Czytaj dalej

Mam nadzieję, że każdy z moich czytelników wie co kryje się za goszczącą w wielu równaniach fizyki relatywistycznej, magiczną literką c. Einsteinowska teza o nieprzekraczalnej prędkości światła w próżni, zawiera jednak pewien haczyk: kosmiczny ogranicznik prędkości może przekroczyć… sam foton.

Jak można nie kochać Richarda Feynmana? Zawsze gdy kończę przygodę z jego kla­sycz­nymi tekstami, czuję się jakbym własnie wysiadł z rol­le­co­asteru. Nawet naj­bar­dziej oczy­wi­ste reguły rządzące rze­czy­wi­sto­ścią, okazują się nagle skrywać drugie dno. I tak, po prze­wer­to­wa­niu jednej z feyn­ma­now­skich prac, uwzględ­nie­niu ele­men­tar­nych praw fizyki i kilku ude­rze­niach się w czoło (“przecież to oczy­wi­ste!”) okazało się, że nie­zdy­scy­pli­no­wane fotony nie chcą słuchać słynnego nakazu Ein­ste­ina. W każdym razie, nie w sposób bez­względny.

Dla przy­po­mnie­nia: szcze­gólna teoria względ­no­ści kate­go­rycz­nie odmawia obiektom posia­da­ją­cym jaką­kol­wiek masę, prawa do osią­gnię­cia, a tym bardziej prze­kro­cze­nia, bariery pręd­ko­ści światła w próżni wyno­szą­cej 299 792 km/s. Same fotony prze­by­wa­jąc w próżni, powinny poruszać się właśnie z powyższą pręd­ko­ścią i po liniach prostych. Od razu zaznaczę, że oba postu­laty zasad­ni­czo są praw­dziwe i w praktyce spraw­dzają się rewe­la­cyj­nie. Na drobny wyłom natra­fimy dopiero po zbadaniu poje­dyn­czych fotonów, uwię­zio­nych na małej prze­strzeni.

Dla tych co spali w szkole — wzór inter­fe­ren­cyjny.

Przy­wo­łajmy cho­ciażby stan­dar­dowe, szkolne doświad­cze­nie z dwoma szcze­li­nami i roz­pa­trzmy ten drugi problem. Eks­pe­ry­ment opra­co­wany przez Younga, prawie dwieście lat temu wskazał na falową naturę światła. Jak zapewne wiecie, posta­wie­nie przegród z otworami na drodze wystrze­lo­nych cząstek wpływa na ich osta­teczną tra­jek­to­rię. Nie zacho­wają się one jak pociski karabinu, lecz ułożą na ekranie wzór inter­fe­ren­cyjny. Każda jedna cząstka może wybrać dowolną, nawet naj­bar­dziej dziwną trasę i wylą­do­wać w dowolnym miejscu – jednak praw­do­po­do­bień­stwo poszcze­gól­nych zdarzeń pozo­staje różne. Dwie szcze­liny spo­wo­do­wały, że fale praw­do­po­do­bień­stwa zaczęły – jak to fale mają w zwyczaju – wza­jem­nie się wzmac­niać i wygaszać. Prosta prze­szkoda znacznie zwięk­szyła szansę na tra­fie­nie fotonu (bądź też elek­tronu lub  innej cząstki) w takie miejsce na ekranie, aby przy­czy­nić się do stwo­rze­nia prążków inter­fe­ren­cyj­nych (po więcej udaj się do  tego tekstu). To fun­da­ment mecha­niki kwan­to­wej.

W związku z sumowaniem po trajektoriach, cząstka nie zawsze porusza się w standardowy sposób

Mało kto, dumając nad powyż­szym doświad­cze­niem, zasta­na­wia się nad tym jakiego figla spłatał nam foton. Otóż okazuje się, że zamiast bez­względ­nie prostej ścieżki, “skacze” on sobie tu i tam, a tra­jek­to­ria jego lotu zależy wyłącz­nie od praw­do­po­do­bień­stwa. Kwant światła to wyjąt­kowy zło­śli­wiec, bowiem im mniej swobody mu zapew­nimy, tym bardziej będzie kom­bi­no­wał. Z kolei cał­ko­wita wolność, zwiększy praw­do­po­do­bień­stwo wyboru przez światło… prostej drogi. Dla uprosz­cze­nia można powie­dzieć, że naj­gor­sze, długie i zróż­ni­co­wane moż­li­wo­ści wza­jem­nie się niwelują, podczas gdy naj­lep­sze wzmac­niają. W praktyce, poza warun­kami labo­ra­to­ryj­nymi foton zazwy­czaj nie posiada niemal żadnych ogra­ni­czeń, toteż naj­krót­sze i naj­bar­dziej zbliżone tra­jek­to­rie ciągle dodają się do siebie, dzięki czemu otrzy­mu­jemy naprawdę wysokie praw­do­po­do­bień­stwo stwo­rze­nia idealnie prostej wiązki światła.

Z tytułową pręd­ko­ścią światła w próżni rzecz ma się podobnie. Znów wpadamy w tarapaty gdy na scenę wchodzi mecha­nika kwantowa i  mie­sza­jące w głowach ampli­tudy praw­do­po­do­bień­stwa. Wypusz­czony foton, jak już wiemy, ma okre­śloną szansę na prze­by­cie danej drogi i wylą­do­wa­nie w ocze­ki­wa­nym celu. Ryszard wspomina o ampli­tu­dzie prze­nie­sie­nia się z punktu A do punktu B. Ma ona zależeć od poło­że­nia i różnicy czasu między oboma sta­no­wi­skami. Wynik jaki otrzy­mu­jemy stosując odpo­wiedni wzór w zasadzie równa się staremu, dobremu c. Jednakże, aby nie było zbyt nudno istnieje nie­wielka szansa na wynik… mniejszy lub większy od kla­sycz­nego 299 792 km/s. Oznacza to, że dla poje­dyn­czego fotonu pojawia się ampli­tuda procesu, w którym prze­cho­dzi on samego siebie.

Haczyk? Taki sam jak poprzed­nio: praw­do­po­do­bień­stwo wystą­pie­nia takiego dzi­wac­twa pozo­staje uspo­ka­ja­jąco bliskie zeru. Co waż­niej­sze, w rze­czy­wi­sto­ści makro­sko­po­wej ampli­tudy znoszą się niemal idealnie, dając ele­gancko uśred­nioną, stałą i pewną prędkość światła.

Literatura uzupełniająca:
R. Feynman, QED. Osobliwa teoria światła i materii, przeł. H. Białkowska, Warszawa 2002;
J. Gribbin, Kotki Schrodingera, czyli poszukiwanie rzeczywistości, przeł. J. Bieroń, Warszawa 1999.
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

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