Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

W sercu mechaniki kwantowej

W sercu mechaniki kwantowej
Richard Feynman, jeden z najwybitniejszych fizyków XX stulecia, twierdził, że kluczem do zrozumienia istoty mechaniki kwantowej jest "eksperyment z dwiema szczelinami". To pojęciowo proste doświadczenie, wykonywane współcześnie, wciąż dostarcza zaskakujących odkryć. Pokazują one, jak niezgodna ze zdrowym rozsądkiem jest mechanika kwantowa, która przecież doprowadziła do najważniejszych wynalazków ostatniego półwiecza.
1. Thomas Young (1773-1829)

Po raz pierwszy eksperyment z dwiema szczelinami przeprowadził Thomas Young (1), w Anglii, na początku dziewiętnastego stulecia.

Doświadczenie Younga

Eksperyment posłużył do pokazania, że światło ma naturę falową, a nie korpuskularną, jak wcześniej twierdził Izaak Newton. Young po prostu zademonstrował, iż światło podlega interferencji - zjawisku, które jest najbardziej charakterystyczną cechą ruchu falowego (niezależnie od rodzaju fali i ośrodka, w jakim się ona rozchodzi). Dziś mechanika kwantowa godzi oba te logicznie sprzeczne ze sobą poglądy.

Przypomnijmy, na czym polega istota eksperymentu z dwiema szczelinami. Zwyczajowo, odwołam się do fali na powierzchni wody, jaka rozchodzi się koncentrycznie wokół miejsca, do którego został wrzucony kamyk. 

Falę tworzą kolejne grzbiety i doliny, rozbiegające się promieniście z miejsca zaburzenia, zachowując stałą odległość między grzbietami, którą nazywamy długością fali. Możemy na drodze fali umieścić przegrodę, np. w postaci deski z wyciętymi dwiema wąskimi szczelinami, przez które woda jest w stanie swobodnie przepływać. Po wrzuceniu kamyka do wody fala zatrzymuje się na przegrodzie - ale nie całkiem. Do drugiej strony przegrody z obydwu szczelin rozchodzą się teraz dwie nowe koncentryczne fale (2). Nakładają się one na siebie, czyli - jak mówimy - interferują ze sobą, tworząc charakterystyczny obraz na powierzchni. W miejscach, gdzie grzbiet jednej fali spotyka się z grzbietem drugiej, następuje wzmocnienie wybrzuszenia wody, a tam gdzie dolina spotyka się z doliną - pogłębienie depresji.

2. Interferencja fal wybiegających z dwóch szczelin

W eksperymencie Younga jednobarwne światło wysyłane z punktowego źródła przechodzi przez nieprzezroczystą przesłonę z dwiema wyciętymi szczelinami i pada na umieszczony za nimi ekran (dziś użylibyśmy raczej światła lasera i matrycy CCD). Na ekranie obserwowany jest obraz interferencyjny fali świetlnej, w postaci szeregu na przemian jasnych i ciemnych prążków (3). Ten wynik ugruntował przekonanie, że światło jest falą, zanim odkrycia z początku XX wieku pokazały, że jest ono również strumieniem fotonów - cząstek światła niemających masy spoczynkowej. Okazało się później, że ten tajemniczy dualizm fala-cząstka, wykryty najpierw dla światła, odnosi się także do innych cząstek obdarzonych masą. Wkrótce stał się on podstawą nowego, kwantowo-mechanicznego opisu świata.

3. Wizja eksperymentu Younga

Cząstki też interferują

W roku 1961 Claus Jonsson na Uniwersytecie w Tübingen zademonstrował interferencję masywnych cząstek - elektronów, wykorzystując do tego celu mikroskop elektronowy. Dekadę później trzej włoscy fizycy z Uniwersytetu w Bolonii przeprowadzili podobny eksperyment z interferencją pojedynczego elektronu (stosując tzw. bipryzmat zamiast podwójnej szczeliny). Zmniejszyli natężenie wiązki elektronów do tak małej wartości, że elektrony przechodziły przez bipryzmat pojedynczo, jeden po drugim. Elektrony te były rejestrowane na ekranie fluoryzującym.

Początkowo ślady elektronów rozkładały się na ekranie chaotycznie, ale w miarę upływu czasu formowały wyraźny prążkowy obraz interferencyjny. Wydaje się niemożliwe, żeby dwa elektrony, przelatując kolejno przez szczeliny w różnych chwilach, mogły ze sobą interferować. Musimy zatem przyjąć, że pojedynczy elektron interferuje sam ze sobą! Ale wtedy elektron musiałby przejść jednocześnie przez obie szczeliny.

Można pokusić się o zaobserwowanie, przez którą szczelinę w istocie przeszedł elektron. Później zobaczymy, jak przeprowadzić taką obserwację, nie zakłócając jednocześnie ruchu elektronu. Okazuje się, że jeśli uzyskamy informację, którą drogą przeszedł elektron, to interferencja… znika! Informacja "którą drogą" niszczy interferencję. Czy to oznacza, że obecność świadomego obserwatora wpływa na przebieg procesu fizycznego?

Zanim opowiem o jeszcze bardziej zaskakujących wynikach eksperymentów z dwiema szczelinami, wtrącę małą dygresję związaną z wielkością interferujących obiektów. Kwantową interferencję obiektów obdarzonych masą wykryto najpierw dla elektronów, a później dla cząstek o coraz większej masie: neutronów, protonów, atomów i wreszcie dla dużych cząsteczek chemicznych.

W 2011 r. padł rekord wielkości obiektu, na którym zademonstrowano zjawisko kwantowej interferencji. Eksperyment był przeprowadzony na Uniwersytecie w Wiedniu przez ówczesną doktorantkę Sandrę Eibenberger i jej współpracowników. Do eksperymentu z dwiema szczelinami wybrano złożoną cząsteczkę organiczną, która zawierała ok. 5 tys. protonów, 5 tys. neutronów i 5 tys. elektronów! W bardzo trudnym doświadczeniu zaobserwowano interferencję kwantową tej ogromnej cząsteczki.

Potwierdziło to przekonanie, że nie tylko cząstki elementarne podlegają prawom mechaniki kwantowej, ale każdy obiekt materialny. Tyle tylko, że im bardziej skomplikowany obiekt, tym silniej oddziałuje on z otoczeniem, co zakłóca jego subtelne właściwości kwantowe i niszczy efekty interferencyjne.

Splątanie kwantowe i polaryzacja światła

Najbardziej zdumiewające rezultaty eksperymentów z dwiema szczelinami pojawiły się, gdy zastosowano specjalny sposób śledzenia fotonu, niezaburzający w żaden sposób jego ruchu. Sposób ten wykorzystuje jedno z najdziwniejszych zjawisk kwantowych, jakim jest tzw. splątanie kwantowe. Na zjawisko to zwrócił uwagę już w latach 30. ubiegłego wieku jeden z głównych twórców mechaniki kwantowej, Erwin Schrödinger.

Sceptyczny Einstein (zobacz także: Komputery kwantowe: wymyślić maszynę - i zadanie dla niej) nazwał je upiornym działaniem na odległość. Dopiero jednak pół wieku później zdano sobie sprawę ze znaczenia tego efektu, a dziś stał on się przedmiotem szczególnego zainteresowania fizyków.

Na czym polega ów efekt? Jeżeli dwie cząstki przebywające w pewnym momencie blisko siebie oddziaływały ze sobą tak silnie, że wytworzyły rodzaj "związku bliźniaczego", to związek ten pozostaje zachowany nawet wówczas, gdy cząstki oddalą się od siebie na setki kilometrów. Cząstki zachowują się wówczas jak pojedynczy układ. Oznacza to, że gdy dokonujemy jakiegoś działania na jednej cząstce, natychmiast wpływa ono na drugą cząstkę. Nie możemy jednak w ten sposób bezczasowo przesyłać informacji na odległość.

Foton jest bezmasową cząstką - elementarną porcją światła, będącego falą elektromagnetyczną. Światło po przejściu przez płytkę wykonaną z odpowiedniego kryształu (zwaną polaryzatorem) staje się liniowo spolaryzowane, tzn. wektor pola elektrycznego fali elektromagnetycznej drga w określonej płaszczyźnie. Z kolei, przepuszczając spolaryzowane liniowo światło przez płytkę o określonej grubości wykonanej z innego specyficznego kryształu (tzw. płytkę ćwierćfalową), można przekształcić je w światło spolaryzowane kołowo, w którym wektor pola elektrycznego porusza się ruchem śrubowym (prawo- lub lewoskrętnym), wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali. Odpowiednio, możemy mówić o fotonach spolaryzowanych liniowo lub kołowo.

Eksperymenty ze splątanymi fotonami

4a. Nieliniowy kryształ BBO konwertuje foton emitowany przez laser argonowy na dwa splątane fotony o dwukrotnie mniejszej energii i wzajemnie prostopadłej polaryzacji. Fotony te wybiegają w różnych kierunkach i są rejestrowane przez detektory D1 i D2, połączone licznikiem koincydencji L.K. Na drodze jednego z fotonów umieszczona jest przesłona z dwiema szczelinami. Gdy obydwa detektory zarejestrują niemal jednoczesne przybycie obu fotonów, sygnał jest zapisany w pamięci urządzenia, a detektor D2 zostaje krokowo przesunięty równolegle do szczelin. Zapisana w ten sposób liczba zliczeń fotonów w funkcji położenia detektora D2, pokazana w ramce, wykazuje maksima i minima świadczące o interferencji.

W roku 2001 zespół fizyków brazylijskich w Belo Horizonte wykonał pod kierunkiem Stephena Walborna niezwykły eksperyment. Jego autorzy wykorzystali właściwości specjalnego kryształu (w skrócie zwanego BBO), który przetwarza pewną część fotonów emitowanych przez laser argonowy na dwa fotony o dwukrotnie mniejszej energii. Te dwa fotony są wzajemnie splątane; gdy jeden z nich ma np. polaryzację poziomą, to drugi - polaryzację pionową. Fotony te wybiegają w dwóch różnych kierunkach i w opisywanym eksperymencie spełniają odmienne role.

Jeden z fotonów, który będziemy nazywać kontrolnym, dociera bezpośrednio do detektora fotonów D1 (4a). Detektor rejestruje jego przybycie, wysyłając sygnał elektryczny do urządzenia, które nazywa się licznikiem koincydencji, L.K. Drugi foton jest tym, na którym będzie przeprowadzony eksperyment interferencyjny; nazwiemy go fotonem sygnałowym. Na jego drodze umieszczona jest podwójna szczelina, a za nią drugi detektor fotonów D2, nieco bardziej oddalony od źródła fotonów niż detektor D1. Detektor ten może skokowo zmieniać swoje położenie względem podwójnej szczeliny, za każdym razem, gdy otrzyma odpowiedni sygnał z licznika koincydencji. Gdy detektor D1 zarejestruje foton, wysyła sygnał do licznika koincydencji. Jeśli chwilę później również detektor D2 zarejestruje foton i prześle sygnał do licznika, ten uzna, że pochodzi on od fotonów splątanych i fakt ten zostanie zapisany w pamięci urządzenia. Taka procedura wyklucza rejestrowanie przypadkowych fotonów padających na detektor.

Zapisywanie splątanych fotonów trwa przez 400 sekund. Po tym czasie detektor D2 zostaje przesunięty o 1 mm względem położenia szczelin i zliczanie splątanych fotonów trwa kolejne 400 sekund. Następnie, detektor znów zostaje przesunięty o 1 mm i procedura jest powtarzana wielokrotnie. Okazuje się, że zapisany w ten sposób rozkład liczby zliczeń fotonów w funkcji położenia detektora D2 wykazuje charakterystyczne maksima i minima odpowiadające jasnym i ciemnym i prążkom interferencyjnym w eksperymencie Younga (4a).

Przekonujemy się znów, że pojedyncze fotony przechodzące przez podwójną szczelinę interferują same ze sobą.

Którą drogą?

Następny krok eksperymentu polegał na określeniu, przez którą szczelinę przeszedł konkretny foton, nie zakłócając przy tym jego ruchu. Wykorzystano tu właściwości płytki ćwierćfalowej. Przed każdą szczeliną umieszczono płytkę ćwierćfalową, z których jedna zmieniała polaryzację liniową padającego fotonu na kołową prawoskrętną, a druga zmieniała ją na polaryzację kołową lewoskrętną (4b). Sprawdzono, że rodzaj polaryzacji fotonu nie ma żadnego wpływu na liczbę zliczanych fotonów. Teraz, wyznaczając skrętność polaryzacji fotonu po jego przejściu przez szczeliny, można wskazać, przez którą z nich przeszedł foton. Znajomość "którą drogą" niszczy interferencję.

4b. Po umieszczeniu przed szczelinami płytek ćwierćfalowych (zakreskowane prostokąty) można uzyskać informację "którą drogą" i obraz interferencyjny znika.
4c. Umieszczenie przed detektorem D1 odpowiednio zorientowanego polaryzatora P wymazuje informację "którą drogą”"i przywraca interferencję.

Rzeczywiście, po odpowiednim umieszczeniu płytek ćwierćfalowych przed szczelinami, znika uprzednio obserwowany rozkład zliczeń, który świadczył o interferencji. Najdziwniejsze jest, że dzieje się to bez żadnego udziału świadomego obserwatora, który mógłby przeprowadzić odpowiedni pomiar! Samo umieszczenie płytek ćwierćfalowych wywołuje efekt wygaszenia interferencji. Skąd zatem foton wie, że po włożeniu płytek możemy określić szczelinę, przez którą przeszedł?

To jednak jeszcze nie koniec dziwności. Możemy teraz przywrócić interferencję fotonu sygnałowego, nie oddziałując bezpośrednio na niego. W tym celu na drodze fotonu kontrolnego docierającego do detektora D1 umieszczamy polaryzator w taki sposób, żeby przepuszczał światło o polaryzacji, która jest kombinacją polaryzacji obydwu splątanych fotonów (4c). To natychmiast modyfikuje odpowiednio polaryzację fotonu sygnałowego. Teraz nie można z całą pewnością określić, jaka jest polaryzacja fotonu padającego na szczeliny i przez którą szczelinę foton przeszedł. W tym przypadku interferencja zostaje przywrócona!

Wymazywanie informacji z opóźnionym wyborem

Eksperymenty dotąd opisane były prowadzone w ten sposób, że foton kontrolny był rejestrowany przez detektor D1, zanim foton sygnałowy dotarł do detektora D2. Wymazanie informacji "którą drogą" zostało dokonane przez zmodyfikowanie polaryzacji fotonu kontrolnego, zanim jeszcze foton sygnałowy dotarł do detektora D2. Możemy zatem wyobrażać sobie, że foton kontrolny zdążył poinformować swojego "bliźniaka", co ma dalej robić: interferować czy nie.

Zmodyfikujmy teraz eksperyment w ten sposób, ażeby foton kontrolny docierał do detektora D1 już po zarejestrowaniu fotonu sygnałowego na detektorze D2. W tym celu odsuńmy detektor D1 dalej od źródła fotonów. Obraz interferencyjny pojawia się jak poprzednio. Umieśćmy teraz płytki ćwierćfalowe przed szczelinami, aby określić, którą drogą przeszedł foton. Obraz interferencyjny znika. Następnie wymażmy informację "którą drogą", przez umieszczenie odpowiednio zorientowanego polaryzatora przed detektorem D1. Obraz interferencyjny pojawia się ponownie! A przecież wymazania dokonaliśmy już po zarejestrowaniu fotonu sygnałowego przez detektor D2. Jak to możliwe? Foton musiał wiedzieć wcześniej o zmianie polaryzacji, zanim jakakolwiek informacja o tym mogłaby do niego dotrzeć.

5. Eksperymenty z wiązką światła laserowego.

Zostaje tu odwrócona naturalna sekwencja zdarzeń; skutek wyprzedza przyczynę! Ten wynik podważa zasadę przyczynowości, obowiązującą w otaczającej nas rzeczywistości. A może w przypadku splątanych cząstek czas nie odgrywa roli? Splątanie kwantowe łamie bowiem zasadę lokalności obowiązującą w fizyce klasycznej, która mówi, że na dany obiekt można oddziaływać jedynie poprzez najbliższe otoczenie tego obiektu.

Od czasu brazylijskiego eksperymentu przeprowadzono bardzo wiele doświadczeń podobnego rodzaju, które w pełni potwierdziły przedstawione tu wyniki. Czytelnik chciałby zapewne, żeby na koniec wyjaśnić w sposób zrozumiały, na czym polega tajemnica tych nieoczekiwanych zjawisk. Niestety, nie da się tego zrobić. Logika mechaniki kwantowej jest inna niż logika świata oglądanego na co dzień. Musimy przyjąć to z pokorą i cieszyć się tym, że prawa mechaniki kwantowej dokładnie opisują zjawiska zachodzące w mikroświecie, które z pożytkiem wykorzystywane są w coraz bardziej wyrafinowanych urządzeniach technicznych.

Tadeusz Figielski