Cząstka jest trochę falą, fala jest trochę cząstką. Kwantowa klasyka. Wszystko przez XIX-wieczne doświadczenie Younga, do którego ciągle wracamy i wracać będziemy, próbując poprawnie zinterpretować zdumiewającą naturę obiektów w najmniejszej skali.
W taki sposób doszedłem do idei przewodniej w moich badaniach: konieczne jest jednoczesne wprowadzenie pojęcia korpuskuły i fali, zarówno dla materii, jak i promieniowania.
Louis de Broglie
Na początku była światłość
Niewiele było w dziejach tak prostych i zarazem rewolucyjnych eksperymentów. Jeśli sięgniesz po dowolną lekturę poświęconą fizyce mikroświata, natkniesz się nań obowiązkowo, już w jednym z pierwszych rozdziałów. Choć pionierskie doświadczenie z dwoma szczelinami zostało przeprowadzone dwieście lat temu, ciągle podlega usprawnianiu i powtarzaniu. Warto zatem zadać sobie pytanie, dlaczego uczeni i popularyzatorzy nauki tak się go uczepili?
Doświadczenie opracowane przez Thomasa Younga służyło wyłącznie rozstrzygnięciu odwiecznego sporu na temat charakteru światła. Podczas gdy jedni fizycy z pewnością siebie opisywali światło jako strumień cząstek, inni przypisywali mu cechy fali – nie innej niż te, które możesz podziwiać na powierzchni morza. Anglik wymyślił najprostszy test z możliwych. Postanowił przepuścić światło przez przegrodę z otworami, co mogło dać tylko jeden z dwóch możliwych wyników. Wiedział, że jeśli światło skrywa naturę korpuskularną, to na ekranie ujrzy dwa, leżące naprzeciwko szczelin paski. Podobny efekt otrzymałbyś np. ostrzeliwując przegrodę za pomocą karabinu.

Jeśli jednak światło zachowuje się jak fala, to Young powinien zobaczyć coś zupełnie innego. Fala w takiej sytuacji ulegnie podziałowi, a następnie dojdzie do wzajemnych wzmocnień i wygaszeń. Jak widzisz na poniższej animacji, na ekranie ujawnią się liczne prążki, mądrze nazywane wzorem interferencyjnym. Zwróć uwagę, że najjaśniejszy prążek pojawia się na środku tablicy. W przypadku cząstek byłoby to wykluczone, bo przecież centrum pozostaje zasłonięte przez przeszkodę.

I właśnie te, typowe dla fali paski, ujrzał podczas próby fizyk z Royal Institution. Nie byłoby to szczególnie intrygujące, gdyby nie fakt, że zarówno wcześniejsi jak i późniejsi eksperymentatorzy skutecznie wykazywali, że światło musi składać się z jakichś możliwych do wyodrębnienia drobinek. Stąd też każdy uczeń słyszy w szkole o dualistycznej, korpuskularno-falowej naturze światła.
Dla nas to jednak dopiero przystawka przed kwantowym daniem głównym.
Wszystko jest trochę falą
Rezultaty doświadczenia Younga zawsze mógłbyś zbyć stwierdzeniem: No dobrze, jest to trochę dziwne, ale w sumie światło zawsze pozostawało jakieś inne. Jednak najbardziej niewiarygodne jest właśnie to, że ekscentryczny dualizm korpuskularno-falowy nie dotyczy tylko promieniowania elektromagnetycznego (bo tym w istocie jest światło) lecz… wszystkiego. Każdy obiekt w skali subatomowej wykazuje od czasu do czasu cechy fali. Nie ważne czy w analogicznym teście będziemy strzelać elektronami, protonami, neutrinami czy nawet całymi atomami – i tak po drugiej stronie zostanie zarysowany wzór interferencyjny. (Gwoli ścisłości: tak, sprawdzono to eksperymentalnie). Znów masz prawo zaprotestować. A może śląc strumień elektronów dochodzi między nimi do jakiejś interakcji, a interferencję daje się wytłumaczyć w miarę niewywrotowy sposób? Może wystarczy kontrolować emisję cząstek i strzelać nimi pojedynczo, najlepiej w dużych odstępach czasowych? Pojedyncza “kulka”, której nic i nikt nie przeszkadza, powinna przelecieć przez jeden z otworów i wylądować naprzeciwko niego, jak Newton przykazał.
Chciałbyś żeby było tak prosto, prawda? Przykro mi, ale ten pojedynczy skurczybyk ma całkiem sporą szansę wylądować pośrodku ekranu, czego w fizyce klasycznej nie mógłby dokonać. Co więcej, gdy spędzisz nad eksperymentem miesiąc i wystrzelisz pojedynczo kilka milionów elektronów, ku swojej irytacji ujrzysz paski interferencyjne. Nawet jeden, samotny elektron przebywa drogę typową dla fali. To tak jak gdybyś strzelał z karabinu przez przesłonę, a wystrzelone pociski samoistnie ułożyły na ścianie charakterystyczne prążki. Nie muszę chyba mówić, że takie zjawisko, w rzeczywistości dużych obiektów, jest absolutnie wykluczone.
A co stanie się jeśli zasłonimy jedną ze szczelin?
W takim przypadku wszechświat nagle normalnieje, a wyrzucane elektrony tworzą jeden, klasyczny prążek. Mówi nam to coś bardzo ważnego o całym procederze. Pojedyncza cząstka zachowuje się jak gdyby wiedziała czy ma do dyspozycji jedną czy dwie dziury. To dopiero chore. Nie dość, że cząstka bądź atom, o konkretnych rozmiarach i masie, podróżuje jakąś zakręconą trajektorią; to jeszcze zdaje się ogarniać jednocześnie cały obszar naszego eksperymentu.

W świecie kwantów fizyka klasyczna ustępuje miejsca całkiem nowym, zwariowanym regułom.
Czy mały obiekt znajduje się w kilku miejscach na raz? Jest rozsmarowany w przestrzeni? W jakiś sposób sprawdza wszystkie dostępne mu opcje? Typowa kwantowomechaniczna łamigłówka: mamy wyniki i znamy konsekwencje, ale sam przebieg procesu pozostaje przedmiotem spekulacji. Potrzebujemy interpretacji tego co wyprawia się między wyrzutnią cząstek a ekranem. Na razie w tym miejscu musimy spuścić zasłonę cenzury.
Co tu się wydarzyło?
Wyjaśnienie klasyczne
Wciąż najpopularniejszą wersją wydaje się ta, ukuta podczas licznych dysput z udziałem Wernera Heisenberga, Maxa Borna, a zwłaszcza duńskiego noblisty, Nielsa Bohra. Według niej stan kwantowy zawsze pozostaje nieokreślony, do czasu dokonania aktu pomiaru, czyli próby uzyskania informacji o tym stanie. Jej uosobieniem pozostaje popularny kot Schrödingera, będący “jednocześnie” żywy i martwy. Jak wiesz, żywot hipotetycznego futrzaka uzależniony jest od stanu pojedynczego, niepodglądanego atomu, który “jednocześnie” ulega i nie ulega rozpadnięciu. Cudzysłów nieprzypadkowy, bowiem nasze kategorie myślowe nie oddają subtelności tego zjawiska. Bohr wskazuje, że dopiero w momencie otwarcia pudełka – a więc ingerencji obserwatora – atom zostaje zmuszony do obrania jednego ze stanów. Pożądana przez szarego obywatela pewna i namacalna rzeczywistość, po prostu nie funkcjonuje przed spojrzeniem na cząstkę. Fizycy mówią w tej sytuacji o kolapsie fali prawdopodobieństwa.

W przypadku doświadczenia z dwoma szczelinami, również główną rolę odgrywa akt pomiaru. Zadaj sobie czytelniku pytanie: co stanie się gdy wścibski uczony spróbuje podglądnąć, przez którą dziurkę przechodzi elektron? Bez wątpienia dokona pomiaru, zatem dojdzie do przedwczesnego kolapsu fali i cząstka przybierze konkretny stan jeszcze przed przeszkodą. W efekcie, na ekranie zobaczymy dwa paski zamiast prążków interferencyjnych! Jednak dopóki cząstka nie jest obserwowana, dopóty nie precyzuje swojego stanu, sama nie “wie” gdzie się znajduje. Trudno to przełożyć na język obiektów makroskopowych, ale matematycznie najlepiej ten fenomen opisuje funkcja falowa. Mowa o fali prawdopodobieństwa spotkania elektronu w danym miejscu. Według interpretacji kopenhaskiej, właśnie ta abstrakcyjna fala przechodzi przez dwie szczeliny oraz ulega wzmocnieniom i wygaszaniom, co równa się zwiększeniu lub zmniejszeniu szansy natrafienia na cząstkę w danym miejscu. Teoretycznie drobina może wylądować wszędzie, jednakże po wystrzeleniu milionów elektronów, statystycznie najwięcej dotrze do takich sektorów na ekranie aby ukształtować prążki interferencyjne.
Wyjaśnienie ekstrawaganckie
To bardzo proste! Wystrzelony elektron realnie przechodzi przez obie szczeliny i trafia w każde możliwe miejsce. Takie podejście wyszło z umysłu przywoływanego już na łamach bloga (np. tu) Hugh Everetta. Brzmi niewinnie, dopóki nie pojmiemy jak według naukowca określony obiekt może dosłownie wykonać kilka czynności jednocześnie.
Wyobraź sobie, że znajdujesz się na boisku i wykonujesz rzut karny. Stosując rozumowanie Everetta, w chwili strzału dochodzi do… rozszczepienia wszechświata. Powstaje ogromna ilość alternatywnych uniwersów, w których piłka ląduje na trybunach, uderza w słupek, poprzeczkę, bramkarza, trafia w okienko i tak dalej. Tak właśnie do nauki próbowała przeniknąć znana z fantastyki idea multiświatów. Oryginalna interpretacja doczekała się kilku wariantów, ale rdzeń pozostaje bliźniaczy. Po wystrzeleniu elektronu, zależnie od wszechświata, wybiera on dla siebie szczelinę i jedną z możliwych trajektorii. Jednakże kopie wszechświatów potrafią się wyczuwać i w ograniczony sposób na siebie wpływać. Alternatywne rzeczywistości interferują ze sobą, w efekcie dając to co tak świetnie opisuje funkcja falowa.
Jak pewnie przeczuwasz, hipoteza ta nie cieszy się szczególnym poważaniem szacownych uczonych, z reguły wybierających mniej kontrowersyjne pomysły. Nawet nauczyciel i współpracownik Hugh Everetta, wielki John Wheeler, traktował wieloświat z przymrużeniem oka, choć osobiście wspierał starania młodszego kolegi. Niemniej, nie istnieją praktyczne argumenty dyskredytującą tę interpretację, ponieważ jej przewidywania na dobrą sprawę pokrywają się dokładnie z tym co mówi nam szkoła kopenhaska.
Wyjaśnienie podejrzliwe
Jak każde dziecko wie (no dobra, jak każde dziecko czytające Kwantowo), Albert Einstein do końca życia żywił nadzieję na uchwycenie w mechanice kwantowej drugiego dna. Pogodził się z faktem, iż nowa dziedzina robi furorę i bardzo precyzyjnie opisuje otrzymywane wyniki, ale wciąż poszukiwał dowodów na jej niepełność. Żądał od przyrody odtajnienia informacji o głębszej prawdzie, determinującej takie a nie inne zachowanie cząstek.
Geniusz nie był w swoich polowaniach osamotniony. Z niepewnością fizyki nie mogły się pogodzić tuzy pokroju Erwina Schrödingera, Louisa de Broglie’a czy nieco mniej znanego profesora z Londynu, Davida Bohma. Dwaj ostatni poczynili starania mające na celu urealnienie mechaniki kwantowej; uczynienie jej bardziej namacalną. Dla Bohra o wyniku doświadczenia z dwoma szczelinami decydowała – jak już wiesz – abstrakcyjna, czysto matematyczna fala prawdopodobieństwa. Francuz i Amerykanin postanowili zastąpić ją falą rzeczywistą, wywierającą faktyczny wpływ na wszechświat. Roboczo nazywano ją falą prowadzącą bądź potencjałem kwantowym.
Możemy spróbować wyobrazić sobie tę ideę, w gigantycznym uproszczeniu, jako swego rodzaju otoczkę towarzyszącą każdej istniejącej cząstce. Przykładowy elektron jest tu postrzegany bardzo grzecznie, jako namacalna drobina, zaś owa “otoczka” jako pole o cechach fali. Potencjał kwantowy niejako pilotuje cząstkę, toteż jego zaburzenie, przez pomiar czy ustawienie przeszkody, musi wpłynąć na ruch cząstki. Elektron przechodzi tylko przez jeden z otworów, ale jego fala prowadząca jak najbardziej ulega interferencji. W efekcie otrzymujemy piekielne prążki. Przy tym warto zaznaczyć, że potencjał charakteryzuje nielokalność. Zajmuje on całą przestrzeń i reaguje na każdy bodziec w sposób dosłownie natychmiastowy, mówiąc swojej cząstce co ma za moment zrobić (nieco więcej o nielokalności w kontekście splątania kwantowego, tu).
Piewcy wizji kopenhaskiej przez długi czas uderzali w teorię Broglie’a-Bohma zarzutem metodologicznym: po co wprowadzać dodatkowy fizyczny byt, na którego istnienie nie ma żadnych dowodów? Wyjaśnienie to przypadło jednak do gustu kwantowym sceptykom. Łatwo bowiem, idąc tym tropem, wytłumaczyć denerwujący probabilizm mikroświata. Cząstka znów zyskała status zwykłej “kropki” przemierzającej konkretną trajektorię. Niepewność wynika jedynie z działania fali pilotującej, na kształt której wpływ ma… cały wszechświat! Stąd już krótka droga do wniosku miłego dla uszu staroświeckich fizyków, jakobyśmy mieli do czynienia jedynie z probabilizmem rzekomym. Gdybyś potrafił wyznaczyć stan każdego atomu w kosmosie, każdej cząstki oraz ich potencjałów kwantowych, a następnie uwzględnił to wszystko w równaniach, dałbyś radę ze stuprocentową pewnością poznać wszystkie cechy wystrzelonego elektronu. Wyzwanie absolutnie nie do realizacji, ale jeśli wizja Broglie’a-Bohma ma w sobie ziarno prawdy, to stawia pod znakiem zapytania samą istotę mechaniki kwantowej. Wrodzona niepewność przyrody mogłaby okazać się mitem.
Filozofujący fizycy
Teraz jestem przekonany, że fizyka teoretyczna jest w istocie filozofią.
Max Born
Kreatywność fizyków jest znacznie szersza i pozwoliła na powstanie jeszcze wielu interpretacji, tudzież wariacji tych powyższych. Jednak bez względu na to, na pewno zauważyłeś pewien fundamentalny fakt. Bohr, Everett, de Broglie czy Bohm, nie negowali swoimi koncepcjami osiągnięć fizyki kwantowej. W każdym z przypadków zakładano użycie tego samego równania i uzyskanie analogicznych wyników. Ci czcigodni uczeni podjęli jedynie heroiczną próbę szczegółowego zrozumienia głębi kwantowych zjawisk. I choć interpretacja kopenhaska wciąż utrzymuje prymat, nie ma fizycznych przesłanek gwarantujących jej słuszność.
Literatura uzupełniająca:
J. Al-Khalili, Kwanty. Przewodnik dla zdezorientowanych, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2015;
P. Davies, J. Brown, Duch w atomie. Dyskusja o paradoksach teorii kwantowej, przeł. P. Amsterdamski, Warszawa 2006;
A. K. Wróblewski, Historia fizyki. Od czasów najdawniejszych do współczesności, Warszawa 2015;
J. Rodzeń, Davida Bohma filozofia ukrytego porządku, “Zagadnienia filozoficzne w nauce”, XIII/1991;
Quantum Measurement, [online: http://www.hitachi.com/rd/portal/highlight/quantum/].
-
Prymus
-
40 i 4
-
Krystyna
-
-
Dominik Kurek
-
-
Rogal
-
Dominik Kurek
-
-
taranssj4
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
kwantol
-
Indu Sand
-
-
Krystyna
-
-
Stanisław Miłkowski
-
Motoman
-
-
http://nowaalchemia.blogspot.com/ zaciekawiony
-
Dominik Kurek
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
Dominik Kurek
-
-
-
as
-
Stanisław Miłkowski
-
-
Mariusz
-
Mariusz
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
-
Mariusz
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
-
Mariusz
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
-
Mariusz
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
-
Mariusz
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
-
Mariusz
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
-
Mariusz
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
Mariusz
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
-
-
Mariusz
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
Mariusz
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
-
-
Mariusz
-
Markonius
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
-
Indu Sand
-
https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk
-
ja
-
-
-
Justyna
-
ja
-
-
wenera