O dwoistej naturze Wszechświata

O dwoistej naturze Wszechświata
Ryszard Tadeusiewicz Naukowiec AGH, absolwent myślenickiego LO

W moich felietonach staram się przybliżać czytelnikom Gazety Myślenickiej wybrane zagadnienia naukowe. Czasem takie, które da się dość prosto ciekawie opisać, ale czasem odważam się napisać o czymś naprawdę trudnym i skomplikowanym. Na przykład w czerwcu 2021 roku odważyłem się napisać felieton „Coś, co się nie mieści w głowie: mechanika kwantowa”. Obawiałem się, że będą protesty. Ale nie, dostałem nawet kilka emaili z sympatycznymi komentarzami!

Dzisiaj odważę się po raz kolejny narazić się na Państwa krytykę próbując opisać jeden z paradoksów, jakie odkryli uczeni badający naturę Wszechświata.

Przez całe stulecia uważano, że ów Wszechświat budują dwojakiego rodzaju składniki: materia i promieniowanie. Materia to wszystkie obiekty zbudowane z cząstek elementarnych: galaktyki, gwiazdy, planety i ... nasze ciała. Najbardziej znanymi składnikami materii są atomy.

Ich koncepcję wprowadził już Demokryt cztery stulecia przed narodzeniem Chrystusa. Zastanawiał się on nad tym, czy dzieląc obiekty materialne na coraz mniejsze części będziemy je mogli rozdrabniać bez końca, czy wreszcie dojdziemy do tak małych kawałków, że ich się nie da już podzielić. Te najmniejsze cząstki materii Demokryt nazwał atomami od greckiego słowa atomos – nie dający się podzielić. Dzisiaj wiemy, że atomy naprawdę istnieją. Niektóre techniki badawcze pozwalają je nawet zobaczyć! Ale wbrew temu, co sądził Demokryt – czasami dają się podzielić, bo są zbudowane z jeszcze mniejszych cząstek elementarnych.

Osobno od badań materii i cząstek, które ją budują, uczeni badali różne rodzaje promieniowania. Ludzie od zawsze korzystali ze światła. Potem poznali inne formy promieniowania: podczerwień, ultrafiolet, promieniowanie gamma, promieniowanie radiowe. Od czasów Thomasa Younga (1801) wiedziano, że owo promieniowanie jest falą.

Ten podział na materię złożoną z cząstek i promieniowanie mające naturę falową trwał aż do lat 80-tych XIX wieku. Wtedy badając fale radiowe (które jako pierwszy człowiek na świecie celowo wytwarzał) Heinrich Hertz odkrył zjawisko fotoelektryczne - uwalnianie przez światło elektronów z metalu.

To uwalnianie było dziwne. Nie przypominało łagodnego wypychania elektronu przez nacierającą falę, tylko przypominało wybijanie młotkiem!

Fenomen ten wyjaśnił w 1905 roku Albert Einstein. Wykazał on, że fala świetlna musi być traktowana także jako strumień rozpędzonych cząstek, tak zwanych fotonów. To ich uderzenia wybijają elektrony! Einstein dostał za to Nagrodę Nobla, ale w świecie fizyki zagotowało się: No to czym wreszcie jest promieniowanie? Falą czy cząstką?

Okazało się, że jednym i drugim!

Dodatkowo, przysłowiowej oliwy do ognia dolał młody francuski książę Louis-Victor de Broglie. W 1924 roku wysunął hipotezę, że skoro fale mogą zachowywać się jak cząstki, to zapewne cząstki mogą zachowywać się jak fale! Doświadczenia potwierdziły tę hipotezę i de Broigle też dostał Nagrodę Nobla.

A my wszyscy musimy zaakceptować fakt, że we Wszechświecie wszystko jest zarówno falą, jak i cząstką. Chociaż niełatwo to zrozumieć...