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.