El mes passat vaig exposar en aquest espai les dues formulacions de la teoria de la relativitat (la restringida i la general) proposades per Einstein els anys 1905 i 1916, respectivament.
La teoria quàntica o mecànica quàntica és també de principis del segle XX i també ha revolucionat la ciència i la tecnologia. Com deia Feynman, un dels seus màxims creadors, “poca gent entén la teoria de la relativitat, però la teoria quàntica no l’entén ningú”. Es referia als misteriosos fenòmens que aquesta teoria descriu, que semblen de bruixeria, però que han estat comprovats i aplicats amb una enorme eficàcia. No sabem per què passen les coses que descriu, però és ben cert que passen i les aprofitem quan construïm mòbils, ordinadors, satèl·lits, etc.
Ja vaig dir el mes passat que uns investigadors estan intentant aplicar ara la teoria quàntica a la medicina. Són investigadors de l’Institut de Ciències Fotòniques de Catalunya (ICFO) i estan estudiant si un virus pot ser en dos llocs alhora!
- L’any 1900 el físic Max Planck va tenir una intuïció genial: que l’energia no creix o decreix en forma contínua, sinó per paquets d’energia. Així, si fem sonar un violí amb una certa intensitat (volum de so) i volem augmentar aquesta intensitat, encara que ens sembli que ho podem fer de forma contínua, en realitat ho fem per salts molt petits que no podem notar, o sigui, per molt menuts paquets d’energia. (És com si la naturalesa ens permetés beure la cervesa a glops, amb un límit del glop més petit possible, però no en un raig seguit.) Al paquet més petit d’energia, Planck el va anomenar quàntum. D’aquí ve el nom de mecànica quàntica o teoria quàntica.
- Apareix aquí també Albert Einstein, autor de la teoria de la relativitat. (Vegeu l’article del mes passat.) L’any 1905 Einstein va estudiar per què quan un metall rep un raig de llum, el metall emet electricitat. (D’aquest fenomen se’n diu efecte fotoelèctric, que és el que té lloc quan entrem en una botiga i un llum infraroig ens detecta: es fa un corrent elèctric i s’obren les portes.) Com a resultat d’aquest estudi, Einstein va demostrar que la llum està formada per partícules, és a dir, petits paquets o quàntums de llum, que anomenà fotons. Amb això Einstein demostrava que la teoria del quàntum d’energia que havia anunciat Planck era certa. Per aquest descobriment Einstein va rebre el Premi Nobel.
- Però la teoria dels quàntums reservava sorpreses als científics. Si es fa passar llum per unaescletxa i es posa una pantalla al darrere, com és natural, surt una zona clara sobre la pantalla. Ara, si fem passar la llum per dues escletxes, a la pantalla de darrere hi apareixen zones clares i zones fosques. Veurem el mateix si provoquem ones a l’aigua d’una piscina i les fem arribar a un obstacle, primer amb una obertura i després amb dues. Tant la llum com l’aigua apareixeran al darrere tal com mostra la figura 1.
D’aquest fenomen se’n diu difracció i demostra que la llum també es comporta com una ona. Cal, doncs, pensar que la llum és feta de partícules com havia demostrat Einstein (efecte fotoelèctric), però també és al mateix temps una ona (difracció).
El fenomen es pot veure esquemàticament a la figura 2, on es dibuixen les zones clares i les zones fosques quan la llum passa per dues escletxes.
- Ara ve el misteri. Si primer es fa passar llum per una escletxa (posem la de la dreta), com és natural es veu a la pantalla només una zona clara. Passa el mateix, es veu només una zona clara si primer es fa passar la llum per l’altra escletxa (la de l’esquerra). Però si després s’obren totes dues escletxes al mateix temps, a la pantalla de darrere hi ha zones clares i zones fosques. ¿Com ho saben els fotons que passen per l’escletxa esquerra que no han d’il·luminar allò que il·luminaven abans pel fet que també vénen fotons per l’escletxa dreta?
- Passa el mateix si ho fem amb electrons, la qual cosa vol dir que no només l’energia (fotons) sinó també la matèria (electrons) és alhora partícula i ona.
- Encara més misteriós. Si es van enviant electrons d’un en un i es col·loca a la pantalla un sensor d’electrons, si hi ha una escletxa es detecten electrons, d’un en un, a tot arreu, però si hi ha dues escletxes, hi ha zones on no es detecta cap electró. Sembla com si cada electró endevinés per quin camí ha de passar si hi ha dues escletxes, o per quin camí ha de passar si només hi ha una escletxa.No cal dir que tot això només té lloc en el món ultramicroscòpic. Sabem per experiència que això mai no passaria si amb un canó especial tiréssim pilotes de tennis per dues escletxes! Anirien pilotes a dues franges de la pantalla, procedents de cadascuna de les dues escletxes.
Per avui potser ja n’hi ha prou, el mes vinent exposaré quina teoria s’ha proposat per explicar tots aquests fenòmens i experiments. De moment, només voldria afegir que, com se sap, totes les teories que acompanyen l’estudi d’aquests fenòmens requereixen la utilització de matemàtiques d’un nivell molt alt. Per exemple, quan Einstein va estudiar la teoria de la relativitat va fer ús d’unes eines matemàtiques anomenades tensors, les quals li va costar molt d’aprendre. Ara compteu nosaltres…
