Εκπλήξεις από την κβαντομηχανική του Χαράλαμπου Παπαδόπουλου

 

Εκπλήξεις από την κβαντομηχανική

του Χαράλαμπου Παπαδόπουλου

 

Η Μεγάλη Εβδομάδα που διανύουμε είναι εβδομάδα εκπλήξεων. Η πόρνη γίνεται σώφρων, ο μαθητής γίνεται προδότης, ο ληστής πάνω στον σταυρό κερδίζει τον παράδεισο, ο Θεάνθρωπος Ιησούς με την θέλησή Του παραδίδει την ζωή Του πάνω στον Γολγοθά και η μεγαλύτερη έκπληξη, μετά από τρεις μέρες από μόνος Του την ξαναπαίρνει πίσω και ανασταίνεται από τον τάφο.  Γι’ αυτό ταιριάζει νομίζω με το κλίμα των ημερών να δούμε κάποιες εκπλήξεις που συνέβησαν στις φυσικές επιστήμες.

Γύρω στα 1900 η επιστήμη της φυσικής -θα την λέμε κλασική φυσική- ένοιωθε παντοδύναμη με την πρόοδο που είχε κάνει. Έγραφε ο μεγάλος φυσικός Michelson  το 1899 «όλοι οι θεμελιώδεις νόμοι και τα πρωταρχικά δεδομένα της φυσικής επιστήμης έχουν ήδη ανακαλυφθεί και είναι τόσο σταθερά εδραιωμένα ώστε η πιθανότητα να ανατραπούν κάποτε ως αποτέλεσμα νέων ανακαλύψεων είναι τελείως μακρινή». Που να φανταζόταν ο Michelson ότι λίγους μήνες μετά που είπε τα λόγια αυτά, θα ξεκινούσε το ξήλωμα της κλασικής φυσικής και σε 25 χρόνια θα αποδεικνυόταν ότι ήταν όλη λάθος !

«Να φοβάσαι αυτά που τα θεωρείς οπωσδήποτε σωστά» λέει ο μεγάλος ασκητής άγιος Ισαάκ ο Σύρος .  Βέβαια οι συνάδελφοι του ΙΕΠ δεν τα καταλαβαίνουν αυτά γι’ αυτό στη σελίδα 139 της Βιολογίας της Β΄ Λυκείου γράφουν :«Επειδή όμως είναι απίθανο τόσο πολύπλοκες διαδικασίες να έχουν εξελιχθεί ανεξάρτητα σε κάθε είδος, τα δεδομένα αυτά αποδεικνύουν αναμφισβήτητα πως όλοι οι οργανισμοί έχουν κοινή προέλευση ». Και στη σελίδα 143 γράφουν : « Τις τελευταίες όμως δεκαετίες τα απολιθώματα που έχουν βρεθεί, καθώς και η έρευνα σε άλλες περιοχές της Βιολογίας, ιδιαίτερα μάλιστα στη Μοριακή Βιολογία, δε γεννούν καμιά αμφιβολία ότι ο άνθρωπος, όπως και κάθε άλλος οργανισμός του πλανήτη είναι προϊόν εξέλιξης ». Είναι περίεργο πως ενώ στις φυσικές επιστήμες δεν είμαστε για τίποτα απόλυτα σίγουροι ότι είναι οπωσδήποτε σωστό, οι συνάδελφοι του ΙΕΠ είναι απόλυτα σίγουροι ότι ο άνθρωπος κι ο πίθηκος έχουν κοινό πρόγονο.

Η κλασική φυσική όμορφα τα είχε τακτοποιήσει : ο κόσμος μας αποτελείται από σωματίδια και κύματα. Το βιβλίο, το αυτοκίνητο, το άτομο, το πρωτόνιο, το ηλεκτρόνιο … είναι σωματίδια. Όλες οι ακτινοβολίες όπως και το ορατό φως, ο ήχος, μια πετρούλα που πέφτει στο νερό και δημιουργεί εκείνα τα κυκλικά … είναι κύματα. Φυσικά είναι ξεκάθαρο τι είναι σωματίδιο και τι είναι κύμα. Υπάρχει περίπτωση όπως και να βάλουμε δυο ίδια βιβλία το ένα πάνω στο άλλο να μηδενιστούν και να μην υπάρχουν ; Όχι βέβαια. Αν όμως από 2 μικρές τρυπούλες φωτίζουμε ένα σκοτεινό δωμάτιο με την ίδια ακριβώς ακτινοβολία στον απέναντι τοίχο θα δημιουργηθούν πέρα από τις φωτεινές και κάποιες σκοτεινές περιοχές, επειδή εκεί θα φτάνουν τα κύματα αντίθετα και θα μηδενίζει το ένα το άλλο (το φαινόμενο λέγεται συμβολή).

Όμως αυτή η θεώρηση της κλασική φυσικής δεν μπορούσε να εξηγήσει κάποια πράγματα. Ξέρετε ότι υλικό και να πυρακτώσουμε στην ίδια θερμοκρασία εκπέμπει ακριβώς το ίδιο φως (λέγεται ακτινοβολία του μέλανος σώματος). Δηλαδή μέσα σε ένα υαλουργείο που πυρακτώνονται γυαλιά, μέταλλα, πλακάκια, όλα εκπέμπουν το ίδιο κίτρινο φως και δεν ξεχωρίζουν. Η κλασική φυσική δεν μπορεί να εξηγήσει πως γίνεται αφού είναι διαφορετικά υλικά να εκπέμπουν το ίδιο ακριβώς φως. Το φως περιέχει πολλά είδη ακτινοβολιών (τις ακτινοβολίες που περιέχει το ορατό φως τις βλέπουμε στο ουράνιο τόξο)   και ακόμα η κλασική φυσική έβγαζε το συμπέρασμα ότι όσο πιο ισχυρές γίνονται οι ακτινοβολίες που περιέχονται στο εκπεμπόμενο φως από το θερμό σώμα, τόσο μεγαλώνει και η έντασή τους και στις υπεριώδεις για παράδειγμα να γίνεται η ένταση άπειρη ! (αυτό ονομάστηκε υπεριώδης καταστροφή). Κοντολογίς, όταν θερμαινόταν ένα σώμα θα κατέστρεφε τον κόσμο γύρω του.

Όταν πέφτει φως σε μέταλλο εκπέμπονται από το μέταλλο ηλεκτρόνια (λέγεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο). Σε πόρτες που ανοίγουν αυτόματα κάτι τέτοιο εφαρμόζεται. Το κόκκινο φως είναι πιο αδύνατο από το μωβ. Η κλασική φυσική δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί ενώ λιγοστό μωβ φως μπορεί να πετύχει να γίνει εκπομπή ηλεκτρονίων από το μέταλλο, όσο έντονο και να κάνουμε το κόκκινο φως δεν μπορεί να βγάλει ούτε ένα ηλεκτρόνιο.

Όταν ρίχνουμε ισχυρό φως πχ μωβ πάνω σε ηλεκτρόνια τότε το φως σκεδάζεται (στρίβει) προς διάφορες κατευθύνσεις. Και όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία σκέδασης (στριψίματος) τόσο πιο αδύνατο γίνεται το φως πχ σε μικρή γωνία μπορεί να είναι κίτρινο, σε μεγαλύτερη μπορεί να είναι κόκκινο (λέγεται φαινόμενο Compton). Η κλασική φυσική θεωρεί αδύνατο να αλλάζει το χρώμα του φωτός στην σκέδαση (έλα όμως που αλλάζει ).

Όλα τα παραπάνω μπορούν να εξηγηθούν αν θεωρήσουμε ότι τα σωματίδια είναι και κύματα και τα κύματα είναι και σωματίδια. Δηλαδή είχε λάθος η κλασική φυσική που θεωρούσε, ότι υπάρχει στο σύμπαν είναι ή σωματίδιο ή κύμα. Η πραγματικότητα έδειξε, ότι υπάρχει στο σύμπαν είναι ταυτόχρονα και σωματίδιο και κύμα.

Τα πράγματα όμως είναι και πιο δραματικά. Η κλασική φυσική θεωρεί ότι η ενέργεια πχ  του ηλεκτρονίου σε ένα άτομο μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή. Δηλαδή ας πούμε ότι η ενέργεια των ηλεκτρονίων στο νερό Η₂Ο μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή. Αυτό θα σήμαινε ότι αν χύσουμε στο δάπεδο ένα ποτήρι νερό τα ηλεκτρόνια μπορούν να πάρουν ενέργεια από την κρούση με το δάπεδο και να φύγουν και αντί για νερό να μας μείνουν πρωτόνια και ηλεκτρόνια μόνα τους. Δηλαδή δεν θα μπορούσε να υπάρξει σταθερή ύλη για να δημιουργηθεί ο κόσμος, δηλαδή και εμείς δεν θα μπορούσαμε να υπάρχουμε. Τελικά ευτυχώς που ήταν λάθος η κλασική φυσική !

Η κβαντομηχανική μας γλύτωσε από τον κίνδυνο της ανυπαρξίας, επειδή εισήγαγε την έννοια της κβάντωσης της ενέργειας, δηλαδή η ενέργεια δεν μπορεί να πάρει όλες τις τιμές, αλλά μόνο καθορισμένες τιμές. Για παράδειγμα ο αριθμός των μαθητών σε ένα τμήμα είναι κβαντωμένο μέγεθος, δηλαδή μπορούμε να πούμε ότι το τμήμα έχει 22,5 μαθητές ; Όχι βέβαια. Ο αριθμός των μαθητών είναι ακέραιος, δεν μπορεί να είναι δεκαδικός. Έτσι στο προηγούμενο παράδειγμα στο νερό η ενέργεια που μπορούν να πάρουν τα ηλεκτρόνια έχει καθορισμένες τιμές και πρέπει να κάνουν άλμα για να φτάσουν από την μια τιμή ενέργειας στην άλλη, άρα δεν μπορεί να φύγουν εύκολα και έτσι η ύλη είναι σταθερή και υπάρχει και ο κόσμος και εμείς. Ευτυχώς !   

Φυσικά στο Λύκειο διδάσκουμε την κλασική φυσική και μόνο ελάχιστα την κβαντομηχανική, όπως στην φυσική γενικής παιδείας της Β΄ στο κεφάλαιο για το φως και λίγο στην χημεία της Γ΄. Αυτό γιατί είναι ωφέλιμη η εξάσκηση στην κλασική φυσική για τους μαθητές που τώρα αρχίζουν την πιο σοβαρή επαφή τους με τις φυσικές επιστήμες και ακόμα, επειδή όταν τα σώματα είναι μεγάλα, όπως αυτά που συναντούμε στην καθημερινότητά μας, ο κυματικός τους χαρακτήρας είναι αμελητέος.

 Στο σημείο αυτό θα ήθελα να επισημάνω μια παγίδα που κινδυνεύουμε να πέσουμε οι καθηγητές που διδάσκουμε την φυσική γενικής παιδείας της Β΄. Επειδή πολλοί μαθητές είναι αδιάφοροι μιας που από την Β΄ ο νους τους είναι στις πανελλαδικές, επειδή με τα φροντιστήρια δημιουργείται ένας φαύλος κύκλος, επειδή το βιβλίο είναι κακογραμμένο, επειδή καταργήθηκε να δίνουν το μάθημα στις προαγωγικές εξετάσεις και για άλλους λόγους, υπάρχει κίνδυνος να πέσει το επίπεδο και το μάθημα να γίνει ανιαρό. Φανταστείτε όμως συνάδελφοι, τι ικανοποίηση θα νοιώθουμε όταν θα έχουμε φύγει από την εκπαίδευση, και θα μπορούμε να λέμε στον εαυτό μας ότι παρ’ όλες τις αντιξοότητες, εμείς κάναμε ότι μπορούσαμε για να μυήσουμε τους μαθητές μας στις φυσικές επιστήμες.

 Κάποιος άγιος είπε ότι στον παράδεισο θα πηγαίνουμε από έκπληξη σε έκπληξη, όπου συνεχώς ο Θεός θα μας αποκαλύπτει τον εαυτό Του και αυτό δεν θα έχει τέλος, ενώ αντίθετα στην  κόλαση θα είναι μια ανυπόφορη και ατελείωτη πλήξη. Μακάρι στην Δευτέρα Παρουσία του Χριστού που θα γίνει η ανάσταση των σωμάτων μας να πάρουμε το σώμα μας φωτεινό όπως το σώμα του Αναστημένου Χριστού και έτσι να πορευτούμε «προς την τελείαν των τελείων ατέλεστον τελειότητα». Καλή Ανάσταση !

    Ο Χαράλαμπος Παπαδόπουλος είναι καθηγητής χημικός στα Γιαννιτσά