Η πρώτη φωτογραφία που απεικονίζει το φως σαν σωματίδιο και κύμα

Το φως συμπεριφέρεται τόσο ως σωματίδιο και ως κύμα. Από την εποχή του Αϊνστάιν, οι επιστήμονες έχουν προσπαθήσει να παρατηρήσουν άμεσα και τις δύο αυτές ιδιότητες του φωτός ταυτόχρονα. Τώρα, οι επιστήμονες στο EPFL έχουν καταφέρει να συλλάβουν για πρώτη φορά στιγμιότυπο αυτής της διπλής συμπεριφοράς.

Η κβαντομηχανική μας λέει ότι το φως μπορεί να συμπεριφέρεται ταυτόχρονα ως σωματίδιο ή κύμα. Ωστόσο, δεν υπήρξε ποτέ ένα πείραμα που να είνα σε θέση να συλλάβει και τις δύο φύσεις του φωτός ταυτόχρονα. Το πιο κοντινό που έχουμε καταφέρει να δει, είναι είτε κύμα ή σωματίδιο, αλλά πάντα σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Λαμβάνοντας μια ριζικά διαφορετική πειραματική προσέγγιση, οι Ελβετοί επιστήμονες του EPFL (Ομοσπονδιακή Πολυτεχνική Σχολή της Λοζάνης) έχουν πλέον τη δυνατότητα να λάβουν το πρώτο στιγμιότυπο του φωτός που συμπεριφέρεται τόσο ως κύμα και ως σωματίδιο. Η σημαντική ανακάλυψη δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature Communications.

Παρόλο που ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός του φωτός, όπως και της ύλης, περιγράφεται πλήρως από την κβαντική θεωρία, κανένα πείραμα δεν είχε καταφέρει να «συλλάβει» το φως τη στιγμή που εκδηλώνει παράλληλα και τις δύο ιδιότητες.

Έτσι, τα μέχρι σήμερα διαθέσιμα στιγμιότυπα «αποθανάτιζαν» αποκλειστικά είτε την κυματική του φύση είτε τη σωματιδιακή.

Για να αποτυπώσουν και τις δύο συμπεριφορές ταυτόχρονα, οι Ελβετοί επιστήμονες ακολούθησαν μια εντελώς διαφορετική πειραματική προσέγγιση, την οποία περιγράφουν σε πρόσφατο άρθρο τους στο περιοδικό Nature Communications.

Η ανακάλυψη της σωματιδιακής συμπεριφοράς έγινε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος με αυτό τον τρόπο κατάφερε να εξηγήσει πώς λειτουργεί το «φωτοηλεκτρικό φαινόμενο», δηλαδή η διαδικασία εκπομπής ηλεκτρονίων από ένα μέταλλο, όταν προσπίπτει σε αυτό υπεριώδης ακτινοβολία.

Έκτοτε, έχει επιβεβαιωθεί από αναρίθμητα πειράματα, τα οποία έδειξαν πως όντως το φως σε ορισμένες περιπτώσεις μοιάζει να αποτελείται από διακριτά «σωματίδια», τα φωτόνια. Ωστόσο, ποτέ έως τώρα δεν είχαν παρατηρηθεί φωτόνια, τη στιγμή που το φως εκδηλώνει παράλληλα και την κυματική του συμπεριφορά.
 
Με επικεφαλής τον φυσικό Φαμπρίτσιο Καρμπόνε από το EPFL, οι Ελβετοί ερευνητές ακολούθησαν μία πρωτότυπη πειραματική προσέγγιση, αφού αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν ηλεκτρόνια για να εξασφαλίσουν το στιγμιότυπο.

Έτσι, «βομβάρδισαν» με παλμούς λέιζερ ένα μεταλλικό σύρμα νανομετρικών διαστάσεων, ώστε να προσδώσουν ενέργεια στα φορτισμένα σωματίδια του σύρματος, τα οποία άρχισαν να ταλαντώνονται.
 
Το φως διαδιδόταν μέσα στο σύρμα σε δύο κατευθύνσεις, όπως τα αυτοκίνητα σε μια λεωφόρο.

Όταν συναντιούνταν δύο κύματα αντίθετων κατευθύνσεων, τότε σχημάτιζαν ένα νέο στάσιμο κύμα, το οποίο ονομάζεται έτσι επειδή στην πραγματικότητα δεν διαδίδει ενέργεια στον χώρο.

Αυτό το στάσιμο κύμα λειτουργούσε ως η πηγή φωτός στο πείραμα, ακτινοβολώντας μέσα στο σύρμα. Επομένως, οι επιστήμονες εξέπεμπαν δέσμες ηλεκτρονίων κοντά στο σύρμα, χρησιμοποιώντας τις για να απεικονίσουν το στάσιμο κύμα φωτός.
 
Καθώς τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούσαν με το στάσιμο κύμα, άλλα επιταχύνονταν και άλλα επιβραδύνονταν. Χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο για να αποτυπώσουν τις θέσεις όπου γινόταν αυτή η μεταβολή στην ταχύτητα, οι επιστήμονες μπόρεσαν να οπτικοποιήσουν το στάσιμο κύμα.

Παρόλο που με αυτό το φαινόμενο εκδηλωνόταν η κυματική φύση του φωτός, ταυτόχρονα αποκάλυπτε και τη σωματιδιακή του συμπεριφορά. Όταν τα ηλεκτρόνια διέρχονταν κοντά από το στάσιμο κύμα, τότε «προσέκρουαν» στα φωτόνια.

Όπως αναφέρθηκε πριν, έτσι άλλαζε η ταχύτητά τους, κάνοντάς τα να κινούνται είτε ταχύτερα είτε πιο αργά.

Αυτή η αλλαγή στην ταχύτητα εμφανιζόταν σαν ανταλλαγή ενεργειακών «πακέτων» ανάμεσα στα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, με τα «πακέτα» αυτά να μαρτυρούν πως το φως στο σύρμα συμπεριφερόταν και σαν να αποτελείται από σωματίδια.

«Αυτό το πείραμα δείχνει ότι, για πρώτη φορά, ότι μπορούμε να κινηματογραφήσουμε την κβαντομηχανική - και την παράδοξη φύση της - άμεσα", λέει ο Fabrizio Carbone. Επιπλέον, η σημασία αυτού του πρωτοποριακού έργου μπορεί να εκτείνεται πέρα από τη θεμελιώδη επιστήμη και τις τεχνολογίες του μέλλοντος. Όπως εξηγεί ο Carbone: "Το να είσαι σε θέση να φωτογραφήσεις και να ελέγξεις τα κβαντικά φαινόμενα σε κλίμακα νανομέτρων, αυτό ανοίγει μια νέους δρόμους στην ανάπτυξη και κατασκευή των κβαντικών υπολογιστών."