Pavel Kroupka 31.12.2021

Eksperyment z wykorzystaniem interferometru Macha-Zehndera - koronne doświadczenie fizyki kwantowej

Eksperyment z wykorzystaniem interferometru Macha-Zehndera – koronne doświadczenie fizyki kwantowej

Na początku zeszłego stulecia foton stał się koszmarem śnionym przez wielu prominentnych fizyków. Sam Albert Einstein miał ogromne kłopoty z akceptacją natury zjawisk zachodzących z jego udziałem. Fizyka miała mieć przecież charakter deterministyczny. Zjawiska miały mieć swoje przyczyny, a te przyczyny rodzić określone i zawsze takie same skutki. Przewidywalne skutki. Tymczasem mechanika kwantowa ujawniła coś doprawdy zaskakującego - ten sam eksperyment przeprowadzony z zachowaniem tych samych warunków, mógł owocować zgoła różnymi wynikami końcowymi. Bóg najwyraźniej jednak, ku rozpaczy Einsteina, ujawniał naturę hazardzisty.

Niegrzeczny foton

Fizycy głowili się nad czynnikami, które decydować miały o zachowaniu konkretnego fotonu na przykład podczas eksperymentu z półprzepuszczalną szybką. Dlaczego niektóre z fotonów odbijały się, a inne przechodziły na drugą stronę szkiełka? Może jednak identyczne w teorii fotony czymś się różniły, a różnice te wpływały na charakter ich zachowania? Tak uważał Einstein, który jednak jeszcze w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku skarżył się, iż pięćdziesiąt lat rozmyślań nad fotonem nie przybliżyło go do rozwikłania tej zagadki. 

Zakładając jednak, iż fotony mogą posiadać cechy je różnicujące (skutkujące w tym przypadku odbiciem albo przejściem), jak zatem wyjaśnić zachowanie tych fotonów, które przedostały się już na drugą stronę szklanej płytki i na swej drodze spotykają kolejne identyczne szkiełko? Tutaj bowiem znów tylko połowie dane jest przejść, podczas gdy pozostałe ulegają odbiciu. A przecież drugie szkiełko dla wszystkich “wyselekcjonowanych” już fotonów powinno być całkowicie transparentne. Można się domyślić, że przy kolejnych płytkach zawsze powtórzy się ta sama, czysto losowa statystyka. Mechanika kwantowa mówi, iż nie ma żadnej przyczyny, dla której dany foton zachowuje się w ten, a nie inny sposób. Jego zachowanie jest absolutnie nieprzewidywalne, niedeterministyczne, a więc kompletnie nie takie jak życzyliby sobie niektórzy fizycy. 

Aby można było rzucić nieco światła (nomen omen) na “pokręcony” charakter procesów kwantowych przedstawimy doświadczenie z wykorzystaniem interferometru Macha-Zehndera.

Eksperyment Macha-Zehndera

Interferometr ten jest specyficznym układem szkieł i luster. Wiązka fotonów rozdzielona zostaje tu na dwa strumienie (przechodzący i odbity). Na ich drodze umieszczone zostają dwa lustra kierujące wiązki na kolejne szkiełko, za którym znajdują się dwa detektory mierzące natężenie promieniowania. Z tego co już wiemy można się spodziewać, iż każdy z detektorów zarejestruje połowę wyemitowanej wiązki. Jednak nie zawsze. Można bowiem tak ustawić elementy interferometru aby całe promieniowanie docierało tylko do jednego detektora. Jak?

doświadczenie-z-interferometrem-Macha-Zehndera

Otóż specjalną rolę odgrywa tu interferencja - zjawisko nakładania fal (bo przecież strumień fotonów jest falą) po przejściu drugiej szklanej szybki. Do górnego detektora strumień światła dociera dwiema drogami. W pierwszym przypadku fotony odbijają się trzykrotnie (szybka/lustro/szybka), w drugim tylko raz (lustro), przechodząc za to dwukrotnie poprzez szklaną płytkę. Ponieważ strumień światła przechodząc przez szkło nieco zwalnia, można tak manipulować grubością płytki, aby jedną z fal (na obrazku dolną) spowolnić tak, by dołki i górki obu fal nałożyły się na siebie i tym samym wygasiły. Tak więc promieniowanie rejestrować będzie wówczas tylko jeden z detektorów (dolny). A co stanie się w takim interferometrze podczas eksperymentu z pojedynczym fotonem?

Można przypuszczać, że foton taki, z sobie tylko znanych powodów, będzie wybierać raz jedną raz drugą drogę i lądować to w górnym, to w dolnym detektorze (według prawdopodobieństwa, czyli pół na pół), jeśli tylko będziemy wielokrotnie powtarzać eksperyment.

Wyniki doświadczenia mówią jednak co innego. Otóż foton rejestrowany będzie zawsze jedynie przez dolny detektor! Bez względu na to ile razy powtórzymy eksperyment. Zachowa się zgodnie z zasadami interferencji. To znaczy zachowa się w taki sposób jakby interferował sam ze sobą! Robi się dziwnie? Powinno. Bowiem wygląda to tak, jakby foton odbywał podróż dwiema możliwymi drogami jednocześnie. A może foton się “rozdwaja”? Można to zweryfikować ustawiając dwa detektory tuż za pierwszą szklaną płytką. Za każdym razem gdy wystrzelony będzie foton, zareaguje tylko jeden z detektorów (górny lub dolny), nigdy oba równocześnie. Wrażenie jest takie, jakby przyłapany na swym dziwnym zachowaniu foton, “przywoływał się do porządku” podążając od chwili detekcji tylko jedną z dróg, dokonując jej wyboru w sposób absolutnie losowy. Zrobiło się jeszcze dziwniej? Wystarczy jednak usunąć detektory, a foton znów będzie zachowywał się tak jakby równocześnie podążał każdą z możliwych trajektorii. 

Akt obserwacji a położenie cząstki

Dochodzimy tu do jednego z fundamentów fizyki kwantowej (a tym samym praw przyrody) - korelacji aktu obserwacji z położeniem obiektu na poziomie pojedynczych cząstek; w tym konkretnym przypadku akt pomiaru niejako lokalizuje foton, którego położenie przed pomiarem jest nieokreślone (pozostaje rozmyte). Zanim do niego dojdzie realizowane są wszystkie możliwe scenariusze (występuje tzw. kwantowa superpozycja). Dopiero kiedy próbujemy “dowiedzieć” się gdzie znajduje się foton, ten natychmiast uzgadnia “sam ze sobą” swą lokalizację. Robi to w sposób nieprzewidywalny i jedynie wówczas gdy “patrzymy”, co, jak się nad tym zastanowić, może być dosyć osobliwe i zatrważające. 

Ów kwantowy zawrót głowy skwitował Niels Bohr twierdząc, iż ci, którzy nie są zszokowani zjawiskami mechaniki kwantowej, z pewnością ich nie rozumieją. Można nieśmiało zauważyć, iż nawet zrozumienie owych zjawisk nie musi niwelować szoku. Realizacja wszystkich możliwych scenariuszy równocześnie nie jest dla człowieka “naturalna”. A jednak, wygląda na to, że taka właśnie jest natura Wszechświata.

Ci, którzy próbują do sprawy podejść w duchu filozoficznego uniesienia, przywołują pytanie George'a Berkeleya. Przypomnijmy, iż chodziło o dźwięk upadającego w lesie drzewa, którego nikt nie słyszy. Zdaniem filozofa to właśnie Boże spojrzenie jest dla Świata konstytuujące. To ono utrzymuje Świat w posadach. Istnienie Świata było tutaj argumentem na istnienie Boga. Jeśli Stworzyciel z jakichś powodów by porzucił Świat, odwrócił swe spojrzenie (albo gdyby Go nie było), wówczas wszystko by zniknęło (albo nie istniało). Co, kwantowo rzecz ujmując, oznaczało wejście w stan superpozycji. Oczywiście nie istnieją żadne naukowe podstawy, by zjawiska kwantowe zakorzeniać w jakimkolwiek świadomym umyśle. Nie ma znaczenia przez kogo detektor jest obsługiwany, i czy w ogóle jest obsługiwany. Akt obserwacji nie wymaga jakiejkolwiek świadomej obecności. 

W żaden sposób nie przynosiło to jednak ulgi Einsteinowi, którego wiara w istnienie obiektywnej rzeczywistości do końca pozostała niezachwiana. Jego mysz patrząca na Księżyc pozostawała złośliwym argumentem przeciwko roli “subiektywnego” spojrzenia. 

Napisz komentarz (bez rejestracji)

sklep

Najnowsze wpisy

kontakt