#58 Cienie Superpozycji, czyli Efekt Aharonova-Bohma

0. Wstęp.

Dziś opowiem Wam bajkę o tym, jak superpozycja może rzucać cień na masywny obiekt, a może odwrotnie? W każdym razie, niesamowicie ciekawego wpływu pól: grawitacyjnego i magnetycznego na superpozycję elektronów będzie dziś pod dostatkiem. Naładuję cały wagon wolframu, rubidu, i spróbuję go pociągnąć. Jak to możliwe, dowiecie się już za chwilę.

1. Na początek pole magnetyczne. Grawitacja druga w kolejce... po węgiel.

Jak pole magnetyczne może wpływać na cząstki, które nigdy w nim nie przebywały? Może. Jak to możliwe? Nie wiem, ale będę apelował... tzn. drążył, aż sam się nie usatysfakcjonuję. Musicie wiedzieć, że pisanie na @diesphys to dla mnie niezwykła przygoda, mogę krążyć niczym motyl po salach wykładowych, w których nigdy nie byłem i raczej na pewno nie będę. Mogę popatrzyć prosto w oczy Davidowi Bohmowi i powiedzieć mu: 'aha, mam Cię bratku! Powinieneś być w pracowni badawczej, a nie szlajać się po @diesphys' ;)

To oczywiście żart.

Teraz, do rzeczy...

W fizyce kwantowej cząstki mogą odczuwać wpływ pola magnetycznego nawet, jeśli nigdy nie były z nim w styczności. Jak dziś wiadomo, efekt ten rozszerza się od magnetyzmu aż po pola grawitacyjne, czyli ugiętą czasoprzestrzeń. Czyli - czasoprzestrzeń wpływa na superpozycję cząstek, nawet jeśli nie styka się z nimi bezpośrednio. Hmmmm. Na razie spokój, włosy nie stanęły mi dęba. Phi. Wielkie halo. Idźmy dalej. Po co zastanawiać się nad czymś, co działa (mówię tu o mechanice kwantowej), nie do końca wiadomo jak i dlaczego, ale daje dobre wyniki? To tak jakbyście chcieli zadać pytanie kurze, która znosi 40 jajek dziennie po co to robi, jak to robi i dlaczego to robi. Wtedy kura odpowiedziałaby: 'phi'. ;)

Zwykle, aby cząstka mogła odczuć wpływ pola, musi przez nie przejść. Jednak w 1959 roku fizycy David Bohm oraz Yakir Aharonov przewidzieli, że w określonej sytuacji konwencjonalna wiedza zawodzi. Pole magnetyczne zawarte w obszarze cylindrycznym może wpływać na elektrony, które nigdy nie stykały się z, ani nigdy nie były w cylindrze.

Następnie: na scenie pojawia się superpozycja. Dzień dobry ;) W danym przykładzie elektrony nie mają ściśle określonego położenia, znajdują się w superpozycji. Jest to stan kwantowy opisany przez prawdopodobieństwo pojawienia się elektronu w dwóch różnych miejscach. Każda cząstka, która zostatała objęta 'rozdwojeniem' obiera jednocześnie dwie ścieżki (poszperajcie na @diesphys, znajdzie się coś o superpozycji :)) wokół pola magnetycznego cylindra wytwarzającego je. Skoro mowa o cylindrze, wyciągamy królika. Jest biały, ale nie podążajcie za nim ;)

Pomimo iż pole magnetyczne nie wpływa na elektron i nie traktuje go żadną siłą, owo pole przyjmuje kształt, który sugeruje, że cząstki przez niego przeszły i znajdują się za cylindrem. Dajcie mi tego królika, który tu był przed chwilą... :D

2. Grawitacja zamiast magnetyzmu. Przenosimy się szczebelek wyżej w kategorii 'trudność'.

Nowy eksperyment: grawitacja przyjmuje rolę magnetycznego cylindra. Dobrze, że nie magicznego, ale było blisko.

Naukowcy wystrzelili atomy rubidu wewnątrz 10 metrowej komory próżniowej. Co więcej, strzelanie się nie kończy. W kolejce stał laser, którym strzelano do atomów rubidu, aby uzyskać efekt superpozycji. Chcieli obserwować dwie różne ścieżki spadania atomów rubidu. Cząstki nie były w obszarze, na który nie wpływa grawitacja. Wprost przeciwnie. Projekt eksperymentu przewidywał odfiltrowanie efektów grawitacyjnych, aby odsłonić przedziwny wpływ efektu Aharonova-Bohma. Teraz zapytajmy: 'po co?' (może z zaskoczenia się uda) 'Żeby wyliczyć dokładniej stałą grawitacyjną G. Już wiecie? Na dziś koniec jaj ;)

3. Interferencja tłumaczy coś, nie do końca wszystko, ale dobrze wiedzieć ;)

Kluczem do tego eksperymentu jest zjawisko interferencji. W fizyce kwantowej atomy i inne cząstki mogą zachowywać się jak fale, czyli mogą się wzmacniać i wygaszać, jak zwykłe fale na morzu. Na końcu drogi atomu naukowcy połączyli dwie ścieżki atomu tak, aby ich fale weszły w interferencję, a potem zmierzyli, gdzie atom dotarł. Lokalizacja celu osiągniętego przez atomy jest niezwykle wrażliwa na dostrojenia, które zmieniają miejsce, gdzie znajdują się szczyty i doliny docierających fal. Nazywamy to dostrojeniem w fazie.

Na szczycie komory próżniowej naukowcy umieścili 1.25kg wolframu. Aby wyizolować efekt Aharonova-Bohma, przeprowadzono ten sam eksperyment z masą oraz bez niej, a także dla dwóch różnych zestawów atomów. Jeden z nich przelatywał blisko, drugi w oddaleniu od masy. Każde z dwóch zestawów atomów zostały rozbite na superpozycję, jedna ścieżka z atomami bliżej wolframu, druga w odległości 25 centymetrów od pierwszej. Inne zestawy atomów, z superpozycjami rozdzielonymi przez mniejsze odległości, również poddane zostały próbie - w ten sposób eksperyment stał się bardziej kompletny. Porównując jak różne zestawy zachowywały się i interferowały, zarówno z wolframem jak i bez, wywnioskowano istnienie przejścia fazowego, którego przyczyną nie była siła grawitacji. Zamiast tego, dostrojenie okazało się mieć swoje źródło w dylatacji czasu, czyli efektowi rodem z teorii grawitacyjnej Einsteina - ogólnej teorii względności (czas płynie wolniej w obecności masywnego obiektu).

4. Czas, masywny obiekt, a tu Święta za nami.

Skoro czas płynie wolniej w obecności masywnego obiektu, warto zastanowić się, czy nie schudnąć. Wtedy czas popłynie szybciej. Zależy, co kto lubi. Moje lubienie jest w superpozycji. Ponieważ chcę schudnąć, mało czasu zajmie mi wyjście na rower. Z drugiej strony patrząc, mogę zawsze sięgnąć po ciastko tudzież czekoladę i pozostać dłużej w szczęściu i pomyślności. Tego ostatniego życzę Wam najbardziej! :D