Фізики зробили знімок атома водню
Знімки розміром 4 на 4 міліметри: червоні крапки позначають найбільшу ймовірність знаходження електрона, блакитні ≈ найменшу
(Фото Aneta Stodolna / FOM Institute AMOLF).
Атом водню є найпростішим із усіх існуючих: він складається всього з одного протону та електрона, що обертається навколо нього
Можливість побачити на власні очі субатомні частинки украй важлива для сучасної фізики. Раніше вченим вже вдавалося зробити фотографії тіні атома та електрона. Однак сфотографувати сам атом, а не якусь його частину представлялося вкрай важким завданням навіть при використанні високотехнологічних пристроїв.
Справа в тому, що згідно з законами квантової механіки неможливо однаково точно визначити всі властивості субатомної частки. Цей розділ теоретичної фізики побудований за принципом невизначеності Гейзенберга, який свідчить, що неможливо однаково точно виміряти координати та імпульс частинки - точні виміри однієї властивості неодмінно змінять дані про інше.
Тому, замість визначати місцезнаходження (координати частки), квантова теорія пропонує виміряти так звану хвильову функцію.
Хвильова функція працює майже так само, як і звукова хвиля. Відмінність лише тому, що математичне опис звукової хвилі визначає рух молекул у повітрі у певному місці, а хвильова функція визначає можливість появи частки у тому чи іншому місці за рівнянням Шредінгера.
Виміряти хвильову функцію також непросто (прямі спостереження призводять до її колапсу), але фізики-теоретики можуть передбачити її значення.
Експериментально виміряти всі параметри хвильової функції можна тільки в тому випадку, якщо зібрати її з окремих руйнівних вимірів,проведених на повністю ідентичних системах атомів чи молекул.
У ході експерименту команда вчених направила два лазерні промені на атоми водню, поміщені в спеціальну камеру. Внаслідок такого впливу електрони залишили свої орбіти з тією швидкістю і в тому напрямку, що визначалися їх хвильовими функціями. Сильне електричне поле камері, де знаходилися атоми водню, направило електрони на певні частини планарного (плоського) детектора.
Положення електронів, що потрапляють на детектор, визначалося їхньою початковою швидкістю, а не позицією в камері. Таким чином, розподіл електронів на детекторі розповів вченим про хвильову функцію цих частинок, яка була у них, коли вони залишили орбіту біля ядра атома водню.
Рухи електронів відображалися на фосфоресцентному екрані у вигляді темних та світлих кілець, які вчені сфотографували цифровою камерою з високою роздільною здатністю.
"Примітно, що експеримент був проведений саме на водні — одночасно найпростішій і найпоширенішій речовині у нашому Всесвіті. Потрібно буде зрозуміти, чи можна застосувати цю методику для складніших атомів. Якщо так, то це великий прорив, який дозволить розвинути не тільки електроніку, але й нанотехнології", - каже Джеф Ландін (Jeff Lundeen) з університету Оттави, який не брав участі у дослідженні.
Втім, вчені, які проводили експеримент, не замислюються про практичну сторону питання. Вони вважають, що їхнє відкриття насамперед належить до фундаментальної науки, яка допоможе передати більше знань майбутнім поколінням фізиків.