Wypełniono lukę w wiedzy o fotonach

Cząstek atomowych nie da się opisać przy użyciu potocznych wyobrażeń - nie można ustalić naraz ich położenia i pędu - pokazał to już 87 lat temu Werner Heisenberg. Ale jego zasada ciągle była niepełna - nie opisywała cząstek "bezmasowych". Dopiero niedawno państwo Białyniccy-Birulowie opisali, jak zasadę nieoznaczoności odnieść do fotonów. Prof. Iwo Białynicki-Birula z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN jest jednym z tegorocznych laureatów Nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Nagrodę przyznano mu m.in. za fundamentalne prace dotyczące pola elektromagnetycznego. Prof. Białynicki-Birula wiele swoich badań - w tym prace formułujące zasadę nieoznaczoności dla fotonu - wykonał wspólnie z żoną, prof. Zofią Białynicką-Birula z Instytutu Fizyki PAN.  "Napisaliśmy z żoną ponad 40 prac i współpraca kwitnie" - stwierdził w rozmowie z PAP prof. Białynicki-Birula. Przyznał, że żona raczej nie jest zazdrosna o jego "Polskiego Nobla". "Prawdę mówiąc, to ja w fizykę wkładam więcej pracy, nawet gdyby to liczyć na godziny. Moja żona docenia to. Ale ona sobie lubi książki poczytać, a ja na to nie mam tyle czasu. Tu akurat widać pewną nierównowagę. Ale gdy się zabieramy za rozwiązanie jakiegoś problemu, praca rozłożona jest już równomiernie" - zaznaczył fizyk. O prowadzonych wspólnie badaniach prof. Białynicki-Birula powiedział: "Wypełniliśmy lukę w wiedzy o fotonach. A fotony odgrywają w naszym życiu niesłychanie ważną rolę - od fotonów, które giną wpadając do naszych oczu, po fotony rentgenowskie. A ważne jest to, by w sposób jednorodny opisać wszystkie zjawiska, które występują w naszym życiu". Małżonkowie zajęli się uzupełnieniem zasady nieoznaczoności opracowanej przez Wernera Heisenberga w latach 20. ubiegłego wieku. A jest to teoria, która może działać na wyobraźnię - wynika z niej, że przyroda zawsze przed obserwatorem pewną część informacji "ukrywa". O pojedynczej cząstce nie można więc zdobyć kompletu informacji. Jeśli określimy dokładnie pęd takiej cząstki (zależy on od masy i prędkości), to nie będziemy w stanie określić dokładnego jej położenia - stanie się ono rozmyte. I odwrotnie - jeśli znamy dokładnie położenie cząstki, nie możemy określić jej pędu. I wcale nie wynika to z ograniczeń sprzętu, z którego się korzysta, ale z natury materii, a dokładniej mówiąc z tzw. dualizmu korpuskularno-falowego. Cząstka ma bowiem dwojaką naturę - jest nie tylko "kulką" umieszczoną w przestrzeni, jak w uproszczeniu to sobie możemy wyobrażać, ale jest też jednocześnie falą. A fala charakteryzuje się przecież innymi właściwościami niż pojedyncze ciało. "W naszym makroskopowym świecie nie ma granicy dokładności pomiaru. Jeśli chcemy zmierzyć długość, bierzemy miarkę, mikrometr albo inne urządzenia i niwelujemy naszą niepewność. A w świecie kwantowym nie wszystkie pomiary można zrobić z dowolną dokładnością, zawsze jest pewne ograniczenie naszego opisu wielkości fizycznych" - opowiedział prof. Iwo Białynicki-Birula. Zasady nieoznaczoności Heisenberga - jak wyjaśnił prof. Białynicki-Birula - nie można było dotychczas odnieść do wszystkich znanych cząstek, a jedynie do tych, które potocznie nazywano cząstkami masywnymi (to np. elektrony czy protony). Nie mieściły się w obliczeniach Heisenberga np. fotony, uważane za cząstki nie mające masy. "Ale tak naprawdę wszystkie cząstki są masywne. Bo każda cząstka niesie energię. A przecież Einstein odkrył, że energia i masa są sobie równoważne, zależą od siebie. Problemem może być najwyżej to, jaka jest masa cząstki, która tkwi w jednym miejscu" - zaznacza Iwo Białynicki-Birula. A ponieważ foton porusza się zawsze z prędkością światła, jego masa spoczynkowa jest równa zera. "Dlatego dla fotonów zasada nieoznaczoności musi wyglądać inaczej niż dla cząstek obdarzonych masą spoczynkową" - dodał fizyk. Przyznał, że problemem jest np. określenie położenia fotonu. "Bo jak coś leci z prędkością światła, określenie jego położenia jest prawie niemożliwe" - zaznacza badacz. Mimo tych wszystkich trudności, państwu Białynickim-Birulom udało się opisać zasadę nieoznaczoności fotonu. Miało to formę matematycznej nierówności. Prof. Białynicki-Birula opowiedział, że po lewej stronie tej nierówności są wielkości charakteryzujące foton, a po prawej - wielkość fizyczna, której te wielkości charakteryzujące foton nie mogą przekroczyć. "Wypełniliśmy lukę w wiedzy o fotonie. To trochę jak z wspinaniem się na najwyższe góry w Himalajach - stał taki niezdobyty ośmiotysięcznik i warto się było na niego wspiąć" - skomentował laureat Nagrody FNP.  PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala. Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl