Elektronid saavad aru oma ainulaadsusest

Kui protsessi käigus elektroni veidi kiirendada, ei adu see, millise küljest kahest aatomist ta lahutati ja käitub seetõttu, nagu oleks ta lahutatud mõlemast, toimides täielikult koostöövalmi pseudopaarina.

Teisest küljest, kui elektroni piisavalt kiirendada, saab see teadlikuks oma päritolust ning ilmutab individuaalseid karakteristikuid. Sedamööda, kuidas käitumine muutub koostöisest individuaalseks, saab jälgida kvantfüüsika üleminekut klassikaliseks füüsikaks.

Veelgi enam — sellised üleminekud mängivad rolli ka tehniliselt põnevate materjalide juures nagu ülijuhid ja magnetid, ning kvantpunktidest koosnevates tehismolekulides, mis peaksid tuleviku kvantraalides andmeid töötlema hakkama.

Ülijuhtides loobuvad elektronid individuaalkäitumisest ja moodustavad paarid. Sellised nn Cooperi paarid juhivad voolu takistuseta. Magnetilistes materjalides, muide, on kõik elektronid, millest igaüks meenutab väikest magnetpulka, joondatud nagu sõjaväeline üksus. Et selliseid materjale põhjalikumalt mõista ja võimalusel nende omadusi parendada, tahavad füüsikud välja uurida, kuidas elektronid koostöist käitumist individuaalse vastu vahetavad ja vastupidi.

Uwe Becker kolleegidega Max Plancki Ühingu Berliini Fritz Haberi Instituudist on nüüd seda käitumist üksikutes elektronides uurinud, ioniseerides lämmastikumolekuli kasvava intensiivsusega röntgenkiirgusega. Sedamööda, kuidas röntgenkiirguse energia kasvab, kasvavad ka väljastatud elektroni kineetiline energia ja kiirus. Kvantfüüsikas, kus elektronid ilmnevad samaaegselt nii osakeste kui lainetena, tähendab see, et nende lainepikkus, mida füüsikud nimetavad de Broglie lainepikkuseks, lüheneb: mida kõrgem on laine energia, seda lühem lainepikkus.

Samamoodi, nagu elektromagnetlainete lainepikkus otsustab, milliseid üksikasju nende läheduses on võimalik hoomata, paraneb nende elektronide hoomamisvõime sedamööda, kuidas nende lainepikkus kahaneb. Mida suurem on energia, seda rohkem teavet nad ümbritseva kohta saavad.

See selgus Berliinis korraldatud katse käigus, kui elektroni lainepikkus kahanes väiksemaks vahemaast lämmastikumolekuli kahe aatomi vahel. Kuna need kaks aatomit on identsed, ei tee röntgenkiir vahet, millise aatomi küljest elektroni lahti lööb. Kuni lahkuva elektroni lainepikkus on suurem aatomitevahelisest distantsist, ei tee elektron vahet, millise aatomi küljest tuli. See isegi ei tea, kust see pärineb.

Enamgi veel, elektron ilmutab isegi sellise elektronipaari omadusi, mille osaelektronid on teekonda alustanud mõlemast aatomist. Tegelikult pendeldab väljapaisatud elektron pidevalt kahe aatomi vahel — kvantmehaaniline ilming, mis avab tee selliste osakeste juurde, mis klassikalise füüsika tingimustes on energeetilistel põhjustel varjatud olekus. Pendeldamise käigus hüppab elektron ülikiiresti kahe lämmastikuaatomi vahel. “Kui see siis väikese kineetilise energiaga (suhteliselt aeglaselt) molekulist lahku lööb, ei tea see enam, millisest aatomist see lahknes,” selgitab Uwe Becker. Teisisõnu käitub üksikaatom nagu pseudopaar, mille pooled on eelnevalt olnud üksikud aatomid — hämmastav fenomen, mis on võimalik vaid kvantfüüsikas.

Seda, et elektron alustab oma teekonda tegelikult elektronide pseudopaarina, teavad füüsikud tänu tuvastamisel elektroni kummagi poole tekitatud iseloomulikule intensiivsusmustrile. Kuna elektronid käituvad lainetena, ühitavad nad end vastastikku nii, et moodustub iseloomulik interferentsimuster — täpselt nagu kaks tiiki langenud kivi ühitavad enda lained teineteise omadega. Selline interferentsimuster ei tõesta mitte ainult, et elektron alustas kahest aatomist, vaid näitab ka elektroni kahe “poole” faaspaarilist ja koostööaldist suhet.

“Kui väljastatud elektroni kiirus ületab teatud väärtuse, seda konkreetset interferentsimustrit enam ei paista,” ütleb Uwe Becker. Seejärel kahaneb de Broglie lainepikkus väiksemaks lämmastikuaatomite vahelisest vahemaast ning elektron suudab “Heisenbergi mikroskoobina” tuvastada, milline aatom ta väljastas. Werner Heisenberg pakkus sellise mikroskoobi idee välja, eeldades, et see suudab osakesi märgata ähmastatud suhte vahendatud energiale rajaneva põrkeprotsessi kaudu ja need seega lokaalselt kinnistada. Kuna tema eluajal sellist mikroskoopi välja töötada ei suudetud, distantseeris ta end hiljem ettepanekust. “Meie eksperiment kujutab endast haruldast näidet just sellise mikroskoobi toimimisest,” selgitab Uwe Becker.

Kuna kiiremad elektronid nüüd oma päritolu teavad, tuleb mängu veel üks nähtus. Varsti pärast elektroni lahkumist või laine kujul levitamist tabab see teist aatomit — kuid eristab nüüd kaht aatomit. Selline takistus laine teel toimib uue lainevalli lähtepunktina. Füüsikud nimetavad seda hajutamiseks. See tähendab, et elektronlaine liigub nüüd samas suunas — nii oma algupärasel, hajutamata, kui hajutatud kujul.

Sama aatomi algupärase ja hajutatud elektroni kaks lainet ühituvad teineteisele nende kahe laine asemel, mis väljastati eri aatomeist. Füüsikud seletavad selle efekti abil tahkete ainete struktuure, rakendades röntgenneelduvus-spektroskoopiat (Extended X-ray Absorption Fine Structure, EXAFS). Siingi ilmneb interferentsimuster, mis edastab teavet hajutavate aatomite olemuse ja asukoha kohta. Ometi erineb see muster kahest madala energiaga aatomist lahutatud elektroni kahe “poole” omast, kuna hajutatud elektron ei tee enam koostööd kaugema elektroniga, vaid ainult hajutamata eelkäijaga. Uwe Becker kirjeldab seda nii: “Lained kummaltki poolt pole enam koherentsed ega seega ka teineteisega fikseeritud faasisuhtes.” See tähendab lihtsalt, et kahe laine tipud ja vaod pole enam teineteisest kindlal kaugusel. Koherents kaob, kuna elektron teab nüüd, millisest aatomist pärineb: see käitub enesekeskselt.

Uwe Becker võrdleb seda füüsikalist fenomeni teatud ühiskondlike arengutega, selgitamaks paremini üleminekut elektronide koostöövalmist käitumisest enesekeskseks. “Niipea, kui inimesed hangivad piisavalt teavet enda ja oma keskkonna kohta, hakkavad nad oma olukorda kajastama,” selgitab füüsik. Käitumine, mis varem oli keskkonna ehk rühma-kollektiivi toimimisega täiuslikus kooskõlas, muutub individuaalsemaks. Seda üleminekut võib praegu jälgida paljudes kultuurides, eriti Lähis-Idas. Põhjus, miks näiteks Taliban püüdis piirata hariduse ja teabe niivõrd lihtsaid avaldumisvorme nagu popmuusika ja filmid, on hirm selle paratamatu protsessi ees, mis ohustab traditsiooniliste, koherentsile rajanevate ühiskondlike struktuuride püsimajäämist.

Selline hirmule rajanev suhtumine ei arvesta aga võimalustega, mida teadmistepõhisel ühiskonnal on pakkuda enesekesksusest hoolimata ühendatud ühiskonna tulevikule, leiab Becker.