Zobaczyć elektron

Animacja: Winston Wolff

Zamierzam pokazać wam bardzo interesującą animację elektronu. Ale najpierw dajcie mi wyjaśnić jego strukturę. Kiedy skończycie czytać, obejrzyjcie animację.

Co to jest elektron?

Nigdy w historii nie istniał nikt, kto mógłby sobie chociaż wyobrazić, czym jest struktura elektronu. Dopiero bardzo niedawno zaczęto go traktować jako punkt, zbudowany z nieznanej, niedefiniowalnej substancji, zwanej ładunkiem. Ponieważ punkt nie ma wymiarów, nie ma też struktury ani niczego do oglądania.

Elektron jest strukturą falową

Niedawno znaleziono tą strukturę. Są nią dwie koncentryczne, sferyczne fale kwantowe. Jedna porusza się do środka, a druga na zewnątrz. Ta sferyczna para fal posiada znane właściwości elektronu, które nazywamy masą, ładunkiem etc. Ilustracja przedstawia radialną amplitudę owych fal elektronu.

Superpozycja dośrodkowych i odśrodkowych fal tworzy falę stojącą.

Powyższe animacje rysują amplitudę Kosmicznego Rezonansu wzdłuż radialnej linii przez środek.

Dolny graf jest superpozycją komponentów dośrodkowego i odśrodkowego, tzn. są one do siebie dodawane. Suma fal jest radialną amplitudą prawdziwego elektronu. Zauważmy, że amplituda w centrum jest skończona.

Popatrz uważnie, jak porusza się suma fal. Fale nie poruszają się na zewnątrz i do środka, lecz do góry i w dół. Tak jest, to fala stojąca. Fale stojące występują również w przypadku światła i dźwięku, np. na strunie skrzypiec. Fale na strunie mogą iść w górę i w dół, ale nie przejdą przez słupki. Elektron, oraz inne cząstki naładowane, mają strukturę sferycznej kwantowej fali stojącej.

Diagramy te są matematycznym wykresem fal dośrodkowych i odśrodkowych, oraz ich sumy. Wykresy są amplitudą rysowaną wzdłuż promienia od centrum elektronu (z lewej). Zauważamy, że im dalej od środka, tym mniejsza amplituda. Tak samo jest ze znanymi falami świetlnymi czy dźwiękowymi, które słabną w miarę oddalania się. Fale kwantowe są malutkie. Na tym diagramie wzmocniono je tysiące milionów, milionów razy (10¹⁴). (...)

Zwróćmy uwagę na zachowanie się sumy fal, gdy promień zbiega do zera. Amplituda nie staje się nieskończona. Zamiast tego widzisz, że osiąga w przybliżeniu plus minus 1. Jest to istotna różnica pomiędzy teorią falową a starym modelem punktowego elektronu. W teorii punktowej, amplituda elektryczna osiąga w centrum nieskończoność. Jest to błąd, ponieważ pomiary laboratoryjne pokazują skończone wartości. Struktura falowa, jak widać, daje właściwe rezultaty.

Gdzie są orbity?

Przez wiele (zbyt wiele) lat ludzie wyobrażali sobie atom jako jako punktowe elektrony orbitujące wokół jądra. Mit ten, w sposób oczywisty imitujący nasz układ planetarny, został sfalsyfikowany przez teorię kwantową ponad 60 lat temu. Na przykład w atomie wodoru, teoria kwantowa przewiduje, że obecność elektronu jako sferyczną, symetryczną chmurę wokół protonu. Niektórzy fizycy stwierdzili, że punktowe kawałki materii wciąż tam są, nawet, gdy teoria kwantowa nie stwierdza ruchu cząstki. Stary mit z trudem umiera!

W atomie wodoru zarówno elektronowa struktura jak i proton mają wspólny środek. Strukturę elektronu można sobie wyobrazić jako cebulę - sferyczne warstwy fal wokół centrum. Amplituda fal maleje, jak na diagramie. nie ma punktowej masy, nie ma orbit - po prostu są fale.

Animowane cząstki

Ten diagram jest pierwszą animacją podstaw cząstki dla widzów w Sieci. Czy jest to ważne? Czy to tylko schludna sztuczka, aby powołać do życia niewyraźną fizykę? Tak! Ilustruje to nowo rozpoznaną, esencjonalną właściwość cząstki - komunikację. Aby cząstki mogły się ze sobą nawzajem komunikować, jest konieczne, żeby informowały się nawzajem o swojej pozycji, kierunku i obecności. Dynamiczny, falowy elektron potrafi to robić. Stary, punktowy, nie potrafi. To błąd. Zrozumienie właściwości cząstek dzięki animacjom będzie mieć w przyszłości duży priorytet.

Animację tą zrobił mój syn, Winston. Można zobaczyć, że jego praca, czyniąca gwiezdnowojenne gry wideo, jak "Siły Ciemności", sławnym bestsellerem, ma zastosowania naukowe. Jestem więc podwójnie dumny, że potrafił zaprogramować to i wrzucić na stronę internetową. Wymaga to sporo planowania i doświadczenia. Jestem wdzięczny za jego innowacyjną pomoc w uczynieniu tej naukowej strony dla ludzi. Można zobaczyć jego najnowszy projekt w New York City, Stratolab, polega na pisaniu oprogramowania edukacyjnego i dawaniu poszkolnych kursów programowania gier wideo.

Milo Wolff

Link do oryginału: http://www.quantummatter.com/seeing-an-electron/