Zasada nieoznaczoności Heisenberga mniej restrykcyjna
Teoria de Broglie-Bohma, czyli alternatywne podejście do zagadnień mechaniki kwantowej, została właśnie wsparta ciekawym eksperymentem, którego wyniki mogą mieć znaczne implikacje w wielu zastosowaniach - od symulowania złożonych molekuł po tunelowanie kwantowe.
Z tradycyjnego punktu widzenia fotony są jednocześnie falą i cząsteczką. Te ostatnie objawiają się jako gęstość prawdopodobieństwa, a z zasady nieoznaczoności Heisenberga wiemy, że nie można jednocześnie zmierzyć położenia cząsteczki i jej prędkości.
Teraz uczeni z USA, Australii, Kanady i Francji poinformowali, że znaleźli sposób jak zmierzyć to, co dotychczas wydawało się niemożliwe. Udało im się mianowicie zebrać kompletną informację o prędkości i pozycji fotonów. Zasada nieoznaczoności Heisenberga wciąż obowiązuje, jednak nie jest już tak restrykcyjna jak poprzednio.
Uczeni użyli mocno chłodzonej kwantowej kropki z arsenku indowo-galowego do uwalniania pojedynczych fotonów. Potwierdzono, co wykazano już w 1909 roku, że pomiędzy wysyłanymi w ten sposób pojedynczymi fotonami wciąż zachodzi interferencja i na fotodetektorze otrzymujemy taki obraz, jakbyśmy mieli do czynienia z całą falą cząstek.
Oczywiście próba prostego zmierzenia drogi każdego fotonu pomiędzy kropką a fotodetektorem skazana byłaby na niepowodzenie z powodu zasady nieoznaczoności Heisenberga.
Aby dokładnie zbadać drogę fotonów bez niszczenia całego systemu Sacha Kocsis, Boris Braverman z University of Toronto oraz Sylvain Ravets z Université Paris-Sud Campus Polytechnique postawili na ich drodze cienki kryształ zawierający kalcyt. Ma on tę szczególną właściwość, że potrafi odwrócić polaryzację fotonu w zależności od tego, z którego kierunku foton się pojawił. Tymczasem soczewki fotodetektora zostały ustawione tak, by ich ogniskowa skupiała się na różnych miejscach w przestrzeni. Dzięki temu uczeni wiedzieli, jak daleko znajduje się foton, zatem mogli poznać jego pozycję, a polaryzacja fotonu dostarczała im informacje o oryginalnym kierunku, w którym wędrował, co w przybliżeniu pozwoliło poznać prędkość.
Jeśli taki eksperyment powtórzymy tysiące razy, badając wszelkie możliwe punkty w przestrzeni pomiędzy kropką kwantową a fotodetektorem, oraz wszelkie możliwe polaryzacje fotonu w każdym z tych punktów, to odpowiednia analiza statystyczna pozwoli na poznanie dokładniej drogi, którą poruszał się foton.
Znajomość trajektorii cząsteczek to jedno z głównych założeń teorii de Broglie-Bohma. Generalnie, jak zauważa profesor Aephraim Steinberg z University of Toronto teoria de Broglie-Bohma daje te same wyniki co mechanika kwantowa. Z kolei profesor Howard Wiseman z australijskiego Griffith University dodaje, że alternatywne rozumienie zachodzących zjawisk jest ważne, gdyż bohmiańska interpretacja ma również znaczenie praktyczne. Daje nam bowiem narzędzia do opracowania sposobów badań dynamiki molekularnej, które jest bardzo trudno przeprowadzić bez pewnych przybliżeń.
Dla profesora matematyki Sheldona Goldsteina z Rutgers University najważniejszym aspektem tego eksperymentu jest przybliżenie teorii de Broglie-Bohma do naukowego mainstreamu, gdzie nie cieszy się ona zbytnim poważaniem. Teoria ta nie stoi w sprzeczności z żadnymi eksperymentalnie potwierdzonymi faktami. Stoi natomiast w sprzeczności z pewnymi przewidywaniami - mówi Goldstein.
A Wiseman dodaje: Teoria ta twierdzi, że takie trajektorie istnieją. Dla niektórych naukowców eksperyment ten będzie zatem jedynie miłym potwierdzeniem teorii, której nie odrzucają. Dla wielu jednak jego wyniki będą szokujące.
Komentarze (3)
Jarek Duda, 7 czerwca 2011, 15:29
Może troszkę sprecyzuję - korzystają z tego że przejście przez kalcyt powoduje że polaryzacja pozioma i pionowa uzyskują trochę inne przesunięcie fazowe. Ten efekt zależy od drogi którą foton przebył w kalcycie, czyli od kątu pod jakim wchodził do tej cienkiej płytki - fotony o różnym pędzie pionowym uzyskują trochę różne przesunięcie tych dwóch polaryzacji.
Na końcu umieszczony jest kolejny kryształ dwójłomny, tym razem żeby polaryzacja pozioma i pionowa trafiały na CCD przesunięte trochę w poziomie. Czyli po ekspozycji (15s, 31000 pojedynczych fotonów) otrzymują dwa pionowe obrazy interferencyjne (linie) przesunięte o 2mm w poziomie - jeden dla polaryzacji poziomej, drugi dla pionowej. Na postawie różnicy intensywności na danej wysokości dostają średni pęd fotonu na odpowiadającej wysokości podczas przejścia przez kalcyt.
Tutaj jest szersze wytłumaczenie i zrekonstruowane średnie trajektorie fotonu (nie mylić z prawdziwymi - dla każdej pozycji dostają średni pęd i łączą strzałki):
http://scienceblogs.com/principles/2011/06/watching_photons_interfere_obs.php
A co do tego że dualizm korpuskularno-falowy nie oznacza jak w ortodoksyjnym spojrzeniu że cząstka ciągle musi się zastanawiać jaka natura najbardziej odpowiada do danej sytuacji, tylko ma równocześnie obie jak w tym doświadczeniu - świetną intuicję dają niedawne eksperymenty w których taki dualizm i odpowiadające 'kwantowe' efekty (interferencję, tunelowanie, kwantowanie orbit) obserwuje się już dla makroskopowych kropelek podskakujących na powierzchni cieczy - sprzężonych z falami które same ciągle wytwarzają jak w interpretacji Bohma czy de Broglie'a. Tu jest opis i materiały:
http://www.racjonalista.pl/forum.php/s,404014
mnichv10, 8 czerwca 2011, 09:59
Trochę tego nie rozumiem- może przestrzeń jest kwantowalna, ale chyba jeszcze nie zmierzono jej kwantu.
@Jarek Duda
Ja już jestem od jakiegoś czasu przekonany, że dualizm korpuskularno-falowy i zachowanie m.in. fotonów w eksperymentach świadczy raczej o tym, że to nasza świadomość generuje rzeczywistość.
Jarek Duda, 8 czerwca 2011, 12:08
Eksperyment pokazuje średnią z 31000 fotonów - w żadnym razie jego rozdzielczość nie dochodzi do hipotetycznej dyskretyzacji przestrzeni, która zresztą jest sprzeczna ze szczególną teorią względności (zmiana obserwatora zmieniałaby taką siatkę).
A co do 'generowania rzeczywistości świadomością' to chcesz powiedzieć że fizyka nie wiedziała co robić gdy jeszcze nie było istot świadomych? (np. zanim wyskoczyliśmy z Etny ;D)
Niestety ale takie fantazjowanie o 'równoprawnych interpretacjach/teoriach' (w stylu kreacjonizmu) są efektem traktowaniem zbyt poważnie ortodoksyjnej interpretacji mechaniki kwantowej - że skoro ona potrafi przewidzieć tylko prawdopodobieństwa rezultatu pomiaru (jak termodynamika), to musi oznaczać że sama fizyka też nie jest w stanie w pełni przewidywać ... fizyki, więc na pytania na które nie jest ona w stanie odpowiadać, potrzebuje pomocy jakiejś świadomości/istoty nadprzyrodzonej albo muszą wtedy rozgałęziać się wszechświaty ... ;/ (szczególnie że dobrze się takie uduchowione książki sprzedaje).
Podczas gdy nawet QFT jest mechaniką Lagrangianowską - czyli ewolucja systemu (którego nie jesteśmy w stanie w pełni zmierzyć) jest dana rwaniem Eulera-Lagrangea, w którym po prostu nie ma miejsca na jakiś niedeterminizmy - czyli fizyka wie co robi (a nasza mechanika kwantowa nie jest teorią fundamentalną tylko efektywną).
Dzięki współczesnej nauce nie mamy wątpliwości że świadomość jest po prostu emergentnym zjawiskiem interakcji miliardów neuronów rządzonych fizyką (polecam np. dostępne świetne wykłady prof. Ducha z Torunia). A determinizm fizyki w żadnym razie nie oznacza że nie mamy wolnej woli - nasza świadomość jest czymś innym od 'świadomości deterministycznej, wszystkowiedzącej fizyki' - z perspektywy naszej ograniczonej wiedzy to my podejmujemy decyzje. Czyli jeśli przyszłość jest zdeterminowana, to właśnie na podstawie decyzji które my podejmiemy.