδια όταν παρατηρούνται. Αν και αδιανόητα αντιφατική, αυτή η παράξενη ιδιότητα του κβαντικού κόσμου έχει παρατηρηθεί σε πολυάριθμα πειράματα.
Για να απεικονίσουν αυτή την ασαφή δυαδικότητα, οι Φυσικοί πρώτα ψύχουν τα άτομα λιθίου σε θερμοκρασίες σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, βομβαρδίζοντάς τα με φωτόνια από ένα laser για να τους αφαιρέσουν την ορμή τους. Μόλις τα άτομα ψυχθούν, άλλα laser τα παγιδεύουν μέσα σε ένα οπτικό πλέγμα ως διακριτά πακέτα.
Με τα άτομα να έχουν ψυχθεί και να είναι περιορισμένα, οι ερευνητές απενεργοποιούσαν και ενεργοποιούσαν περιοδικά το οπτικό πλέγμα, επεκτείνοντας τα άτομα από μια περιορισμένη σχεδόν σωματιδιακή κατάσταση σε μια κατάσταση που μοιάζει με κύμα, και το αντίστροφο.
Μια μικροσκοπική κάμερα κατέγραψε το φως που εκπέμπεται από άτομα σε σωματιδιακή κατάσταση σε δύο διαφορετικές χρονικές στιγμές, με τα άτομα να συμπεριφέρονται σαν κύματα στο ενδιάμεσο. Συνθέτοντας πολλές εικόνες, οι συγγραφείς έφτιαξαν το σχήμα αυτού του κύματος και παρατήρησαν πώς αυτό επεκτείνεται με το χρόνο, σε απόλυτη συμφωνία με την εξίσωση του Schrödinger.
«Αυτή η μέθοδος απεικόνισης έγκειται στο να γυρίσουμε πίσω στο πλέγμα για να προβάλουμε κάθε πακέτο κύματος σε ένα μόνο φρέαρ για να το μετατρέψουμε ξανά σε σωματίδιο, επομένως, δεν είναι πια κύμα», δήλωσε στο Live Science ο συν-συγγραφέας της μελέτης Tarik Yefsah, Φυσικός στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας της Γαλλίας και στην École normale supérieure στο Παρίσι. «Μπορείτε να δείτε τη μέθοδο απεικόνισής μας ως έναν τρόπο δειγματοληψίας της πυκνότητας της κυματοσυνάρτησης, κάτι που δεν διαφέρει από τα pixels μιας CCD κάμερας».
Οι επιστήμονες αναφέρουν ότι αυτή η εικόνα είναι απλώς μια απλή επίδειξη. Το επόμενο βήμα τους θα είναι να τη χρησιμοποιήσουν για να μελετήσουν συστήματα ισχυρά αλληλεπιδρώντων ατόμων που είναι λιγότερο καλά κατανοητά.
«Η μελέτη τέτοιων συστημάτων θα μπορούσε να βελτιώσει την κατανόησή μας για παράξενες καταστάσεις της ύλης, όπως αυτές που βρίσκονται στον πυρήνα των εξαιρετικά πυκνών αστέρων νετρονίων, ή το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίου που πιστεύεται ότι υπήρχε λίγο μετά το Big Bang», δήλωσε ο Yefsah.
*Η κεντρική εικόνα προέρχεται από τον Anton Maksimov on Unsplash
[via]
