Doświadczenie z dwiema "szczelinami" w czasie

Klasyczny eksperyment Thomasa Younga najpierw kompletnie wykoleił postrzeganie światła, a później stał się jednym z punktów odniesienia dla całej fizyki kwantowej. W 1803 roku brytyjski polihistor pokazał światu, że jeżeli promień światła zostanie przepuszczony przez dwie wąskie szczeliny, to na położonym dalej ekranie ujrzymy szereg ułożonych naprzemiennie ciemnych i jasnych prążków. Young rozumiał, że te charakterystyczne linie powstały tylko dlatego, że światło między przegrodą a ekranem zachowywało się analogicznie do zaburzeń na powierzchni jeziora. Grzbiet fali wzmacniał inny napotkany grzbiet, dolina wzmacniała inną dolinę, a gdy grzbiet wpadł na dolinę, dochodziło do wzajemnego wygaszenia. Otrzymany zbiór prążków był więc wzorem interferencyjnym – świadectwem skrywanej przez światło drugiej, falowej natury.

Dla przypomnienia: interferencja, czyli wzajemne wzmacnianie i wygaszanie nakładających się fal.

Po dwustu latach doświadczenie Younga wciąż jest wskrzeszane i modyfikowane na najrozmaitsze sposoby. Zmieniano rozłożenie i szerokość szczelin, używano splątanych fotonów, a także zastępowano światło wiązkami elektronów, atomów, a nawet całych molekuł (dowodząc, że na schizofrenię cierpią wszystkie elementy mikroświata). Wreszcie niedawno zespół Riccardo Sapienzy z londyńskiego Imperial College wpadł na pomysł, żeby w ogóle wyrzucić z eksperymentu przegrodę i sprawdzić, czy efekt interferencji dałoby się osiągnąć nie przez dzielenie promienia światła w przestrzeni, lecz przez… manipulowanie nim w czasie.

Brzmi, jak coś bardzo zwariowanego i dlatego jest takie fajne.

Nowatorski eksperyment polegał na wymierzeniu wiązki lasera pod kątem 60 stopni w specjalną płytkę, która mogła naprzemiennie zachowywać się albo jak przezroczysta szybka, albo jak odbijające zwierciadło. Momenty, kiedy materiał odbija światło do ustawionego obok detektora odgrywają tu rolę analogiczną do szczelin w przegrodzie. Szybkie odbicie to ciasny otwór, zaś czas do kolejnego odbicia to ekwiwalent odległości pomiędzy szczelinami. Fizyków interesowało, czy tak, jak w XIX-wiecznym doświadczeniu, tak i w przypadku przeciśnięcia fotonów przez “szczeliny” na osi czasu, zdradzą one swoją falową tożsamość. Czy wykażą ślady świadczące o zachodzeniu interferencji.

Dyfrakcja czasowa fal ma wiele podobieństw do swojego przestrzennego odpowiednika, takich jak profil sinusoidalny z odwrotną zależnością od odległości między szczelinami czasowymi, ale także różnice związane z asymetrią narastania i zaniku szczeliny czasowej oraz efektem Dopplera dla ugiętego światła. Dyfrakcja czasowa wymaga modulacji szczeliny czasowej wystarczająco szybkiej, aby wywołać oscylacje częstotliwości. (…) Podsumowując, przedstawiamy bezpośrednią obserwację oscylacji widmowych na częstotliwościach optycznych, wynikających z dyfrakcji czasu na podwójnej szczelinie, czasowego odpowiednika eksperymentu ze szczelinami Younga.
Z publikacji Double-slit time diffraction at optical frequencies

Osiągnięty rezultat nie jest niestety tak klarowny, jak ciemne i jasne prążki Thomasa Younga. Fizycy oparli się o analizę częstotliwości odbitych wiązek, czyli w pewnym sensie szukali zmian w kolorze odbitego światła. Na bazie uzyskanych profili udało im się ustalić, że długość czasu odbicia rzeczywiście wpływa na częstotliwość w podobnym stopniu, jak szerokość szczeliny w przegrodzie zmienia stopień ugięcia (dyfrakcji) fali świetlnej. Jednak na tym nie koniec. Przy dwukrotnym odbiciu wiązki profil ulega dalszej zmianie i staje się bardziej złożony – i znów analogicznie do szczelin Younga – na rezultat wpływa długość przerwy między odbiciami. Autorzy badania dopatrują się w tych zaburzeniach częstotliwości echa interferencji, wynikającej ze wzajemnego zakłócania się obu odbić wiązki lasera.

Pierwszy bohomaz (a) przedstawia klasyczny eksperyment z przepuszczeniem światła przez dwie szczeliny w przegrodzie. Na drugim (b) próbowałem uchwycić istotę doświadczenia Sapienzy. Wiązka światła jest tu wycelowana w płytkę, która na krótkie momenty trwające kilkadziesiąt femtosekund zwiększa swój współczynnik odbicia. W częstotliwości odbitego w ten sposób światła widać ślady dyfrakcji i interferencji.

Przeprowadzenie tego eksperymentu nie byłoby w ogóle możliwe, gdyby nie kunszt techniczny ekipy Sapienzy. Powiedzieć, że zmiana przepuszczalności płytki odbywała się w ułamku sekundy, to jakby nic nie powiedzieć. Przy częstotliwości użytej wiązki, okres pełnego wychylenia fali elektromagnetycznej w górę i dół liczony jest w femtosekundach – biliardowych częściach sekundy – dlatego właśnie do takiej skali musieli zbliżyć się naukowcy. Mówimy o niewiarygodnie krótkich odcinkach czasu, wymykających się percepcji standardowej aparatury pomiarowej i porównywalnych z “drganiami” cezu stosowanego w najdokładniejszych zegarach atomowych.

Fizycy z Londynu byli gotowi podjąć to wyzwanie, ponieważ od wielu lat pozostają rekordzistami w dyscyplinie fachowo nazywanej ultraszybką modulacją optyczną. Ich pomysł polegał na zastosowaniu 40-nanometrowej płytki ITO (tlenku indu i cyny) – przezroczystego półprzewodnika, jaki znamy choćby z ekranów dotykowych naszych smartfonów. Materiał osadzono na podstawce ze złota o grubości 100 nm i pokryto szklaną powłoką. Tak przygotowaną powierzchnię wystarczyło popieścić impulsem innego lasera, aby momentalnie zmienić jego współczynnik odbicia.

Romain Tirole i eksperyment z dwiema szczelinami w czasie — Jeden z liderów londyńskiego zespołu, Romain Tirole, w środowisku naturalnym.

Właśnie w ten sposób szkiełko na kilkadziesiąt femtosekund zamieniało się w lustro, co byłoby niewykonalne przy wykorzystaniu innych, bardziej konwencjonalnych technik z użyciem elektroniki. Ilustrując to na przykładzie przestrzennym: gdyby sekunda stanowiła odpowiednik metrowej ściany, takie szczeliny byłyby węższe od jądra atomu.

Czy przeprowadzony eksperyment wpłynie na teorię, chociażby przez rzucenie nowego światła (lub cienia), na którąś z interpretacji zjawisk kwantowych? Sama praca Riccardo Sapienzy jest dość krótka i ma charakter wybitnie techniczny. Doświadczalnicy skupili się na zademonstrowaniu możliwości pionierskiej metody modulowania światłem, nie wchodząc głębiej w kwantową króliczą norę. Napisałem jednak do jednego z członków zespołu z pytaniem o ewentualne dalsze implikacje otrzymanych rezultatów. Jeżeli otrzymam odpowiedź lub pojawią się nowe publikacje na ten temat, niezwłocznie dodam uzupełnienie.