Φωτόνια Μάντεις; (+βίντεο)

Σημ. του Ν: Ακόμα κι αν δεν αντιληφθείτε ακριβώς το πείραμα, μείνετε στις δύο υπογραμμισμένες φράσεις μέσα στο κείμενο… Η κβαντική μπορεί να γίνει ακόμα πιο μεταφυσική, ναι!

Η επιλογή των αστρονόμων, του πώς να παρατηρήσουν τα φωτόνια από το κβάζαρ εδώ στο παρόν, προσδιορίζει προφανώς αν κάθε φωτόνιο πήρε δύο πορείες ή απλά μια διαδρομή γύρω από το γιγαντιαίο βαρυτικό φακό, δισεκατομμύρια χρόνια πριν! Καθώς πλησίαζαν το γαλαξιακό διαχωριστή δέσμης, τα φωτόνια πρέπει να είχαν κάτι σαν προαίσθημα που να τους λέει πώς να συμπεριφερθούν, για να ικανοποιήσουν μία επιλογή που θα γίνει από αγέννητα όντα σε έναν ακόμη ανύπαρκτο πλανήτη!

Η πλάνη με τέτοιου είδους εικασίες, εξηγεί ο Wheeler, είναι η υπόθεση ότι το φωτόνιο είχε κάποια φυσική μορφή, πριν ο αστρονόμος το παρατηρήσει. Είτε ήταν ένα κύμα είτε ήταν ένα σωματίδιο. Είτε πήγε και από τις δύο διαδρομές γύρω από το βαρυτικό φακό είτε μόνο από μία διαδρομή. Στην πραγματικότητα, λέει ο Wheeler, τα κβαντικά φαινόμενα δεν είναι ούτε κύματα, ούτε σωματίδια, αλλά είναι εγγενώς απροσδιόριστα μέχρι τη στιγμή που μετρώνται. Κατά μία έννοια ο βρετανός φιλόσοφος Bishop Berkeley είχε δίκιο όταν υποστήριξε πριν από δύο αιώνες ότι «υπάρχει σημαίνει να είναι αντιληπτό».

Παρομοιάζοντας την κβαντική μηχανική, περίπου 60 χρόνια πριν, ο Βρετανός φυσικός Sir Arthur Eddington διαμαρτυρήθηκε ότι η θεωρία έχει τόσο νόημα όσο και το ποίημα του Lewis Carroll «Η Ιάββερυοκη» στο οποίο «Και οι τόφοι σλαίθοι εν ύειβη εγύρυον και εγίμβλυον».
Δυστυχώς, η ορολογία της κβαντικής μηχανικής είναι μάλλον λιγότερο φαντασμαγορική. Μία απαρατήρητη κβαντική οντότητα, λέγεται ότι υπάρχει σε μία «συνεκτική υπέρθεση» όλων των πιθανών «καταστάσεων» που επιτρέπει η «κυματοσυνάρτησή» της. Αλλά μόλις ένας παρατηρητής κάνει μία μέτρηση ικανή να διακρίνει μεταξύ των καταστάσεων αυτών, η κυματοσυνάρτηση «καταρρέει», και η οντότητα ωθείται σε μία μοναδική (συγκεκριμένη) κατάσταση.

Ωστόσο, ακόμα και αυτή η σκόπιμα αφηρημένη γλώσσα περιέχει ορισμένες παραπλανητικές συνέπειες. Η μία είναι ότι η μέτρηση απαιτεί άμεση φυσική παρέμβαση. Οι φυσικοί εξηγούν συχνά την αρχή της αβεβαιότητας με αυτό τον τρόπο: Κατά τη μέτρηση της θέσης μιας κβαντικής οντότητας αναπόφευκτα τη μπλοκάρουμε από την πορεία της, χάνοντας πληροφορίες για την κατεύθυνσή της και τη φάση της, τη σχετική θέση των κορυφών και των βάσεών της.

Τα περισσότερα πειράματα περιλαμβάνουν πράγματι ενοχλητικές μετρήσεις. Για παράδειγμα το μπλοκάρισμα της μίας διαδρομής ή της άλλης, ή μετακινώντας ανιχνευτές κοντά στις σχισμές, προφανώς διαταράσσει την πορεία των φωτονίων στο πείραμα διπλής σχισμής, όπως και η τοποθέτηση ενός ανιχνευτή κατά μήκος μίας διαδρομής στο πείραμα καθυστερημένης επιλογής.

Αλλά ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε από την ομάδα του Mandel στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ δείχνει ότι ένα φωτόνιο μπορεί να εξαναγκαστεί να μεταβεί από κυματοειδή σε σωματιοειδή συμπεριφορά από κάτι πολύ πιο λεπτό από την άμεση παρέμβαση.

Το πείραμα βασίζεται σε έναν παραμετρικό υποβιβαστή (down-converter) έναν ασυνήθιστο φακό που χωρίζει ένα φωτόνιο μιας δεδομένης ενέργειας σε δύο φωτόνια των οποίων η ενέργεια είναι το ήμισυ αυτής του αρχικού. Αν και η συσκευή αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1960, η ομάδα του Rochester πρωτοστάτησε στη χρήση της σε δοκιμές της κβαντικής μηχανικής. Στο πείραμα, ένα λέιζερ ρίχνει φως σε έναν διαχωριστή δέσμης. Τα ανακλώμενα φωτόνια κάτευθύνονται προς έναν υποβιβαστή, και τα μεταβιβαζόμενα φωτόνια πηγαίνουν σε άλλον υποβιβαστή. Κάθε υποβιβαστής χωρίζει κάθε φωτόνιο που προσπίπτει πάνω του σε δύο χαμηλότερης συχνότητας φωτόνια. Το ένα το ονομάζουμε «σήμα» και το άλλο «αδρανές». Οι δύο υποβιβαστές διατάσσονται έτσι ώστε οι δύο δέσμες των «αδρανών» να συγχωνεύονται σε μία ενιαία δέσμη. Καθρέπτες κατευθύνουν τα αλληλοεπικαλυπτόμενα «αδρανή» σε έναν ανιχνευτή και τις δύο δέσμες των «σημάτων» σε έναν ξεχωριστό ανιχνευτή.

Αυτός ο σχεδιασμός δεν επιτρέπει σε έναν παρατηρητή να πει με ποιο τρόπο πήγε κάθε μεμονωμένο φωτόνιο μετά από τη συνάντησή του με το διαχωριστή δέσμης. Κάθε φωτόνιο πηγαίνει ως εκ τούτου και δεξιά και αριστερά στο διαχωριστή δέσμης, όπως ένα κύμα, και περνά μέσα και από τους δύο υποβιβαστές, παράγοντας δύο κυματίδια «σήματος» και δύο κυματίδια «αδρανούς». Τα κυματίδια «σήματος» δημιουργούν ένα μοτίβο συμβολής στον ανιχνευτή τους. Το μοτίβο αποκαλύπτεται επιμηκύνοντας βαθμιαία την απόσταση την οποία τα «σήματα» πρέπει να διανύσουν, για να φθάσουν από τον ένα υποβιβαστή στον ανιχνευτή. Το ποσοστό ανίχνευσης τότε αυξάνεται και μειώνεται καθώς οι κορυφές και οι υφέσεις των κυματιδίων συμβολής αλλάζουν μεταξύ τους, βρισκόμενες εντός και εκτός φάσεως.

Τώρα ερχόμαστε στο παράξενο μέρος. Τα φωτόνια «σήματα» και τα «αδρανή» φωτόνια, αφού εκπέμφθηκαν από τους υποβιβαστές, ποτέ ξανά δεν διασταυρώθηκαν οι διαδρομές τους. Προχωρούν στους αντίστοιχους ανιχνευτές τους, ανεξάρτητα μεταξύ τους. Παρ’ όλα αυτά, απλά εμποδίζοντας τη διαδρομή μίας ομάδας των «αδρανών» φωτονίων, οι ερευνητές καταστρέφουν το μοτίβο συμβολής των φωτονίων «σημάτων». Τι έχει αλλάξει;

Η απάντηση είναι ότι η δυνητική γνώση του παρατηρητή έχει αλλάξει. Μπορεί τώρα να καθορίσει ποια διαδρομή τα φωτόνια «σήματα» πήραν στην πορεία προς τον ανιχνευτή τους, συγκρίνοντας τους χρόνους άφιξής τους με εκείνες των υπολοίπων, των ανεμπόδιστων «αδρανών». Το αρχικό φωτόνιο δεν μπορεί πλέον να ταξιδέψει και με τους δύο τρόπους στο διαχωριστή δέσμης, σαν ένα κύμα, αλλά πρέπει είτε να ανακλαστεί είτε να περάσει από μέσα (μεταβιβαστεί), όπως ένα σωματίδιο.

Η απαιτούμενη σύγκριση των χρόνων άφιξης δεν εκτελείται πραγματικά ώστε να καταστρέψει το σχήμα συμβολής. Η απλή «απειλή» απόκτησης πληροφορίας για το ποιά διαδρομή ταξίδεψε το φωτόνιο, εξηγεί ο Mandel, το εξαναγκάζει να ταξιδέψει μόνο από τη μία οδό. «Η κβαντική κατάσταση «αντικατοπτρίζει» όχι μόνο ό,τι γνωρίζουμε για το σύστημα αλλά ό,τι είναι «επί της αρχής» (στη θεωρία) δυνάμενο να γίνει γνωστό», λέει ο Μάντελ.

Μπορεί η απειλή απόκτησης επιβαρυντικών στοιχείων, εφόσον συμβεί, να αποσυρθεί; Με άλλα λόγια, είναι οι μετρήσεις αναστρέψιμες; Πολλοί θεωρητικοί, όπως ο Bohr, θεωρούν πως όχι, και η φράση «κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης» αντικατοπτρίζει αυτή την πεποίθηση. Αλλά από το 1983 ο Marlan O. Scully, ένας θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Νέου Μεξικού, υποστήριξε ότι θα πρέπει να είναι δυνατό να αποκτήσουμε πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση ενός κβαντικού φαινομένου, καταστρέφοντας έτσι τις κυματοειδείς ιδιότητές του, και στη συνέχεια να επαναφέρουμε αυτές τις ιδιότητες με το «σβήσιμο» των πληροφοριών.

Αρκετές ομάδες εργασίας στην οπτική συμβολομετρία, συμπεριλαμβανομένης του Μαντέλ, ισχυρίζονται ότι κατέδειξαν αυτό που ο Scully έχει βαπτίσει «κβαντική γόμα». Η ομάδα που έχει έρθει πιο κοντά, σύμφωνα με το Scully, είναι μία με επικεφαλής τον Raymond Y. Chiao του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ.

Η ομάδα του Chiao πέρασε μια ακτίνα φωτός μέσα από έναν κρύσταλλο υποβιβασμού, δημιουργώντας δύο πανομοιότυπα φωτόνια. Μετά κατευθυνόμενα από καθρέφτες κατά μήκος ξεχωριστών διαδρομών, τα δύο φωτόνια διασταυρώθηκαν και πάλι σε έναν ημι-επαργυρωμένο καθρέφτη και εισήλθαν εν συνεχεία σε δύο ανιχνευτές. Επειδή ήταν αδύνατο να γνωρίζουμε ποιό φωτόνιο κατέληξε σε ποιόν ανιχνευτή, κάθε φωτόνιο φαινόταν να πηγαίνει και από τους δύο δρόμους. Όπως στο πείραμα του Mandel, το μοτίβο συμβολής αποκαλύφθηκε με επιμήκυνση ενός βραχίονα του συμβολόμετρου. Μια συσκευή που ονομάζεται μετρητής σύμπτωσης έδειξε τις ταυτόχρονες κρούσεις από τους δύο ανιχνευτές φωτονίων να αυξάνονται και να μειώνονται καθώς τα δύο κυματίδια που εισέρχονταν σε κάθε ανιχνευτή, βρίσκονταν εντός και εκτός φάσης.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές πρόσθεσαν μια συσκευή στο συμβολόμετρο που άλλαζε την πόλωση της μίας ομάδας φωτονίων κατά 90 μοίρες – Αν σκεφτούμε μια ακτίνα φωτός σαν ένα βέλος, πόλωση είναι ο προσανατολισμός του επιπέδου του βέλους. Μία από τις ιδιαιτερότητες της πόλωσης είναι ότι πρόκειται για μια αυστηρά δυαδική ιδιότητα, τα φωτόνια είναι πάντα πολωμένα είτε κάθετα είτε οριζόντια. Η αλλαγμένη πόλωση χρησίμευσε ως ετικέτα. Βάζοντας ανιχνευτές πόλωσης μπροστά από τους απλούς ανιχνευτές φωτός στο τέλος των διαδρομών, θα μπορούσε κανείς να καθορίσει ποια διαδρομή είχε πάρει κάθε φωτόνιο. Οι δύο διαδρομές δεν ήταν πλέον αδιάκριτες (δεν ήταν αξεχώριστες, πανομοιότυπες), και έτσι το σχήμα συμβολής εξαφανίστηκε.

Τελικά, η ομάδα του Chiao έθεσε δύο συσκευές οι οποίες επιτρέπουν την είσοδο φωτός πολωμένου μόνο σε μία κατεύθυνση, ακριβώς μπροστά από τους ανιχνευτές. Οι διαδρομές ήταν αδιάκριτες και πάλι, και το σχέδιο συμβολής επανεμφανίστηκε. Σε αντίθεση με τον Humpty-Dumpty (παρομοίωση σαν το ραγισμένο γυαλί που δεν ξανακολά), μία κυματοσυνάρτηση που έχει καταρρεύσει μπορεί να ανασυσταθεί και πάλι.

 

Advertisements

Σχολιάστε

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

Λογότυπο WordPress.com

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

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s