Podzielna funkcja falowa?

Wiemy z lekcji fizyki, że elektrony jako cząstki elementarne są niepodzielne. Najnowsze badania uczonych z Uniwersytetu Browna w Providence (USA) uświadamiają nam że owa niepodzielność cząstek może być  dość względnym pojęciem. W tym celu uczeni postanowili odwołać się do jednego z eksperymentów przeprowadzanych już od latach 60. ubiegłego wieku.
Eksperyment polegał na obserwacji zachowania elektronów w ciekłym helu. Rozpoczynano go od wstrzykiwania elektronów do zbiornika z helem ochłodzonym do temperatury bliskiej zera absolutnego. Ponieważ elektrony i atomy helu będącego w stanie nadciekłym odpychają się, wokół elektronu natychmiast formował się mikroskopijny bąbel o średnicy około 3,6 nanometra, izolujący go od cieczy. Elektrony w ten sposób „podróżowały” z góry zbiornika w kierunku jego dna a czujniki znajdujące się w podstawie rejestrowały moment jego „przybycia”.

Zgodnie z teorią wszystkie elektrony są identyczne, więc powinny formować się wokół nich jednakowej wielkości bąble. Opór stawiany przez otaczającą ciecz bąblom tej samej wielkości powinien być również identyczny. W rezultacie wszystkie elektrony powinny docierać do drugiego końca zbiornika w tym samym czasie. Naukowcy podczas tych eksperymentów rejestrowali jednak dość nieoczekiwane wyniki.

W czasie badań rejestrowano niezidentyfikowane cząstki docierające do detektora zanim (zgodnie z teorią) powinien pojawić się tam elektron. Przez lata naukowcom powtarzającym  ten eksperyment udało się wykryć 14 hipotetycznych cząstek o różnych rozmiarach z których wszystkie poruszały się szybciej niż przewidywany elektron. Oznaczało to jednocześnie, że wszystkie były mniejsze od niego.

Fenomen ten próbowano wyjaśnić na kilka sposobów, np. zanieczyszczeniami znajdującymi się w cieczy, czy też pojawianiem się jonów helu które przyłączyły wcześniej dodatkowe elektrony – ich ładunek również byłby wykrywany w detektorze. Nie udało się jednak potwierdzić żadnej z tych hipotez.

Profesor Humphrey Maris z Uniwersytetu Browna wraz z kolegami udoskonalili nieco opisany wyżej eksperyment zwiększając jego czułość. Rezultaty ich badań okazały się zaskakujące. Liczba częsciej obserwowanych hipotetycznych cząstek zwiększyła się do 18, ponadto zanotowano kolejne o unikalnej masie, pojawiające się znacznie rzadziej. Maris ostatecznie stwierdził że ich liczba jest nieograniczona, a rozkład ich występowania wydaje się niejednorodny ale ciągły. Co charakterystyczne, wszystkie zarejestrowane obiekty były mniejsze od bąbla wytwarzanego zgodnie z teorią przez elektron. Powyższe obserwacje ostatecznie położyły kres hipotezie o jonach helu - liczba unikalnych cząstek była zbyt duża.

Przypomnijmy że w mechanice kwantowej cząstki nie mają określonej pozycji w przestrzeni. Zamiast tego przedstawiamy je za pomocą funkcji falowej, opisującej prawdopodobieństwo z jakim dana cząstka może się znajdować w określonym miejscu w przestrzeni. Aby sprawdzić gdzie znajduje się cząstka używamy aparatury pomiarowej, często osiągającej spore rozmiary. Podczas pomiaru funkcja falowa cząstki elementarnej ulega tzw. kolapsowi – np. poszukiwany elektron jest odnajdywany w określonym miejscu w przestrzeni, zgodnie z prawdopodobieństwem jakie jego funkcja falowa opisywała.

Naukowcy sugerują następujące wytłumaczenie rezultatów eksperymentu: istnienie całego spektrum mniejszych bąbli można wyjaśnić zakładając możliwość rozszczepienia funkcji falowej elektronu na mniejsze części.

Kiedy elektron wstrzykiwany jest do ciekłego helu, jego funkcja falowa (czyli prawdopodobieństwo znalezienia) jest zamykana w bąblu. Maris i jego koledzy jednak sugerują że funkcja ta może zostać podzielona i (pamiętajmy – funkcja falowa to rozkład prawdopodobieństwa, nie sama cząstka) odseparowana w kilku mniejszych bąblach. Jeden elektron podczas „podróży” w helu może więc znajdować się w kilku mniejszych bąblach jednocześnie.  Co ciekawe, eksperyment pokazuje, że zwykła interakcja pomiędzy cząstką a większym systemem fizycznym nie zawsze musi oznaczać przeprowadzenia pomiaru. Tak jest dokładnie w przypadku opisanej tu interakcji elektronów z ciekłym helem (system fizyczny). Gdyby pomiar zachodził, mniejsze bąble z fragmentami funkcji falowej przestawałyby natychmiast istnieć.

Wyniki eksperymentu rodzą również pytania z pogranicza nauki I filozofii. Nikt nie jest pewny co konkretnie można uznać za pomiar.  […] Jeżeli takie interakcje nie są nim, to co nim jest? Czy potrzebna jest do tego świadomość? Nie wiemy tego – stwierdził Maris.

funkcja falowa elektron