Το άτομο και το κβαντικό του είδωλο στον καθρέφτη

Posted on 16/04/2011

0


Μια ομάδα πειραματικών φυσικών παράγει κβαντικές υπερθέσεις, χρησιμοποιώντας απλά έναν καθρέφτη

Όταν στεκόμαστε μπροστά σε έναν καθρέπτη μπορούμε εύκολα να ξεχωρίσουμε τον πραγματικό μας εαυτό από το είδωλό μας στον καθρέπτη. Ο καθρέπτης δεν επηρεάζει την κίνησή μας με οποιονδήποτε τρόπο. Για τα κβαντικά σωματίδια όμως, αυτό είναι πολύ πιο περίπλοκο. Σε ένα εντυπωσιακό πείραμα στα εργαστήρια του πανεπιστημίου της Χαϊδελβέργης μια ομάδα φυσικών πραγματοποίησε ένα νοητικό πείραμα του Einstein, κάνοντας ασαφή τη διάκριση μεταξύ ενός σωματιδίου και του ειδώλου του στον καθρέπτη. Τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος δημοσιεύθηκαν ήδη στο περιοδικό «Nature Physics».
Όταν ένα άτομο εκπέμπει φως (ένα φωτόνιο) σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, τότε ανακρούεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αν ανιχνευθεί το φωτόνιο, τότε και η κίνηση του ατόμου είναι επίσης γνωστή. Οι επιστήμονες τοποθετούν τα άτομα πολύ κοντά σε έναν καθρέφτη. Στην περίπτωση αυτή υπάρχουν δυο πιθανές διαδρομές για κάθε φωτόνιο που φθάνει στον παρατηρητή: μπορεί να φθάσει κατευθείαν σ’ αυτόν ή θα μπορούσε να κινηθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση και στη συνέχεια αφού ανακλαστεί στον καθρέφτη, να φτάσει στον παρατηρητή. Αν δεν υπάρχει τρόπος να διακρίνει κανείς μεταξύ των δυο αυτών σεναρίων, τότε η κίνηση του ατόμου δεν καθορίζεται – το άτομο βρίσκεται σε μια κατάσταση υπέρθεσης μεταξύ των δυο διαδρομών.
Αν η απόσταση μεταξύ του ατόμου και του καθρέφτη είναι πολύ μικρή, είναι φυσικώς αδύνατον να γίνει διάκριση μεταξύ αυτών των δυο διαδρομών.
Το σωματίδιο και το είδωλό του στον καθρέφτη δεν μπορούν να διακριθούν καθαρά μεταξύ τους.
Το άτομο κινείται προς τον καθρέφτη και μακριά από τον καθρέφτη την ίδια στιγμή.
Αυτό μπορεί να ακούγεται παράδοξο και σίγουρα είναι αδύνατον στην κλασική φυσική για τα μακροσκοπικά αντικείμενα, αλλά στην κβαντική φυσική, τέτοιες υπερθέσεις είναι συνηθισμένο φαινόμενο. Αυτή η αβεβαιότητα σχετικά με την κατάσταση του ατόμου, δεν σημαίνει ότι οι μετρήσεις στερούνται ακρίβειας, αλλά πρόκειται για μια θεμελιώδη ιδιότητα της κβαντικής φυσικής: Το σωματίδιο βρίσκεται και στις δυο δυνατές καταστάσεις ταυτόχρονα – βρίσκεται σε μια υπέρθεση. Στο πείραμα οι δυο καταστάσεις κίνησης του ατόμου – στην μία κινείται προς τον καθρέφτη και στην άλλη απομακρύνεται απ’ αυτόν –συνδυάζονται χρησιμοποιώντας περίθλαση Bragg από ένα πλέγμα ακτίνων λέιζερ.

Παρατηρώντας την συμβολή μπορεί να αποδειχθεί άμεσα ότι το άτομο κινείται και στις δυο διαδρομές συγχρόνως.
Αυτό θυμίζει το περίφημο πείραμα των δυο σχισμών (βλέπε βίντεο παρακάτω), στο οποίο ένα σωματίδιο κατευθύνεται σε ένα πέτασμα με δυο σχισμές και… αναπάντεχα, περνάει και από τις δυο σχισμές ταυτόχρονα σαν κύμα, εξαιτίας των κβαντομηχανικών ιδιοτήτων του.
Ο Einstein είχε πει ότι αυτό είναι δυνατόν να συμβεί μόνον αν δεν υπάρχει τρόπος να προσδιορίσουμε πια διαδρομή στην πραγματικότητα επέλεξε το σωματίδιο – και ούτε υπάρχουν ακριβείς μετρήσεις για κάθε (ελάχιστη μεν αλλά υπαρκτή) ανάκρουση του πετάσματος των δυο σχισμών.
Από τη στιγμή που υπάρχει ακόμη και θεωρητικός τρόπος προσδιορισμού της διαδρομής του σωματιδίου, η κβαντική υπέρθεση καταρρέει.
Στο πείραμα με τον καθρέφτη τα φωτόνια παίζουν τον ίδιο ρόλο με την διπλή σχισμή. Αν το φως μπορεί κατ’ αρχήν να μας πει για την κίνηση του ατόμου, τότε η κίνηση είναι σαφώς καθορισμένη. Μόνον όταν είναι θεμελιωδώς απροσδιόριστο, το άτομο βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθεσης, συνδυάζοντας και τις δυο δυνατότητες. Και αυτή η θεμελιώδης απροσδιοριστία είναι εγγυημένη από τον καθρέφτη που απορροφά την ορμή των φωτονίων.
Η διερεύνηση των συνθηκών κάτω από τις οποίες μπορούν να δημιουργηθούν τέτοιες κβαντικές υπερθέσεις, είναι πολύ σημαντικές για την κβαντική φυσική.
Το συναρπαστικότερο σ’ αυτό το πείραμα είναι η δυνατότητα δημιουργίας κατάστασης υπέρθεσης, χρησιμοποιώντας μόνον έναν καθρέφτη – χωρίς κανένα εξωτερικό πεδίο. Με έναν πολύ απλό και φυσικό τρόπο η διάκριση μεταξύ του σωματίου και του ειδώλου του στον καθρέφτη γίνεται θολή, χωρίς πολύπλοκους χειρισμούς από την πλευρά του πειραματιστή.  www.uni-heidelberg.de

Βίντεο: το πείραμα της διπλής σχισμής