Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 15

Artykuły

Foton na miarę kota Schrödingera

16th Lip '16

Pomysł polegający na sprzężeniu życia zwierzęcia z losem pojedynczej cząstki miał kolosalne znaczenie, zarówno teoretyczne jak i dydaktyczne. Zawierał jednak sporą wadę: mógł być zrealizowany wyłącznie na papierze. 

Jest i nie jest

Każdy sza­nu­jący się Kwan­to­wicz dosko­nale wie na czym polegał eks­pe­ry­ment myślowy Erwina Schrödin­gera (jeśliś nowy to zajrzyj tu lub tu). Nawet po upływie niemal stu lat, trudno prze­cenić jego wartość. Z jednej strony, kot Schrödin­gera zmusił uczonych do filo­zo­ficz­nych dyskusji doty­czą­cych roli obser­wa­tora w mecha­nice kwan­towej oraz roz­wa­żenia granicy między światem mikro i makro­sko­powym. Z drugiej, służy jako nie­za­wodny sposób uzmy­sła­wiania spo­łe­czeń­stwu egzotyki kwan­to­wych zjawisk, na czele z tzw. super­po­zycją

To właśnie super­po­zycja – wbrew intuicji i zdrowemu roz­sąd­kowi – wymaga od nie­pod­glą­danej cząstki, pozo­sta­wania w wielu moż­li­wych stanach „jed­no­cze­śnie”, czy też „nakła­dania” się obu stanów na siebie. I tu wkracza przykład Schrödin­gera. W pudle wraz z kotem znajduje się śmier­cio­nośna pułapka, uru­cha­miana przez rozpad poje­dyn­czego pro­mie­nio­twór­czego atomu. Rzecz w tym, że ów atom pozo­staje w super­po­zycji; enig­ma­tycznym stanie roz­pad­nięcia i nie­roz­pad­nięcia. To z kolei oznacza, iż uza­leż­niony od niego Mruczek również powinien prze­bywać w super­po­zycji, będąc „na raz” żywy i martwy. Dopiero akt obser­wacji redukuje funkcję falową, wymu­szając na atomie (a więc teo­re­tycznie też na zwie­rzaku) obranie jednej opcji.

Pod­kreślmy to. To nie jest tak, że my po prostu nie wiemy w jakim stanie przebywa obecnie atom. On sam nie określił jeszcze swojego losu.

Ale bądźmy scep­tyczni. Skąd mamy wiedzieć, że teo­re­tycy nas nie oszukują? (Nie oskar­żajmy tu jednak Schrödin­gera, bo ironią losu Austriak zawsze wyrażał się z dystansem na temat budo­wa­nych przez siebie modeli). Kota do pudła co prawda nie wsadzimy – nie tylko przez protesty obrońców praw zwierząt, ale również ze względu na prze­szkody tech­niczne – ale możemy obmyślić inny rodzaj doświad­czenia. Koniec końców, zde­cy­do­wanie łatwiej będzie uchwycić super­po­zycję stanów poje­dyn­czej cząstki, naj­le­piej naj­prost­szej z moż­li­wych.

Spolaryzujmy foton

Do prze­pro­wa­dzenia eks­pe­ry­mentu będziemy potrze­bować kilku ele­mentów: pary pola­ry­za­cyj­nych roz­dzie­laczy wiązki, pary zwier­ciadeł i obiektu badania. W naszym przy­padku będzie to foton, czyli poje­dynczy kwant światła.

Zanim weźmiemy się za odno­to­wy­wanie kwan­to­wych dziwów, warto abyście chociaż oględnie rozu­mieli pojęcie pola­ry­zacji. (Pomocny może okazać się poprzedni artykuł). To cecha fali elek­tro­ma­gne­tycznej – a taką jest światło – opi­su­jąca kierunek wychy­lania jej grzbietów. Pola­ry­zację indy­wi­du­al­nego fotonu często ilu­struje się jako niesioną przez niego tyczkę, prze­chy­loną pod jakimś kątem. Dla uprosz­czenia w naszych roz­wa­ża­niach figu­rować będą wyłącznie cząstki o pola­ry­zacji pionowej, poziomej bądź ukośnej.

pbs Aby uzyskać światło o okre­ślonej pola­ry­zacji wystarczy prze­pu­ścić je przez odpo­wiednią sub­stancję, nazywaną pola­ry­za­torem. Wyłu­skuje ona wyłącznie fotony spo­la­ry­zo­wane pod odpo­wiednim kątem, absor­bując całą resztę. Pola­ry­za­cyjny roz­dzie­lacz wiązki działa nieco inaczej. Jego rolę może pełnić np. kryształ kalcytu. Gdy w nasz kryształ uderzy światło spo­la­ry­zo­wane pionowo – przeleci ono przez niego jakby nigdy nic. Światło spo­la­ry­zo­wane poziomo, ulegnie odbiciu pod kątem prostym. Jednak co naj­waż­niejsze, wiązka światła spo­la­ry­zo­wa­nego ukośnie zostanie rozbita na dwie wiązki, spo­la­ry­zo­wane pro­sto­padle do siebie. Właśnie ta sztuczka odegra główną rolę w naszym doświad­czeniu.

Wybór drogi

Poniżej widzicie uprosz­czony schemat eks­pe­ry­mentu. Zasad­niczo, gdy wystrze­limy wiązkę światła spo­la­ry­zo­wa­nego pod kątem 45°, roz­dzie­lacz rozbije ją na dwie spo­la­ry­zo­wane pionowo i poziomo, a te po odbiciu od zwier­ciadeł wpadną na drugi roz­dzie­lacz. W tym wypadku zadziała on na odwrót, jako swego rodzaju łącznik kumu­lu­jący pro­sto­padłe wiązki w jedną, znów spo­la­ry­zo­waną pod kątem 45°*. Zgodnie z tym co wspo­mniałem, do krysz­tału muszą trafić obie wiązki – pionowa oraz pozioma – aby doszło do ich nało­żenia i powstania na powrót światła spo­la­ry­zo­wa­nego ukośnie. Gdybyśmy zasło­nili jeden z tuneli i w drugi roz­dzie­lacz uderzyła np. tylko wiązka pionowa, to wyszłaby ona z układu bez zmian w pola­ry­zacji.
superpozycja eksperyment
Teraz ana­lo­gicznie prze­te­stujmy poje­dynczy foton spo­la­ry­zo­wany ukośnie.

Co nam mówi zdrowy rozsądek? Kwantu z defi­nicji nie da się bardziej podzielić, więc foton prze­cho­dząc przez kryształ musi wybrać jedną z dróg, odbi­jając się od jednego ze zwier­ciadeł i ude­rzając w drugi kryształ z jednego kierunku. Zgodnie z naszą wiedzą, cząstka albo przeleci przez kryształ jako foton spo­la­ry­zo­wany pionowo, albo ulegnie odbiciu jako foton spo­la­ry­zo­wany poziomo. Tym­czasem eks­pe­ry­ment wykazał coś innego: poje­dynczy foton wypada z układu spo­la­ry­zo­wany pod kątem 45°!

Foton niczym kot

Zaraz, zaraz. W roz­pa­try­wa­nych przez nas przy­kła­dach, tylko w jednym mogła zajść taka sytuacja: gdy do drugiego krysz­tału trafiały dwie wiązki, spo­la­ry­zo­wane do siebie pro­sto­padle. W tym sce­na­riuszu nato­miast, to poje­dynczy foton zachował się jakby prze­mie­rzył obie ścieżki na raz. Jak gdyby nie mógł się zde­cy­dować i przybrał na starcie jed­no­cze­śnie pola­ry­zację pionową i poziomą. Jak to wyjaśnić?

Pozo­sta­wiona sama sobie cząstka, dopóki jej nie przy­mu­simy, dopóty będzie egzy­stować we wszyst­kich dostęp­nych sobie stanach. Powyższe doświad­czenie dowodzi właśnie takiego „nie­zde­cy­do­wania” fotonu i utrzy­my­wania przez niego w zanadrzu obu opcji. Indy­wi­du­alny byt ogarnia w jakiś sposób wszelkie dostępne moż­li­wości (a praw­do­po­do­bień­stwo tychże moż­li­wości naj­le­piej opisuje funkcja falowa). Jed­no­cze­śnie podró­żuje dwoma kanałami i jed­no­cze­śnie zmienia swoją pola­ry­zację na pionową i poziomą, aby na końcu jego roz­dwo­jona jaźń uległa zde­rzeniu, powra­cając do pola­ry­zacji 45°. Oczy­wi­ście, jeśli tylko zasło­nimy jedną z dróg – tym samym ogra­ni­czając wszech­wie­dzącej cząstce pole manewru – wyniki natych­miast znor­mal­nieją.

Zjawisko to jest cudowną ilu­stracją kwan­towej super­po­zycji.
* Tu mam pewne zastrzeżenie wynikające z rozbieżności informacji serwowanych w literaturze. O ile większość książek mówi o połączeniu wiązek w jedną o polaryzacji ukośnej, o tyle Zeilinger twierdzi, że oba promienie nie zmieniają już swoich polaryzacji. Oznacza to, że z układu wydostaje się połączona wiązka mieszanych fotonów, o polaryzacji pionowej oraz poziomej. Dla istoty eksperymentu z jednym fotonem nie ma to znaczenia, ale uznałem, że warto ten problem tu odnotować.

Literatura uzupełniająca:
J. Al-Khalili, Kwanty. Przewodnik dla zdezorientowanych, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2015;
A. Zeilinger, Od splątania cząstek do kwantowej teleportacji, przeł. B. Bieniok, E. Łokas, Warszawa 2013;

J. Gribbin, Kotki Schrödingera, czyli poszukiwanie rzeczywistości, J. Bieroń, Warszawa 1999;
S. Ziemiański, Filozoficzne implikacje ortodoksyjnej teorii kwantów, Fac. Philos. SJ, t. 3, Kraków 1998.
podpis-czarny

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • Inter­ne­teusz

    A co Adamie jeżeli będziemy pod­glądać eks­pe­ry­ment, tzn ustawimy na drogach fotonu jakieś detek­tory?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Tak jak się pewnie spo­dzie­wasz: obser­wacja dopro­wadzi do kolapsu fali, a zatem foton już wcze­śniej będzie musiał wybrać, którą drogą podąży. Z układu wydo­stanie się więc jako cząstka spo­la­ry­zo­wana pionowo lub poziomo, na pewno nie ukośnie.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://nowaalchemia.blogspot.com/ zacie­ka­wiony

        Pytanie – co się kol­lap­suje na samym końcu. Bo w końcu pola­ry­zację wyj­ścio­wego fotonu też wykrył jakiś detektor.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Dominik Kurek

    Widelec prze­chwalał się, że mógłby przy­szpilić taki foton na gorącym uczynku
    A łyżka na to – Nie­moż­liwe!

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • ArtRac

    Czy kot nie jest wystar­cza­jącym obser­wa­torem by cząstka zde­cy­do­wała się na kon­kretny stan?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • ArtRac

    Chyba usunąłem swój wcze­śniejszy wpis. Czy detektor uwal­nia­jący truciznę nie powoduje ukon­kret­nienia stanu cząstki przez pomiar stanu tej cząstki?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Praw­do­po­dobnie tak by było, ale to tylko eks­pe­ry­ment myślowy i zakła­damy użycie teo­re­tycz­nego urzą­dzenia, które nie powo­do­wa­łoby kolapsu fali.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • ArtRac

        Może się mylę ale eks­pe­ry­ment myślowy ma na celu zanie­dbanie ogra­ni­czeń tech­nicz­nych ale nie praw fizyki. A urzą­dzenie które mierzy stan cząstki i nie powoduje jej kolapsu jeśli się nie mylę nie może istnieć.
        Eks­pe­ry­ment wymy­ślili bardzo inte­li­gentni ludzie więc problem pewnie jest w moim nie­zro­zu­mieniu tego eks­pe­ry­mentu.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        Oj, dlaczego? Oczy­wi­ście, że chodzi o prze­te­sto­wanie pewnej teo­re­tycznej sytuacji, której nie da się spraw­dzić ze względu na ogra­ni­czenie tech­niczne. Spójrz np. na eks­pe­ry­ment EPR. Jasne, udało nam się prze­pro­wa­dzić odpo­wiednie eks­pe­ry­menty, ale gdy Einstein, Podolski i Rosen pisali swój artykuł, potrzeb­nego sprzętu nie było jeszcze w planach. Mimo to wycią­gano wnioski i deba­to­wano na temat istoty kwan­to­wych efektów.

        Przy okazji kota Schro­din­gera, celem Austriaka było przede wszystkim zwró­cenie uwagi na problem obser­wa­tora i poten­cjalne para­doksy. Pisałem o tym zresztą w kilku innych tekstach.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • ArtRac

        Właśnie prze­czy­tałem wpisy z podanych linków. Czyli dominują dwie kon­cepcje. Cząstka nie wybiera stanu, tylko świat się roz­sz­czepia na wszystkie możliwe sposoby. Czyli Bóg nie musi grać w kości. I druga kon­cepcja, cząstka jest w super­po­zycji do czasu aż nie wejdzie w kontakt z oto­cze­niem. Tylko w takim wypadku dlaczego cząstka wybiera taki a nie inny stan. Trudno sobie jednak wyobrazić eks­pe­ry­ment który mógłby zwe­ry­fi­kować te pomysły.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • ArtRac

        A po głębszym zasta­no­wieniu dochodzę do wniosku, że tylko pierwsza kon­cepcja przy okazji tłumaczy splą­tanie. Mimo, że wydaje się bardziej zwa­rio­wana.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Andrzej Burkiet

    wydaje się nie­zbędna wery­fi­kacja podanej na końcu roz­bież­ności wg Zeilinger’a. Wszak można sobie wyobrazić wiązkę poje­dyn­czych fotonów, dla których zacho­dzi­łoby ponowne skła­danie do ukośnie spo­la­ry­zo­wa­nych i nie byłoby tu miejsca na mie­szankę fotonową spo­la­ry­zo­wa­nych raz tak raz siak…

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Chyba nie do końca rozumiem co masz na myśli. Wystarczy wiedza, że pierwszy kryształ na pewno zmienia pola­ry­zację fotonu na pionową albo poziomą. Wiemy stąd, że taki poje­dynczy foton powinien wyjść z drugiego układu właśnie jako poziomy lub pionowy (gdyby obrał jedną z dróg) i, że nie ma opcji aby wysko­czył znów z pola­ry­zacją ukośną. To tłumaczy wyłącznie super­po­zycja. Roz­bież­ność o której wspo­mniałem ma zna­czenie jedynie dla zwykłego eks­pe­ry­mentu, z wiązką pod­glą­da­nych fotonów.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Andrzej Burkiet

        „poje­dynczy foton wypada z układu spo­la­ry­zo­wany pod kątem 45°!”
        jeśli zaś nasza wiązka składa się z poje­dyn­czych fotonów to ich obser­wacja też powinna wska­zywać na pola­ry­zacje skośną całej wiązki… Dlaczego w tym wypadku (wiązka – nie obser­wo­wana) miałaby zacho­wywać się inaczej?. Gęstość oraz czę­sto­tli­wość emi­to­wa­nych fotonów możemy wszak regu­lować – w którym momencie (przy jakiej czę­sto­tli­wości lub gęstości emisji) nale­ża­łoby uznać, że są to poje­dyncze kwanty i wychodzą spo­la­ry­zo­wane skośnie z układu? A w jakim, że to już nie zachodzi?

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Andrzej Burkiet

        Bo w przy­padku wiązki może być taki sce­na­riusz: fale praw­do­po­do­bień­stwa sąsiednio wysy­ła­nych fotonów ( przed lub obok) mogą powo­dować koniecz­ność wyboru drogi ” przez spy­chanie” lub innego typu wzajemne oddzia­ły­wania i poje­dyncze fotony w takim przy­padku wycho­dząc nie „zde­rza­łyby się z sobą” tworząc fotony spo­la­ry­zo­wane skośnie
        lecz zacho­wy­wa­łyby pola­ry­zację pionową lub poziomą, jak podaje Zeilinger.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0