Το μυστηριώδες πείραμα της κβαντικής γόμας

Το πείραμα της κβαντικής γόμας παρουσιάζεται πολλές φορές με έναν τρόπο που υπαινίσσεται ταξίδι στον χρόνο δεδομένου ότι μια μέτρηση στο παρόν μπορεί να αλλάξει (‘σβήσει’) το παρελθόν! Υπάρχει πλέον παράδοση στην παρουσίαση των δημοφιλών ‘παραδόξων’ της κβαντομηχανικής τα πράγματα να φαίνονται ακόμα πιο μυστηριώδη. Έτσι, το να υποδεικνύουμε ότι στο πείραμα της κβαντικής γόμας υπεισέρχεται με κάποιο τρόπο ταξίδι πίσω στο χρόνο είναι σαν να ρίχνουμε βενζίνη στη φωτιά. Στην πραγματικότητα το εν λόγω πείραμα απλά αναδεικνύει την μη τοπικότητα της κβαντομηχανικής μέσα από το φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης και της στιγμιαίας κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης.

Κυματική και σωματιδιακή συμπεριφορά

Η συμβολή είναι ένα φαινόμενο που αναδεικνύει την κυματική φύση του φωτός. Πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά στις αρχές του 19ου αιώνα από τον Thomas Young με το πείραμα της διπλής σχισμής: το φως προσέπιπτε σε μια αδιαφανή πλάκα με δυο σχισμές και στο πέτασμα που τοποθέτησε μετά την πλάκα παρατήρησε ένα μοτίβο φωτεινών και σκοτεινών γραμμών, – το μοτίβο των κροσσών της κυματικής συμβολής.

Το πείραμα της διπλής σχισμής χρησιμοποιήθηκε στον εικοστό αιώνα για να αναδείξει την δυική φύση του φωτός (δείτε το σχετικό βίντεο ‘Κβαντική μηχανική και το πείραμα της διπλής σχισμής‘). Στην εικόνα που ακολουθεί βλέπουμε το αποτέλεσμα του πειράματος διπλής σχισμής όταν χρησιμοποιούνται μικρά σφαιρίδια-σωματίδια (πάνω) και όταν πραγματοποιείται με κύματα (κάτω). Όταν στο πείραμα χρησιμοποιείται φως, τότε παρατηρούμε τους κροσσούς συμβολής που αναδεικνύουν την κυματική φύση του του φωτός.

Όμως, αν τοποθετήσουμε ανιχνευτές φωτός στις δυο σχισμές, που μας δείχνουν πιο φωτόνιο πέρασε από ποιά σχισμή, τότε θα παρατηρήσουμε ότι το φως συμπεριφέρεται σαν σωματίδια (όπως συμβαίνει π.χ. στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο):

Τα παραπάνω ισχύουν και όταν το πείραμα της διπλής σχισμής πραγματοποιηθεί με ηλεκτρόνια. Θα παρατηρήσουμε να σχηματίζονται κροσσοί συμβολής αναδεικνύοντας την κυματική φύση των ηλεκτρονίων, αν όμως τοποθετήσουμε ανιχνευτές ηλεκτρονίων στις σχισμές τότε η κυματική εικόνα αντικαθίσταται από την σωματιδιακή (διαβάστε σχετικά: ‘To ιδεατό πείραμα συμβολής ηλεκτρονίων‘). 

Παραβίαση της αιτιότητας;

Ας κάνουμε τώρα μερικές αλλαγές στο απλό πείραμα της διπλής σχισμής με φωτόνια. Προσθέτουμε έναν κρύσταλλο (Glan-Thompson) στην πειραματική διάταξη ο οποίος μετατρέπει το εισερχόμενο σ’ αυτόν φωτόνιο σε δυο φωτόνια, το καθένα με την μισή ενέργεια του αρχικού. Αυτά τα δυο φωτόνια είναι συν-πλεγμένα φωτόνια, που σημαίνει ότι αν μετρήσουμε μια ιδιότητα του ενός από αυτά, τότε γνωρίζουμε και την αντίστοιχη ιδιότητα του άλλου.

Οι δυο ανιχνευτές Α και Β (βλέπε την παρακάτω εικόνα) αρχικά είναι εκτός λειτουργίας. Τα φωτόνια φτάνουν πρώτα στους ανιχνευτές, προτού τα ‘συμπλεγμένα’ με αυτά φτάσουν στην οθόνη όπου παρατηρείται η συμβολή.

Όταν λοιπόν οι ανιχνευτές Α και Β είναι κλειστοί, τότε βλέπουμε στην οθόνη το φαινόμενο της κυματικής συμβολής:

Τα χρώματα πράσινο, κίτρινο και κόκκινο δεν σημαίνουν κάτι, απλά χρησιμοποιούνται για να διακρίνουμε τα φωτόνια μεταξύ τους.

Όμως, όταν οι ανιχνευτές Α και Β είναι ανοιχτοί, τότε στην οθόνη δεν βλέπουμε κυματική συμβολή αλλά το σωματιδιακό μοτίβο:

Οι ανιχνευτές εντοπίζουν τα φωτόνια που περνάνε από συγκεκριμένη σχισμή και δεν σχηματίζονται οι χαρακτηριστικοί κροσσοί της κυματικής συμβολής και τα φωτόνια συμπεριφέρονται ως σωματίδια.

Θα μπορούσε ένα φωτόνιο να αλλάξει την κατάσταση (κυματική ή σωματιδιακή) στην οποία βρίσκονταν στο παρελθόν; Προσπαθώντας να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι το φωτόνιο ήταν είτε κύμα είτε σωματίδιο στο παρελθόν θα έπρεπε να κάνουμε ταξίδι πίσω στον χρόνο. Αντίθετα, οι φυσικοί τείνουν να συμπεράνουν ότι δεν είναι ούτε κύμα ούτε σωματίδιο. Η κατάσταση (κυματική ή σωματιδιακή) ενός φωτονίου παραμένει απροσδιόριστη μέχρι να πραγματοποιηθεί η παρατήρηση από τους ανιχνευτές.

Τοποθετούμε τώρα τους ανιχνευτές Α και Β αρκετά μακριά …

…. ώστε τα φωτόνια να φτάνουν πρώτα στην οθόνη, πριν τα συν-πλεκόμενα με αυτά φωτόνια καταμετρηθούν από τους ανιχνευτές.

Αν επαναλάβουμε το πείραμα τότε το αποτέλεσμα θα είναι το ίδιο με πριν προκαλώντας μια αίσθηση παραδοξότητας. Όταν οι ανιχνευτές Α και Β είναι ανοιχτοί, τότε γνωρίζουμε ποιο φωτόνιο πέρασε από ποιά σχισμή και στην οθόνη εμφανίζεται το σωματιδιακό μοτίβο.

Αυτό σημαίνει ότι οι μετρήσεις ‘επηρεάζουν’ κάτι που συνέβη στο παρελθόν! Φαίνεται σαν να παραβιάζεται η αιτιότητα.

Η κβαντική γόμα

Αλλά αν κάποιος πειστεί ότι ‘παραβιάσαμε’ ήδη την αιτιότητα, τότε γιατί να μην εισάγουμε κι άλλο μυστήριο. Θα μπορούσαμε να σχεδιάσουμε ένα πείραμα στο οποίο να φαίνεται πως σβήνουμε εκ των υστέρων την γνώση μας από ποια σχισμή πέρασαν τα φωτόνια;

Πρόκειται για το πείραμα που πραγματοποίησαν με επιτυχία το 1999 οι Kim, Yu, Kulik, Shih και Scully, στην εργασία τους με τίτλο ‘A Delayed Choice Quantum Eraser‘. Έκτοτε πολλοί χρησιμοποίησαν το πείραμα αυτό (ή και άλλα παρόμοια) ως την πειραματική απόδειξη ταξιδιού στο χρόνο και σβήσιμο του παρελθόντος.

Σχηματικά η πειραματική διάταξη που χρησιμοποίησαν οι Kim et al. Περιλαμβάνει επιπλέον τρεις ημιεπαρργυρωμένους καθρέφτες (ένας τέτοιος καθρέφτης ανακλά τα μισά φωτόνια και διαθλά τα άλλα μισά) και δυο καθρέφτες όπου τα φωτόνια ανακλώνται πλήρως. Οι ανιχνευτές Α και Β επιστρέφουν στην αρχική τους θέση, αλλά θα χρησιμοποιηθούν και δυο επιπλέον ανιχνευτές φωτονίων τους C και D. Προσέξτε ότι οι ανιχνευτές αυτοί δεν μας λένε από ποιά σχισμή πέρασαν τα φωτόνια, οπότε θα αναπαράγουν την κυματικό μοτίβο.

Το πείραμα της κβαντικής γόμας και των αποτελεσμάτων του, περιγράφεται (από το 3:38 και μετά) στο σχετικό βίντεο από το Fermilab που ακολουθεί:

Το πείραμα της κβαντικής γόμας στην ουσία δεν αναδεικνύει κάτι καινούργιο, απλά μας δείχνει με έναν διαφορετικό τρόπο τις συνέπειες της κβαντικής σύμπλεξης και της στιγμιαίας κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης. Το μάθημα που παίρνουμε είναι ότι ο συσχετισμός μεταξύ απομακρυσμένων μετρήσεων δεν αισθάνεται τη σχετική χρονική τους σειρά: δεν κάνει διάκριση μεταξύ μέλλοντος και παρελθόντος. Το σίγουρο είναι ότι αποκλείεται το ταξίδι στον χρόνο και η παραβίαση της αιτιότητας ή οποιαδήποτε αντίφαση με την θεωρία της σχετικότητας.

Μια ολοκληρωμένη επεξήγηση (και απομυθοποίηση) του πειράματος της κβαντικής γόμας περιέχεται στο άρθρο του Bram Gaasbeek με τίτλο ‘Demystifying the Delayed Choice Experiments‘:



Κατηγορίες:ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ

Ετικέτες:

1 reply

  1. Να σας πω την αλήθεια, με μπέρδεξε λίγο στο τέλος ο Dr Lincoln, σαν να το αφήνει φλου. Οπως πάντα βέβαια θεικό το βίντεο, και υπέροχος ο Ντον. Μπράβο και για την επιλογή του άρθρου στο τέλος.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Google

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: