Paikantaminen (Fysiikka)
Jonkin asian paikantaminen, jonkin asian sijainnin löytäminen tai määrittäminen, on nykyaikaisen tieteen perusajatus. Jotta fysiikassa voitaisiin sanoa, mitä "paikallistaminen" tai "paikantaminen" tarkoittaa, meidän on selitettävä selkeällä puheella, miten me teemme jonkin paikantamisen.
Meidän kokoisillemme asioille käytämme yleensä kahta alkupistettä, jotka kaikki tuntevat, ja sitten mittaamme näistä pisteistä kohteeseen, jolle haluamme antaa sijainnin. Saatamme aloittaa Plymouth Rockista ja Blarney Stone -kivestä. Voisimme sitten sanoa: "Kapteeni Smithin laiva on 1400 mailia Plymouth Rockista kohti Blarney Stonea." Tai toisessa tapauksessa voisimme sanoa: "Kapteeni Jonesin laiva löytyy piirtämällä viiva Plymouth Rockista Blarney Stoneen, etsimällä piste 700 mailia tätä viivaa pitkin Plymouth Rockista, kääntymällä 90° vasemmalle Plymouth Rockista tähän pisteeseen päästyään ja kulkemalla vielä 90 mailia.
Jos meillä on jokin hyvä tapa tietää kompassisuuntia, voimme sanoa jotakin sellaista kuin: "Mene kolme mailia pohjoiseen tuosta suuresta valkoisesta kivestä ja sitten kaksi mailia itään tuosta pisteestä. Sinne laitoin kullan."
Tavallisesti jonkin asian sijainnin löytäminen tapahtuu näkemällä se jossakin, kuulemalla se jossakin, tuntemalla se jossakin jne. Joskus tiedämme, missä jokin on katsomalla valokuvaa, etsimällä sen tutkalla tai pengertämällä sitä kaikuluotaimella.
On paljon vaikeampaa paikantaa elektronia, fotonia tai mitään muuta noin pientä. Voimme rakentaa valonlähteen, joka tuottaa vain yhden fotonin kerrallaan. Voimme suunnata valonlähteen valokuvausfilmiin, antaa valonlähteen tuottaa yhden fotonin ja kehittää sitten valokuvausfilmin. Jos meillä olisi erittäin herkkä valokuvausfilmi, jonka voisi tummentaa vain yksi fotoni, löytäisimme pienen hopeahiukkasen, johon fotoni päätyi. Hopea-atomi on paljon suurempi kuin fotoni, joten olisi epäselvää, mihin fotoni päätyi, mutta ihmiset olisivat luultavasti samaa mieltä siitä, että fotonin on täytynyt päätyä jonnekin hopea-atomin muodostaman kohteen sisälle. Voimme kuitenkin vain sanoa, että fotonin on täytynyt olla siinä pisteessä, kun se lopetti olemassaolonsa. Kun elektroni absorboi fotonin, se luovuttaa energiansa elektronille ja katoaa. Kun se siis oli hetken aikaa jossakin tietyssä paikassa, se menetti välittömästi kaiken liikkeensä.
Toinen tapa paikantaa fotoni on saada se kulkemaan pienen paikan läpi. Kun tiedämme, milloin valonlähde lähettää fotonin, ja tunnemme valon nopeuden, voimme tietää, milloin fotonin on kuljettava filmille johtavan reiän läpi. Voimme vähitellen päästä yhä lähemmäksi ja lähemmäksi sitä, että saamme selville tarkalleen, missä se on lennon keskellä. Sen siitä eteenpäin kulkema reitti muuttuu kuitenkin yhä hurjemmaksi. Tämä johtuu siitä, että kun fotoni kulkee tuollaisen reiän läpi, se kokee diffraktiota.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on modernin tieteen perusajatus?
V: Nykyaikaisen tieteen perusajatus on jonkin asian paikantaminen tai jonkin asian sijainnin löytäminen ja määrittäminen.
K: Miten me yleensä paikannamme asioita kokoluokastamme?
V: Käytämme yleensä kahta alkupistettä, jotka kaikki tuntevat, ja mittaamme sitten näistä pisteistä kohteeseen, jolle haluamme antaa sijainnin.
K: Miten voimme löytää aluksen sijainnin?
V: Voisimme sanoa: "Kapteeni Smithin laiva on 1400 mailia Plymouth Rockista ja kulkee kohti Blarney Stonea". Tai toisessa tapauksessa voisimme sanoa: "Kapteeni Jonesin laiva löytyy piirtämällä viiva Plymouth Rockista Blarney-kivelle, etsimällä piste 700 mailia tätä viivaa pitkin Plymouth Rockista, kääntymällä 90° vasemmalle saavuttaessamme tämän pisteen Plymouth Rockista ja kulkemalla sitten vielä 90 mailia lisää. Jos meillä on jokin hyvä tapa tietää kompassisuuntia, voimme sanoa jotakin sellaista kuin: "Mene kolme mailia pohjoiseen tuosta suuresta valkoisesta kivestä tuolla ja sitten kaksi mailia itään tuosta pisteestä. Sinne laitoin kullan."
K: Miten paikannetaan pienet kohteet, kuten elektronit tai fotonit?
V: Elektronin tai fotonin paikantaminen on paljon vaikeampaa kuin suurempien kohteiden. Yksi tapa paikantaa ne olisi rakentaa valonlähde, joka tuottaa vain yhden fotonin kerrallaan, ja kohdistaa se valokuvausfilmiin; jos käytettäisiin erittäin herkkää valokuvausfilmiä, jonka vain yksi fotoni voisi tummentaa, hopealla olisi pieni pilkku, johon se päätyi. Toinen tapa olisi saada se kulkemaan pienen paikan läpi; kun tiedämme, milloin valonlähde lähettää fotonin ja sen nopeuden, voimme tietää, milloin sen on kuljettava mainitun reiän läpi matkallaan kohti valokuvausfilmiä.
Kysymys: Mitä tapahtuu, kun fotonit absorboituvat elektroneihin?
V: Kun fotonit absorboituvat elektroneihin, ne luovuttavat energiansa elektronille ja häviävät. Kun ne siis ovat hetken aikaa jossakin tietyssä paikassa, ne menettävät välittömästi kaiken liikkeen.
