Πείραμα κβαντομηχανικής «κάμπτει» την Αρχή της Απροσδιοριστίας

Αναδημοσίευση από το in.gr

Είναι αδύνατο να γνωρίζει κανείς με ακρίβεια τη θέση και την ταχύτητα ενός φωτονίου, είπε ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ στην περίφημη αρχή της απροσδιοριστίας, η οποία άλλαξε την εικόνα μας για το Σύμπαν. Τώρα, όμως, διεθνής ομάδα ερευνητών αναφέρει ότι κατάφερε να υπολογίσει κατά μέσο όρο τις θέσεις και τις ταχύτητες φωτονίων, σε ένα πείραμα που μοιάζει να χαλαρώνει τον ασφυκτικό περιορισμό του Χάιζενμπεργκ.

Πριν από περίπου έναν αιώνα, ο Άλμπερτ Άινσταϊν έδειξε ότι το φως έχει διττή φύση: συμπεριφέρεται τόσο ως σωματίδιο, το γνωστό φωτόνιο, όσο και ως κύμα.

Η κυματική φύση του φωτός μπορεί να καταδειχθεί με το περίφημο πείραμα της διπλής σχισμής (ένθετη αριστερά), το οποίο πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά πριν από 200 χρόνια, αλλά παραμένει και σήμερα ένα από τα διασημότερα -και ίσως σημαντικότερα- πειράματα της φυσικής.

Αν το φως περάσει μέσα από ένα διάφραγμα με δύο παράλληλες σχισμές και πέσει σε μια οθόνη που βρίσκεται πίσω από αυτές, σχηματίζει ένα χαρακτηριστικό μοτίβο από εναλλάξ φωτεινές και σκοτεινές λωρίδες -είναι το μοτίβο συμβολής που θα περίμενε κανείς να σχηματίζει ένα κύμα.

Το εντυπωσιακό είναι ότι το μοτίβο συμβολής εμφανίζεται ακόμα κι αν χρησιμοποιηθεί στο πείραμα ένα και μοναδικό φωτόνιο. Αυτό σημαίνει ότι το φωτόνιο, που είναι σωματίδιο, συμπεριφέρεται ταυτόχρονα και ως κύμα.

Και το ένα και το άλλο

Μπορεί όμως να μετρήσει κανείς με ακρίβεια και τις θέσεις και τις ταχύτητες των φωτονίων που περνάνε από τη διπλή σχισμή; Όχι και τα δύο ταυτόχρονα, λέει η αρχή της απροσδιοριστίας: όσο αυξάνεται η ακρίβεια στη μέτρηση της θέσης, τόσο μειώνεται η ακρίβεια στη μέτρηση της ταχύτητας (στην πραγματικότητα βέβαια ο Χάιζενμπεργκ δεν μίλησε για τη θέση και την ταχύτητα, αλλά για τη θέση και την ορμή, η οποία όμως εξαρτάται από την ταχύτητα).

Τώρα, όμως, διεθνής ομάδα ερευνητών αναφέρει στο περιοδικό Science ότι μπόρεσε να «χαλαρώσει» τους περιορισμούς της αβεβαιότητας: δεν κατάφεραν μεν να μετρήσουν τη θέση και την ταχύτητα κάθε φωτονίου ξεχωριστά, μέτρησαν όμως αυτά τα μεγέθη κατά μέσο όρο. Η προσέγγιση αυτή ονομάζεται «ασθενής μέτρηση», δηλαδή μέτρηση στο περίπου.

Για να το κάνει αυτό, η ομάδα του Έφρεμ Στάινμπεργκ στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο χρησιμοποίησε τη διάταξη της διπλής σχισμής.

Για να μετρήσουν τις θέσεις των διερχόμενων φωτονίων, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ανιχνευτές ηλεκτρονίων τοποθετημένους σε διάφορες αποστάσεις από το διάφραγμα με τις σχισμές. Για να υπολογίσουν στο περίπου τις ταχύτητες (ορμές) έβαλαν μπροστά στις σχισμές κρυστάλλους ασβεστίτη, οι οποίοι εκτρέπουν λίγο τα φωτόνια (αλλάζουν την πολικότητα). Ο βαθμός εκτροπής χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για τον υπολογισμό της ταχύτητας κατά προσέγγιση.

Τελικά, οι ερευνητές κατάφεραν να υπολογίσουν κατά μέσο όρο και τις τροχιές (θέσεις) των φωτονίων αλλά και τις ταχύτητες (ορμές).

Το αποτέλεσμα είναι εντυπωσιακό, ωστόσο οι ίδιοι ερευνητές επισημαίνουν ότι το πείραμα δεν παραβιάζει την αρχή της απροσδιοριστίας. Όπως όμως σχολιάζει ο Δρ Στάινμπεργκ στο δικτυακό τόπο του Nature, η μελέτη δείχνει ότι «δεν είναι απαραίτητο να ερμηνεύουμε την αρχή της απροσδιοριστίας τόσο αυστηρά όσο συχνά διδασκόμαστε να κάνουμε».

Δεδομένου μάλιστα ότι οι παρατηρήσεις βρίσκονται σε συμφωνία με ορισμένες ερμηνείες της κβαντομηχανικής, και να διαψεύδουν άλλες ερμηνείες, η μελέτη θα μπορούσε «να μας βοηθήσει να σκεφτόμαστε με νέους τρόπους» και να αξιοποιηθεί στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών.,

Ωστόσο άλλοι επιστήμονες δεν έχουν πειστεί ότι το πείραμα αλλάζει κάτι ουσιαστικό στην κβαντομηχανική, την επιστήμη που ασχολείται με τις αλληλεπιδράσεις σε υποατομικό σωματίδιο.

Όπως επισήμανε ο Ντέιβιντ Ντόιτς του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, οι μετρήσεις που παρουσιάζονται στην έρευνα «θα μπορούσαν να είχαν υπολογιστεί χρησιμοποιώντας απλά ένα κομπιούτερ και τις εξισώσεις της κβαντομηχανικής».

Σύντηξη, Μία ακόμη μορφή πυρηνικής ενέργειας

Σε προηγούμενο post αναφερθήκαμε στην πυρηνική ενέργεια. Πιο συγκεκριμένα αναφερθήκαμε στην πυρηνική ενέργεια που προέρχεται από σχάσιμα υλικά. Η κατηγοριοποίηση αυτή γίνεται επειδή υπάρχει και η πυρηνική ενέργεια που εκλύεται κατά την σύντηξη πυρήνων (θα το θυμούνται σίγουρα όλοι όσοι έχουν δει το Spiderman 2 ήταν το πείραμα που προσπαθούσε να κάνει ο Dr Octapus!).

Για να βάλουμε λοιπόν τα πράγματα σε μία σειρά.

Υπάρχει ένα χαρακτηριστικό "μέγεθος" για κάθε πυρήνα. Ονομάζεται ενέργεια σύνδεσης και οι επιστήμονες προτιμούν να μελετούν την ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο. Ενέργεια σύνδεσης καλούμε το απαραίτητο ποσό ενέργειας που πρέπει να προσφέρουμε σ' ένα πυρήνα προκείμενου να τον διασπάσουμε στα υλικά του (πρωτόνια και νετρόνια) που είναι τα νουκλεόνια. Επίσης όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο τόσο πιο σταθερός είναι και ο πυρήνας μας. Ο πιο σταθερός πυρήνας που γνωρίζουμε είναι του Σιδήρου (Fe) με ενέργεια περίπου 8 MeV (μονάδα μέτρησης της ενέργειας, ίσως οι πιο πολύ να είστε οικείοι με το Joule). Οπότε όπως γίνεται ευκόλως κατανοητό όλοι οι υπόλοιποι πυρήνες έχουν μικρότερη ενέργεια απ' αυτή του Σιδήρου.

Σ' αυτό το σημείο πρέπει να σας δώσουμε το παρακάτω γράφημα προκειμένου να μπορέσουμε να συνεχίσουμε.

Όπως βλέπεται από το γράφημα τα στοιχεία που είναι δεξιά του σιδήρου προσπαθούν να μεγαλώσουν την ενέργεια σύνδεσης τους (το ανά νουκλεόνιο θα παραλείπεται) οπότε αναγκαστικά προσπαθούν να διασπαστούν σε άλλα μέσω της σχάσης ενώ τα στοιχεία που είναι στα αριστερά και κυρίως το Υδρογόνο, τα παράγωγά του και το Ήλιο, προσπαθούν να ενωθούν και να δημιουργήσουν άλλα με μεγαλύτερη ενέργεια σύνδεσης μέσω πυρηνικής σύντηξης.

Ποια είναι η διαφορά σύντηξης και σχάσης: Στη σύντηξη παίρνουμε περισσότερη ενέργεια από τη σχάση και επίσης έχει το πλεονέκτημα ότι δεν αφήνει "απόβλητα" οπότε είναι και ακίνδυνη και μπορούμε ανά πάσα στιγμή να την σταματήσουμε.

Το κακό της όλης υπόθεσης είναι ότι αυτή την στιγμή δεν έχουμε καταφέρει να πετύχουμε σύντηξη και η όλη διαδικασία είναι σε πειραματικό ακόμη στάδιο (αντιδραστήρας Tokamac στο πανεπιστήμιο Princeton).

Για να καταλάβετε και σεις καλύτερα την δύναμη της σύντηξης, στον Ήλιο κάθε λεπτό γίνονται συνεχώς πυρηνικές συντήξεις καθώς έτσι μπορεί και κερδίζει την απαιτούμενη ενέργεια για να ακτινοβολήσει.

Παρακάτω σας δίνουμε και την απεικόνιση σύντηξης δευτερίου με τρίτιο (ισότοπα του Υδρογόνου, δηλαδή είναι πυρήνες Υδρογόνου με περισσότερα νετρόνια από το συνηθισμένο Υδρογόνο)

 Ευελπιστούμε να έχουμε καταφέρει να σας πείσουμε πως εν τέλει η πυρηνική ενέργεια είτε από σχάση είτε από σύντηξη δεν είναι και τόσο κακή όσο την παρουσιάζουν αλλά ως συνήθως για μία ακόμη φορά ο άνθρωπος χειρίζεται κάτι λάθος.

Πυρηνική Ενέργεια. Πόσο επικίνδυνη είναι εν τέλει;

Ένα μήνα μετά από τον τρομερό σεισμό της Ιαπωνίας ο κόσμος ακόμη ασχολείται με την καταστροφή (;) που προκάλεσε το εργοστάσιο πυρηνικής ενέργειας της Φουκοσίμα. Τι πραγματικά όμως έγινε στην περίπτωση αυτή και πόσο επικίνδυνη είναι τελικά η πυρηνική ενέργεια;

Για αρχή ας περιγράψουμε λίγο τον τρόπο λειτουργίας ενός πυρηνικού εργοστασίου.

Δεν διαφέρει σε τίποτα από ένα εργοστάσιο της ΔΕΗ. Και στις δύο περιπτώσεις χρειαζόμαστε φωτιά να ζεσταίνει νερό προκειμένου να δημιουργηθεί ατμός ο οποίος με την σειρά του θα θέσει σε λειτουργία μία τουρμπίνα για να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια. Εν συνεχεία η ενέργεια θα μεταφερθεί σε μία γεννήτρια για διοχετευθεί το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα προς κατανάλωση.

Η κύρια διαφορά στον τρόπο λειτουργίας του κλασσικού εργοστασίου με του πυρηνικού είναι πως στην πρώτη περίπτωση χρησιμοποιείται ως καύσιμο πετρέλαιο ενώ στην δεύτερη εκμεταλλευόμαστε την θερμότητα που παράγεται σε μία πυρηνική αντίδραση.

Ας δούμε το παράδειγμα του εργοστασίου που χρησιμοποιεί ουράνιο.

Στη φύση υπάρχουν δύο τύποι ουρανίου, το 235 και το 238. Η διαφορά τους είναι ότι ενώ και τα δύο έχουν 92 πρωτόνια το ένα (235) έχει  143 νετρόνια ενώ το άλλο (238) έχει 146 νετρόνια. Επιπλέον το 235 υπάρχει στη φύση σε ποσότητα περίπου 0,5% ενώ το 238 αποτελεί το 99,5% και με χρόνους υποδιπλασιασμού 700 εκατομμύρια χρόνια το ένα και 4 δις εκατομμύρια το άλλο. Οπότε όπως μπορούμε να καταλάβουμε το ουράνιο στη φύση είναι ένα σταθερό στοιχείο. Άρα πως παράγεται η ενέργεια που θέλουμε;

Στο πυρηνικό εργοστάσιο υπάρχει μέσα στη δεξαμενή νερού που υπάρχει ένας ακόμη χώρος στον οποίο μέσα έχει τοποθετηθεί το σχάσιμο υλικό, δηλαδή το ουράνιο. Εκεί μέσα "βομβαρδίζουμε" το ουράνιο μ' ένα μόνο νετρόνιο. Κι έτσι λοιπόν ξεκινάει η όλη ιστορία.

Το ουράνιο 235 με το εξτρά νετρόνιο μπορεί να μας δώσει Ξένο (Xe) και Στρόντιο (Sr) καθώς και τρία νέα νετρόνια. Τα νέα νετρόνια με την σειρά τους προκαλούν σχάση σε νέα άτομα ουρανίου. Παρόμοιες αντιδράσεις προκαλούνται και σε ουράνιο 238. Η κινητική ενέργεια λοιπόν των προϊόντων μπορεί και ζεσταίνει στο νερό και γίνεται η διαδικασία που έχει περιγραφεί παραπάνω.

Τα προϊόντα των αντιδράσεων αυτών όμως είναι που πρέπει να μας απασχολούν σε πρώτη φάση. Όπως είναι λογικό τα προϊόντα αυτά να είναι ραδιενεργά και να παίζουν μεγάλο ρόλο στην παραγωγή ενέργειας. Συγκεκριμένα το ποσοστό που αναλογεί στην συνολική ενέργεια από τα προϊόντα είναι πάνω από 10% μέσω άλλων διασπάσεων (κυρίως ακτινοβολίας β). Ανάμεσα στα προϊόντα που θα έχουμε τελικά είναι και το πλουτώνιο.

Ας αναφέρουμε λίγο τους χρόνους ημιζωής των στοιχείων που έχουν αναφερθεί (ως χρόνο ημιζωής αναφέρουμε τον χρόνο που χρειάζεται μία ποσότητα οποιουδήποτε στοιχείου για να μειωθεί στο μισό).

Για το Στρόντιο είναι  29 έτη, για το Ξένο 9 χρόνια ενώ για το Πλουτώνιο είναι 24.000 χρόνια. Αντίθετα για το Ιώδιο και το Καίσιο (που έχουν παραχθεί στην Φουκοσίμα) είναι 8 μόλις μέρες για το ιώδιο και για το καίσιο 30 χρόνια. Όπως γίνεται ευκόλως κατανοητό στη Φουκοσίμα η ραδιενέργεια που έχει διοχετευθεί στο περιβάλλον (σύμφωνα με τα όσα ακούμε στα δελτία ειδήσεων) είναι συγκριτικά μικρότερη από αυτή που παράγεται στη καθημερινή λειτουργία ενός πυρηνικού εργοστασίου. Και αυτό το λέμε καθότι τα ραδιενεργά προϊόντα-απόβλητα είτε θάβονται σε χώρες τις Αφρικής είτε ρίχνονται στον Ειρηνικό Ωκεανό. Όπως έχει αποδειχτεί πλέον στην χώρα μας από την έκρηξη του περίφημου Τσέρνομπιλ ο καθένας μας πήρε ραδιενέργεια που αντιστοιχεί σε 2 ακτινογραφίες.

Οπότε αυτό που πρέπει να συζητάμε δεν είναι για την Φουκοσίμα και τα προβλήματα που δημιούργησε με την έκρηξη της αλλά την συνολική αντιμετώπιση που πρέπει να έχουμε απέναντι στα ραδιενεργά απόβλητα.

Για αρχή

Καλησπέρα λοιπόν.

Αυτή είναι η πρώτη δημοσίευση μας και πρέπει γι αρχή να δικαιολογήσουμε την ύπαρξη μας....

Περνάμε όλη μας την ζωή σ' ένα κόσμο που θα μπορούσε να χαρακτηριστεί από μία και μόνο λέξη... "Θαύμα". Και όσοι ξέρουν λίγο παραπάνω φυσική δεν μπορούν παρά να συμφωνήσουν μαζί μας. Καθημερινά βιώνουμε μικρά και απλά "θαύματα". Από το πιο αναγκαία την κύρια εκπομπή του ηλιακού φωτός στο ορατό φάσμα ή ακόμα και τα πιο σύνθετα την δομή των μορίων των φυτών να είναι τέτοια ώστα να παράγει τα κατάλληλα συστατικά προκειμένου να μπορούμε να επιβιώσουμε σ' ένα περιβάλλον στο οποίο τελικά  παρασιτούμε.

Τέτοια μικρά θαύματα αλλά και άλλα πολλά θα μπορούσαμε να  αναφέρουμε μα προτιμούμε να δώσουμε τον λόγο σ' εσάς και να μας κάνετε τις δικές σας ερωτήσεις, να μας θέσετε τα δικά σας προβλήματα.

Μην ξεχνάτε εξ άλλου ότι εδώ και 4.000 χρόνια ο άνθρωπος προσπαθεί να ανακαλύψει ένα πράγμα, τι είναι η αλήθεια... Και για εμάς τους φυσικούς (και γενικότερα τους ανθρώπους των Θετικών Επιστήμων) έχει πάει ένα βήμα παρά πέρα η όλη ιστοριά και προσπαθούμε να ανακαλύψουμε γιατί ο κόσμος μας είναι όπως τον αντιλαμβανόμαστε.

Σας περιμένουμε λοιπόν για ένα διασκεδαστικό ταξίδι στο κόσμο όχι της Φυσικής αλλά της καθημερινότητας που βιώνουμε.

Καλοσόρισμα

Καλώς ήρθατε στο blog μας.

Σκοπός αυτού του blog είναι η διάδοση της επιστήμης που σπουδάζουμε και η ανάλυση καθημερινών φαινομένων που επηρεάζουν την ζωή μας και θέλουμε να τα εξηγήσουμε.

Μεγάλο ρόλο στην επιτυχία της προσπάθειας μας αυτής θα παίξετε όλοι εσείς με τις ερωτήσεις σας και τα προβλήματα που θα μας θέσετε προς απάντηση.