#69 Nie Schroedingera Kot, ale też kwantowomechaniczny, czyli Koty z Cheshire w Fizyce

0. Wstęp.

Wstępnie witam Was. Powinienem powitać Was także później, bo taki mamy dziś temat: oddzielenie właściwości cząstki od niej samej. Dlatego wpierw przywitam się słownie, a później paszczą, czyli uśmiechem. Kojarzycie coś? Kto tak się zachowywał, no kto? Ani chybi będę musiał zdobyć się na przypomnienie, bo, szczerze mówiąc, jako po Laikach niewiele się po Was spodziewam. Co najwyżej, gdy przelatuje mucha, na powiedzenie: "o, mucha...". Zamiast podać prędkość muchy, współczynnik oporu powietrza, częstotliwość dźwięku wydawanego przez skrzydełka oraz prędkość ich poruszania się, tylko zwykłe "o, mucha". Kurde, co ja z Wami mam.

Niniejszym, kiedy już zrównałem Was z ziemią i jednocześnie dodałem sobie punktów ego oraz wylałem swoje frustracje, możemy przejść do meritum, czyli do tematu. Jak to możliwe, że cząstki rozdzielają się od swoich nieodłącznych właściwości, takich jak np. spin? To tak jakby powiedzieć, że kot jest po lewej, a jego uśmiech po prawej. Teraz pewnie część z Was, która posiada koty, obruszy się na mnie niemożliwie. "To oczywiste panie starszy, po prostu koty się nie uśmiechają". To ja się Was pytam: co tu robi uśmiech, odseparowany od kota? Okej, już dłużej nie trzymam w niepewności, poza tym pewnie prawie wszyscy już zgadli: chodzi o Kota z Cheshire ze słynnej książki Lewisa Carrolla pt. "Alicja w Krainie Czarów". Swoją drogą, tytuł powinien brzmieć "Alicja w Krainie Dziwów", bo Wonderland to nie Kraina Czarów (musiałaby nazywać się Magicland) tylko Dziwów. Z angielska, ha! Widzieliście jaki naczelny tłuk jest bystry? Dlatego możecie mi spokojnie zaufać i podążyć za mną do Krainy... Kwantów :)

1. Kraina Dziwów, Kraina Czarów, Kraina Kwantów.

Mechanika kwantowa osiągnęła poziom "dziwności" równy temu z książki L. Carrolla pt. "Alicja w Krainie Czarów". Mam na myśli fakt, że naszą realną Krainą Czarów, równoległą do fikcji z krainy książki, może być Świat Kwantów. Dziś zaprezentuję pewne ciekawe doświadczenie, które pomaga nieco zrozumieć świat kwantowy, a właściwie stać się coraz bardziej świadomym, iż jest on co najmniej tak dziwny jak Kot z Cheshire. Ale naprawdę! Mamy tu historię o cząstce, która zgubiła swoją właściwość, to tak jakby powiedzieć o człowieku: "Gdzieś ty zgubił głowę?" Często mi się to zdarza, nie gubienie, tylko to, że tak do mnie mówią.

Napisać Wam eksperyment śledzący cząstki subatomowe, które w swej drodze podróżowania rozwidlają się na dwie gałęzi? Proszę bardzo. Ale od razu mówię: nie będzie łatwo.

Doświadczenie to wydaje się odsłaniać fakt, że cząstki mogą poruszać się w jedną stronę, podczas gdy ich wewnętrzne i nieodłączne właściwości - spiny - lecą drugim torem. Pomimo iż wynik koliduje z klasyczną intuicją, potwierdza przewidywania sprzed 10 lat. Zjawisko owo nazywa się Kwantowym Kotem z Cheshire, nazwie nadanej po kotce Alicji. Psotny uśmiech miauczyka niewytłumaczalnie pozostaje w powietrzu po tym, jak jego ciało zniknęło.

"Można oddzielić właściwie każdą właściwość cząstki od niej samej" - pisze Jeff Tollaksen, współautor badania nad cząsteczkowymi Kotami z Cheshire ("Nature Communications" 29.07). Podczas gdy wyniki eksperymentu wymykają się obecnie wyjaśnieniu, mogą wytyczyć drogę do lepszego zrozumienia Świata Kwantów jak również do pomiaru najbardziej wrażliwych i subtelnych właściwości cząstek.

Każdy fizyk starający się wyjaśnić zagadnienia mechaniki kwantowej musi zmierzyć się z superpozycją, zjawiskiem, w którym neutron lub inna cząstka obiera wiele ścieżek ruchu jednocześnie, z pewnym określonym prawdopodobieństwem wyłonienia się i zaistnienia wzdłuż każdej ścieżki w danym momencie. Fizycy mogą użyć przyrządów pomiarowych, aby zlokalizować neutron, ale sam akt pomiaru niszczy stan superpozycji - neutron znajduje się teraz na jednej ze ścieżek i nie ma sposobu aby dowiedzieć się, jak poruszałby się, gdyby nie został naruszony.

2. Zakasać rękawy i do roboty! Spiny dodatnie na prawo, ujemne na lewo.

W roku 1988 fizyk Yakir Aharonov, obecnie pracujący na Uniwersytecie Chapmana oraz Uniwersytecie Tel Avivu w Izraelu, wraz z zespołem współpracowników próbowali skonstruować, albo inaczej mówiąc, zaprojektować doświadczenie, który pozwalałby na zajrzenie za kurtynę superpozycji.

Zaproponowali wystrzelenie cząstek w kierunku detektora, umieszczając jednak dodatkowy instrument pomiarowy wzdłuż ścieżki ruchu cząstki. Ten instrument badawczy dokonałby tzw. pomiaru słabego - bardzo ogólnego, ledwo zakłócającego cząstkę.

Pomiar słaby mógłby zostać dokonany przez przyrząd, który wystawiłby cząstkę na efekty subtelne, takie jak np. słabe pole magnetyczne. Pojedynczy pomiar słaby jednej cząstki jest bezużyteczny, ponieważ jest nieprecyzyjny. Ale przez powtórzenie zmierzenia tysięcy lub milionów cząstek fizycy dowiedzieliby się czegoś o nich, na podstawie wyciagnięcia średniej z badań.

Ową technikę zastosował fizyk kwantowy Yuji Hasegawa oraz jego zespół z Politechniki Wiedeńskiej po to, aby przyłapać kwantowego Kota z Cheshire na gorącym uczynku - inaczej mówiąc, by oddzielić cząstkę od jej właściwości. Hipotezę takiego zachowania np. neutronów wprowadzili Aharonov i Tollaksen w roku 2001.

Jak toto się miało do rzeczywistości? Czy naukowcom uda się oddzielić uśmiech od pracy? Jednym słowem, czy można pracować, uśmiechając się tylko w przerwach? Na te i inne pytania znajdziecie odpowiedź w dowolnym kodeksie pracy, pewnie jest tam coś na temat. Ja wprowadzam inną zasadę: nie można się uśmiechać, dopóki Naczelny nie pozwoli. Koniec, kropka. Każdy cień uśmiechu będzie natychmiast usuwany z komentarzy, zajmujemy się w końcu fizyką. Widzieliście uśmiechniętego fizyka? Też byście się nie uśmiechali, gdybyście musieli pracować tak, jak on. Ja już się do Was nie uśmiechnę, a miałem to zrobić, zgodnie z zapowiedzią we wstępie. Trudno, widocznie jestem zwykłym Tłukiem, a do Kota z Chershire bardzo mi daleko.

Badacze skierowali strumień neutronów wyemitowanych przez reaktor nuklearny w Instytucie Laue - Langevin w Grenoble w Francji na kryształ, który podzielił strumień na dwie części. Zespół kierował strumieniami tak, aby wszystkie neutrony w górnym strumieniu posiadały odpowiedni spin (np. +&frac12), zaś neutrony w dolnym strumieniu miały spin odwrotny (-&frac12). Strumienie zostały potem połączone, a detektor na końcu kryształu zliczał tylko neutrony z dodatnim spinem. Intuicja sugeruje, że wykryte neutrony powinny wszystkie podróżować w górnym strumieniu, a manipulacja przy wiązce dolnej nie powinna mieć wpływu na pomiar detektora.

3. Zaskakujące efekty, coś jak sztuczne ognie ale nie w Sylwestra (Sylwester oddzielony od fajerwerków).

Aby stwierdzić, czy intuicja może mylić, naukowcy dokonali słabych pomiarów przed tym, gdy cząstki osiągnęły poziom detektora. Najpierw umieścili płytkę metalową absorbują neutrony na drodze obu strumieni, jedną na raz. Tak jak przypuszczano, kiedy płytka znajdowała się na dolnej ścieżce, nie miała owa manipulacja wpływu na licznik cząstek przy detektorze. Ale zredukowała ona licznik neutronów, kiedy została umieszczona na górnej ścieżce.

Następnie badacze wystawili oba strumienie na wpływ pola magnetycznego, wystarczająco mocnego, by zmienił spiny cząstek. Wydawałoby się, że tak jak w przypadku płytki pole magnetyczne powinno wpłynąć na odczyt detektora tylko, gdy zostałoby skierowane na górny strumień, tam, gdzie podróżowały wszystkie zliczane neutrony (oraz, najprawdopodobniej, ich spiny). Jednak okazało się, że sprawy mają się odwrotnie, wbrew intuicji: pole miało wpływ na pomiar tylko wtedy, kiedy zostało skierowane na drogę dolną. Sugerowałoby ów fakt to, że neutrony, a przynajmniej ich spiny, używały dolnego traktu.

Naukowcy wywnioskowali, że badane neutrony przeszły tylko górną ścieżką, ale ich spiny poruszały się poniżej niej. Przekładając to na język "Alicji w Krainie Czarów",kot wybrał ścieżkę górną, ale uśmiech poleciał dołem. Uśmiech to spin, podpowiadam. Dlaczego podpowiadam? Bo muszę! Ci z Was, którzy nie są w stanie policzyć prędkości muchy na oko, niech się nawet nie odzywają. Takie rzeczy fizyk robi na poczekaniu. Poza tym, mucha może być afrykańska lub europejska, żaden z Was na to nie wpadł. Acha, przynajmniej też udawajcie, że czytacie, róbcie raz od czasu mądrą minę, żebym nie myślał, że to wszystko idzie jak krew w piach.

4. Wnioski, wniosunie, wnioseczki, kocie Uśmiechy i Smuteczki.

"To piękna demonstracja" - mówi Aephraim Steinberg, fizyk kwantowy z Uniwersytetu w Toronto, badacz, który nie był zaangażowany w eksperyment, a jednak ma coś do powiedzenia. Bezczelność.

Zauważa on jednak, że badanie nie potwierdza faktu, iż pojedynczy neutron obrał inną ścieżkę niż jego spin (bezczelność, bezczelność, bezczelność; jak on śmie); pokazuje tylko, że mierzone neutrony zachowywały się tak ogólnie rzecz ujmując, na poziomie średniej statystycznej (niech mu będzie). Steinberg z optymizmem (odłączonym od Steinberga, oczywiście) podchodzi do faktu, że ten eksperyment i inne, podobnego typu, dostarczą wgląd w kwantowe zachowanie cząstek. Bezczelny podglądacz; lubimy Steinberga? oczywiście lubimy i nie lubimy jednocześnie, tylko to wchodzi w grę, tzw. kwantowe lubienie, albo superpozycja lubienia). Jednakże nie jest on pewien, co obecnie mogą oznaczać i do jakich wniosków doprowadzają owe kwantowe wglądy (raczej podglądy, ale dobra, niech mu będzie, po raz drugi).

Niezależnie od momentu, kiedy fizycy wysnują już odpowiednie wnioski z wyników badań, technika Kota z Cheshire może stać się użytecznym narzędziem. Naukowcy sugerują, że dzięki tej metodzie można by poradzić sobie z trudną do zmierzenia właściwością cząstki poprzez usunięcie wpływu innej właściwości. Właściwie to można by, gdyby nie koci smuteczek, który psuje uśmiech; ale jak superpozycja, to superpozycja - śmieszny smutek albo smutny uśmiech. Na przykład, niektórzy z badaczy mierzą grawitację w skali mikroskopowej, gdzie jest ona przytłaczana i zakłócana przez inne siły, takie jak elektromagnetyzm. Pomiar grawitacji okazałby si e o wiele łatwiejszy, sugeruje Steinberg, jeśli naukowcy mogliby wyizolować cząstki od ich ładunku elektrycznego.