#3 Magia Świata Kwantów, czyli Doświadczenie Younga/Eksperyment z Dwoma Szczelinami

Witajcie!

Dziś mamy czwartek, a czwartek to dobry dzień na przedstawienie Wam najbardziej spektakularnego aspektu świata mechaniki kwantowej. Dlaczego czwartek? Bo będzie tłusto. Grubo. Ale młodzieżowiec ze mnie ;) Zaczynajmy. Lepsze niż cycki ;)

Mechanika kwantowa to dla mnie jedna z wielu dziedzin fizyki, gdzie nauka zahacza o czystą magię. Została wymyślona przez bystrzaków pokroju Nielsa Bohra, Wernera Heisenberga, Erwina Schrodingera i paru innych w latach dwudziestych XX wieku. Uwierzcie mi, to nazwiska z najwyższej półki jeśli chodzi o fizykę. Teoria dotyczy zachowań cząstek elementarnych na najniższym zbadanym poziomie rzeczywistości - budulców materii (protony, neutrony, skwarki i bizony... przepraszam kwarki i bozony) i składników energii (fotony i elektrony oraz rzesza innych, ale nie będziemy się zajmować cząstkowym ZOO Modelu Standardowego). Najśmieszniejszym faktem mechaniki kwantowej jest to, że doskonale przewiduje wyniki eksperymentów, obliczenia się zgadzają, wszystko cacy, ale nikt nie wie, dlaczego. Po prostu nie da się wyjaśnić pewnych jej aspketów, bo cząstki elementarne zachowują się, jakby przeczyły znanej logice, pochodziły z innej rzeczywistości niż nasze makroskopowe krzesła, stoły, banany, łabędzie. Albatrosy. Tak. Albatrosy również nie zachowują się kwantowomechanicznie. Nie wiem jak Was, ale mnie to dziwi ;)

W czym rzecz? Co takiego dziwnego jest w elektronach, czego nie można zaobserować u albatrosów? Nie znoszą jajek! A teraz już poważniej. Najpierw wprowadzenie, czyli kilka najdziwniejszych cech cząstek elementarnych. Będzie w punktach, tak, jak lubicie. Sprawdziło się w przypadku gwiazdy neutronowej, bo rzesze fanów piały z zachwytu, więc i tu powielę schemat sukcesu.

1. Superpozycja.

Cząstki elementarne mają tę dziwną właściwość, że mogą znajdować się w wielu miejscach równocześnie. To tak, jakby krzesło stojące obok Was nie zajmowało jednego miejsca w przestrzeni, tylko, na przykład, dwa. Brzmi to... co najmniej dziwnie. W matematyce mówi się, że suma dwóch rozwiązań jest rozwiązaniem równania. Jeśli elektron przebywa drogę od punktu A do punktu B, nie jest to po zwyczajna linia prosta. Jego położenie określa prawdopodobieństwo. Załóżmy, dla uproszczenia, że ma dwie możliwości - lekkim łukiem od A do B na prawo i lekkim łukiem w lewo. Szanse, że elektron przebył drogę jednym lub drugim łukiem wynoszą po 50%. Co w sumie daje 100%, rozwiązanie jest sumą dróg. I teraz najlepsze. To, co napisałem, wygląda na matematykę, czyli po prostu obliczenie na papierze tego, jak mógł zachować sie elektron. Ale ta cwana bestia robi tak naprawdę. Nie w matematycznym a w fizycznym, realnym świecie. Dopóki nie zostanie zaobserwowana, naprawdę poruszą się tymi dwoma torami jednocześnie. Wyjaśnię to później przy opisie doświadczenia Younga, które pokazuje jak na dłoni dziwny aspekt superpozycji.

2. Zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Heisenberg. Nieee, nie ten z Breaking Bad. Jeśli Werner Heisenberg to Interstellar, to Walter White jest Panem Kleksem w Kosmosie. Zasada nieoznaczoności mówi nam, że nie można z dowolną dokładnością zmierzyć dwóch wartości cząstki. Wielkości są sparowane i działa to tak, że im dokładniej mierzymy jedną, tym mniej dokładnie mierzymy drugą. Czyli, na przykład: pęd i położenie. Pęd to masa x prędkość, położenie - to oczywiście położenie browara na stole w oczekiwaniu na mecz Polaków. A browar znajduje się w dwóch miejscach równocześnie... Kupiłem jeden, mam dwa... Ech, rozmarzyłem się. Położenie to po prostu położenie. Czyli: gdzie jest cząstka? I teraz szczypta magii: jeśli zmierzymy z dokładnością X pęd cząstki, jej położenie możemy określić z dokładnością 1/X, czyli odwrotnie propocjonalnie. Im dokładniej zmierzymy pęd, tym mniej dokładnie mierzymy położenie. Czyli - nasuwamy kołdrę na nogi, jest nam coraz zimniej w łepetynę. Chcemy byc sprytni i nasuwamy kołdrę pod szyję - nie starcza jej na zmarznięte stopiszcza. Przelewasz browar z puszki do szklanki i masz go coraz mniej w puszcze, ale więcej w szklance. Patrzysz, jak piana rośnie, zajęty złotym płynem i oczywiście pada gol... Ale chwila, kwantowomechanicznie miało być tylko w świecie cząstek... :) Najlepszym cusiem jest to, że nieoznaczoność nie wynika z niedoskonałości przyrządów pomiarowych. Ona wynika z samej natury rzeczywistości. Kraina Czarów zaczyna się gdzieś na granicy wielkości atomu :) Nie ma możliwości dokonania nieskończenie dokładnego pomiaru każdej z wielkości. Możemy określic bardzo dokładnie, gdzie jest krzesło. Gorzej z albatrosem, bo frunie dziadostwo bardzo szybko. Ale i tak sprawia mniej problemów niż taki elektron. Sam pomiar położenia czy pędu elektronu zmienia stan tego małego ukadu. To tak jakby samym patrzeniem zmieniać jego właściwości.... Tak, tak. Witajcie w świecie kwantów. Obserwując obiekt kwantowy, musimy oświetlić go fotonami. A to zaburza układ.

Inny przykład: wyobraźmy sobie, że wykonujemy zdjęcie aparatem fotograficznym (lub komórką; albo wyobraźmy sobie, że chcemy zrobic sobie selfie z pędzącym a tle samochodem. Będzie trudniej, ale w końcu mechanika kwantowa jest trudna. A jeśli jeszcze uda nam się uchwycić albatrosa, wtedy wygraliśmy wszystko ;)) W zależności od szybkości migawki ruszający się samochód będzie mniej lub bardziej rozmyty. Samochód wyda się dłuższy, będzie bardziej rozmyty, uchwyciliśmy prędkośc, ale pomiar położenia szwankuje. W granicznym przypadku, gdy czas migawki = 0, zmierzyliśmy idealnie jego położenie, ale nie wiemy nic o prędkości. Proste? Jak strzelanie z procy bananem w albatrosa!

3. Dualizm korpuskularno-falowy

Zaczynają się schody. Najprościej wytłumaczyć owo zagadnienie na przykładzie światła. Albert Einstein (za badania nad światłem dostał pierwszą nagrodę Nobla, a nie, jak uważa wielu tłuków-nieuków-pseudo-bloggerów-naukowych, fizycznych amatorów... sami wiecie ;), za teorię względności) i paru innych cwaniaczków fizycznych dowiodło, że światło ma naturę zarówno fali - takiej jak rozchodzące się po stawie koła, gdy wpadnie do niego albatros, oraz cząstki - naszego kochanego fotonu, małej świetlnej kuleczki. Ciekawostka odnośnie fotonu: porusza się z prędkościa światła. Wow! - powiecie. Prędkość światła jest największą możliwą prędkością w naturze, według obecnej wiedzy fizycznej. Diesel, rządzisz! Wiem, wiem ;) Informacje rodem ze żłobka o profilu fizycznym. Ale... Gdy prędkość zbliża się do prędkości światła, efekty relatywistyczne powodują, że zwiększa się masa obiektu, a czas spowalania. Przy prędkości światła masywny obiekt powienien zwiększyć swój ciężar do nieskończoności, a czas = 0. Dlatego foton nie ma masy, jest czystą energią. Ale jest jeszcze jedna ciekawa implikacja faktu z czasem. Dla fotonu czas jest w istocie równy zero. Z jego punktu widzenia porusza się po całym Kosmosie natychmiastowo, bez czasu. Z jego perspektywy, podróżuje z gwiazdy odległej i miliardy lat świetlnych od razu! W zerowym czasie. My widzimy go poruszającego się z prędkością światła, ale, jako że jest to najwyższa prędkość w naturze, jego perspektywa eliminuje czas. Także mogę już wykładać co najmniej w żłobku ;)

Światło jest zarówno falą jak i cząstką. W zależności od rodzaju pomiaru. Jeśli chcemy wykryć falę, wykryjemy falę. Jeśli pragniemy zobaczyć cząstkę, zobaczymy cząstkę. Dziwne? Powoli zbliżamy się do meritum, czyli eksperymetnu z dwoma szczelinami. Fale przejawiają takie właściwości jak intereferencja (nakładanie sie grzbietów bądź dolin, albo wygaszanie, w przypadku nałożenia się doliny i grzbietu - na razie, mam nadzieję, jesteście ze mną). Intereferencja. Szkoda albatrosa, ale pozwolił nam zobaczyć na stawie fale, które idealnie pokazują rozchodzenie się jej w ośrodku. A teraz wyobraźcie sobie, że żona biednego ptaszka zobaczyła, że koleś wpadł do stawu i próbuje go uratować. Daje nura. Pojawiają się drugie fale, od drugiego ptaszyska, które zagłębiło się w odmęty Świtezi. Powstaje drugie źródło fal. I nakładają się, nakładają, bądź wygaszają, wygaszają. Finał jest taki, że albatrosy żyły długo i szczęśliwie, stając się, niejako okazjonalnie, zwierzętami podowodnymi, bo dobrze im tam. A my obserwujemy falową naturę materii. Wszyscy zadowoleni. Dyfrakcja? To ugięcie fali. Trudno to opisać, więc posłużę się obrazkiem. Nadal lepsze niz cycki!

Łeee. Ale przynajmniej ładnie obrazuje, co mam na myśli. Przy szczelinie fala się załamuje. Tyle mamy wiedzieć, bye bye cycki ;)

W przypadku obiektów kwantowych, mamy do czynienia z funkcją falową. Fala opisuje prawdopodobieństwo, z jakim cząstka znajduje się w danym rejonie. Najwięszke prawdopodobieństwo wystąpienia cząstki znajduje się na grzbiecie, maleje wraz z załamywaniem się fali. Niels Bohr uważał, że przy dokonaniu obserwacji funkcja falowa doznaje tzw. kolapsu i taki foton musi określić, 'zdecydować się', w jakim jest położeniu. I wtedy staje się cząstką! Mało ciekawe? Nu pagadi, zajac! Jak to nie! Ale w porządku. Przejdźmy więc do sedna, czyli naszego doświadczenia. Punkty, które opisałem, pozowolą nam lepiej zrozumieć Doświadczenie Younga. Jeśli do tej pory bawiliśmy się w Dorotkę z Kansas, teraz czas na Alicję w Krainie Czarów.

4. Doświadczenie Younga.

W doświadczeniu Younga mamy do czynienia ze źródłem światła, czyli fotonów, dwóch szczelin w płycie stojącej na ich drodze, przez które światło może przejść, oraz ekranie detekcyjnym, na którym widzimy jak fotony, przechodzące przez szczeliny, zatrzymują się, tudzież zostają wykryte. Światło, jako fala, tworzy na ekranie obraz interferencyjny, czyli wzajemne nakładanie się fal z dwóch 'źródeł' - szczelin. Po drodze przez szczeliny fale ulegają jednak dyfrakcji jak na rysunku lepszym od cycków powyżej. Rewelacja, prawda?

Żartowałem. to dopiero wprowadzenie. Takie doświadczenie może Wam pokazać pani od fizyki w podstawówce, zaraz po zajęciach z techniki i robieniu mereżki. Połowa klasy śpi a druga, większa połowa, nie wie o co chodzi. A fizyczka podniecona, nic nie zauważa, tylko swoje dyfrakcje i interefencje. Chociaż, mogę się mylić. Pewnie druga połowa gra w węża na komórce. Mereżka, wąż? OK, może jestem trochę w tyle, ale na szczęście prawa fizyki nie zmieniły się od moich czasów tak bardzo. Niektórzy poszli z duchem czasu i grają w fifę na smartfonie, ja wolę mereżki ;)

Na obrazku przedstawiam, jak bawili się fizycy na początku XX wieku, odkrywając falową naturę światła. Najpierw mamy źródło i szczeliny, drugi rysunek to obraz interferencyjny na ekranie.

1 - źródło światła
2 - detektor - niespodzianka
3 - ekran - detekcja obrazu interferencyjnego

Sam obraz interferencyjny na ekranie wygląda tak:

Na razie nie ma w tym nic niezwykłego. Światło załamuje się na szczelinach, intererferuje ze sobą i daje obraz wyglądający jak widok oglądany co ranka przez pensjonariuszy wesołego zakładu we Wronkach. Albo bardziej upierdliwych i niebezpiecznych kuracjuszy naszego pięknego Zamku w Lubiążu. Kto wie, gdyby wsadzili tam fizyka, może widziałby zamiast krat doświadczenie Younga? ;) I pewnie paru z nich już tam siedzi, znając cienka linię między geniuszem a szeleństwem. Co dalej? Teraz postaram się Was zaskoczyć. Zaszokować. I nie, nie jestem fizykiem z Lubiąża obserwującym albatrosy przez okno swej celi ;)

Panowie fizycy w dwudziestym wieku bawili sie i podziwiali obraz interferencyjny i falową naturę światła. Nie budziło ono wielu kontrowersji. Jednak w świetle praw mechaniki kwantowej i interpretacji doświadczenia zaczęły, jak grzyby po deszczu, wyrastać kolejne zagadki. Ktoś bardzo mądry i niebaczny konsekwencji postanowił w miejsce ciągłego źródła światła (1. na rysunku) wypuścić pojedyncze fotony. Zwykłe cząstki. Wydawałoby się, że foton powinien wybrać którąś ze szczelin i zaznaczyć swoją obecność punktem na ekranie, prawda? Wyobraźcie sobie kulkę, którą spuszczacie z góry po jakimś tam blacie, w którym jest przegródka z dwoma dziurami. Naturalnie musi ona przelecieć przez którąś z nich. No chyba, że ją zepsujecie ;) Fotony też tak robią. Przechodzą przez szczelinę. Ale... przez dwie na raz.

Okazało się, że pomimo, iż wypuszczono pojedynczy foton, na ekranie nadal widniał obraz interferencyjny. Jakby foton, pojedyncza cząstka, nadal była falą i przeszła przez dwie szczeliny jednocześnie! Zauważcie, że fala mogła to zrobić - stworzyć nakładające się grzbiety na ekranie i namalować paski swoim falowym pędzelkiem. Ale jak mogła tego dokonać pojedyncza cząstka? Czyżby też miała zapędy artystyczne? Po prostu, foton przechodził przez szczeliny jako swoja funkcja falowa. Zaobserwowany był dopiero na ekranie i tam pokazał, w jaki sposób przebył drogę - a przebył ją jako fala. Przebył ją w stanie superpozycji, w dwóch miejscach jednocześnie. Szokujące? Nie? Proszę, naprawdę? ;) A co powiecie na fakt, że dopiero detekcja mówi, jaką drogę przebyła cząstka? Że... skutek określa przyczynę? I co teraz? ;) Takie są implikacje dalszej części doświadczenia Younga.

5. W takim razie idźmy dalej.

Ktoś chciał być sprytniejszy niż dwuznaczny foton i umieścił w punkcie nr 2 detektor-niespodziankę. Bo skoro mamy obraz interferencyjny z pojedynczego fotonu, dobrze byłoby wiedzieć, co robił on po drodze. Po prostu fajnie byłoby przyłapać go na gorącym uczynku, jak beztrosko uskutecznia rozdwojenie jaźni i wesoło przechodzi przez dwie szczeliny na raz.

Umieszczono detektor. Złapano foton. Przeszedł przez jedną szczelinę. Popatrzono na ekran. Obraz interferencyjny... zniknął. Kolega fotonu, wystrzelony przed naszym obserwowanym osobnikiem, pozbawiony nadzoru w punkcie dwa, przeszedł przez dwie szczeliny naraz. Ale już kolejny, pilnie podpatrywany w momencie przechodzenia przez szczelinę, wybrał tylko jedną. Obraz na ekranie to pojedynczy punkt. Jak gdyby nigdy nic, foton zwinął superpozycję, obserwacja dokonała kolapsu jego funkcji falowej i musiał wybrać szczelinę. To wygląda trochę tak, jakby wiedziały, że są obserwowane, prawda? Nieładnie nas podglądać, panowie naukowcy! Fotony śpiewają pod prysznicem, ale gdy ktoś wchodzi, gwiżdżą tylko cichutko ;)

No dobra, usuniemy kamerę. Foton numer trzy. Dwie szczeliny naraz, interferencja. Cholera jasna... co z wami nie tak, fotony?! Może trochę ubarwiam, ale takie są fakty. Takie zjawiska naprawdę zachodzą. fotony dosłownie 'wiedzą', że są obserwowane. Nie wiemy, jakie mechanizmy kierują ich zachowaniem. Wiemy tylko, że tak jest. I zawsze się powtarza. Mechanika kwantowa daje jednoznaczne przewidywania, ale niejasne są jej podstawy. To coś bardzo głębokiego, jakieś sekretne mechanizmy, które rządzą światem kwantów, a które są dla nas ukryte. Może kiedyś... Gdy już będziemy wiedzieć, że nasz świat to symulacja komputerowa, zapytamy Architekta. Ale pewnie i tak będzie kłopot, którą bramkę wybrać. Knock, knock, Neo ;)

6. I na koniec:

Żartuję, albatrosy zostawiamy na chwilę w spokoju. Raczej nie są kwantowomechaniczne. Chociaż nie jestem do końca pewien. Ta rozpiętość skrzydeł, ten rozmach... ;)

Załóżmy, że punkcie 3. czyli ekranie umieścimy detektor fali lub cząstek. To znaczy, że jeśli foton przeszedł przez szczelinę jako fala, czyli przez dwa otwory naraz, nasz detektor, nastawiony na wykrycie fali, potwierdzi to. Możemy też ustawić go na wykrycie cząstki i, jeśli foton przejdzie przez jedną szczelinę, detekcja nastawiona na cząstki powie nam 'bingo'.

Ale w tym momencie zaczynają się dziać kuriozlane rzeczy. Bo jeśli nastawimy detektor na wykrycie cząstki, wykryje cząstkę. Foton przeszedł przez jedną szczelinę. Przestawiamy detekcję na falę i wykrywamy falę - foton przeszedł przez dwie szczeliny naraz. Jednakowoż, dzieje się to po fakcie. Jakbyśmy dostawali to, czego oczekujemy. Oczekujemy fali - dostajemy falę. Oczekujemy cząstki - dostajemy albatrosa. Oczywiście żartuję, otrzymujemy cząstkę. Ale zauważcie, że foton najpierw przechodzi przez szczelinę, potem trafia do detektora. Jednak to detektor decyduje, jak foton przeszedł przez szczelinę... Obserwacja decyduje nie tylko o rzeczywistości, nie tylko! Ona decyduje o tym, co się stało w przeszłości. Skutek wpływa na przyczynę. To tak jakby polecieć samolotem z Wrocławia do Warszawy i na lotnisku stwierdzić, że właściwie to jechaliśmy samochodem. Witajcie w świecie kwantów.

Podobnie dzieje się nie tylko z fotonami, ale także elektronami, atomami, nawet z całymi molekułami. To nie dziwna natura światła implikuje zatrważające cechy nano-świata. Materia również ma naturę falowo-korpuskularną. Pogubieni? Nic nie szkodzi.

Niels Bohr powiedział kiedyś, że jeśli teoria kwantów nie szokuje cię, to zupełnie nic z niej nie rozumiesz. Szokujące jest także to, że obserwacja wpływa na rzeczywistość. Tak postulował Bohr. To tak zwana interpretacja kopenhaska, kontrowersyjna, przez wielu odrzucana, ale przez wielu innych akceptowana. Einstein nie zgadzał się z Nielsem Bohrem i pytał: 'czy Księżyc istnieje tylko dlatego, że na niego patrzysz?'

Pytanie jest otwarte. Nie jest to kwestia interpretacji, tylko badań. Może istnieje granica, gdzie kończą się efekty kwantowe, a gdzie zaczyna 'normalna' mechanika newtonowska, przewidywalna i logiczna? Dziś stworzono układy, które zachowują się kwantowomechanicznie już na poziomie 60 atomów. Stworzono też qubit, jednostkę danych w komputerach kwantowych, melodii przyszłości, który ma wielkość 40 mikrometrów/tryliona atomów/jest widoczny gołym okiem. Są już obecne makroskopowe efekty kwantowe, jednak nadal nie wiemy, gdzie przebiega granica. To trochę jak z Kingsajzem: panują inne zasaday, w końcu w normalnym świecie nikt nie zjadłby 'muchy na dziko'.

A może granicy po prostu nie ma? I gdy dziecko zostawione samo w pokoju robi straszny bałagan, wchodzi mama, dokonuje obserwacji a brzdąc szybko uśmiecha się - dokonuje się jego kolaps do jednego, beztroskiego stanu - mama wychodzi, maluch wraca do chaotycznej superpozcyji rozrzuconych żołnierzyków i połamanych resoraków... to także efekt kwantowy w skali makro? To zabawne porównanie przytoczył kiedyś pewien fizyk, podoba mi się, ale proszę, nie bierzecie go na poważnie. Przedszkolaki nie są kwantowe, ich mamy i pokoje też nie. To tylko analogia ;)

Potrzeba kolejnych doświadczeń i przekonujących rezultatów, aby określić, co tak naprawdę dzieje się w świecie kwantów. Ale dotychczasowe wnioski teorii naprawdę jeżą włos na głowie i mogą przysporzyć niejednego siwego włosa. Dosłownie, widzisz to, co chcesz zobaczyć. Chcesz zobaczyć falę? Widzisz falę. Chcesz zobaczyć cząstkę? Proszę bardzo. Jednak świat cząstek elementarnych nie tak bardzo odbiega od naszych psychologicznych mechanizmów, prawda? :)

Skąd to wszystko wiem? Godziny spędzone na obserwowaniu albatrosów wędrownych prowadzą do wysnuwania zaskakujących wniosków.

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys