Το πείραμα διπλής σχισμής του Τόμας Γιανγκ αρχικά χρησίμευσε για να αποδείξει ότι το φως είναι ένα κύμα, όμως οι μεταγενέστερες κβαντικές εκδοχές του ίδιου πειράματος έχουν δημιουργήσει μια πολύ διαφορετική και ασαφή εικόνα.
Ο Τόμας Γιανγκ, που γεννήθηκε πριν από 250 χρόνια, ήταν ένας πολυμαθής που συνέβαλε καθοριστικά σε τομείς από τη φυσική έως την αιγυπτιολογία! Αλλά ίσως η πιο σημαντική κληρονομιά του είναι ότι απέδειξε πως ο Ισαάκ Νεύτωνας έκανε λάθος για το φως πυροδοτώντας μια συζήτηση για τη φύση της πραγματικότητας που εξακολουθεί να υφίσταται.
"Τα πειράματα που πρόκειται να αναφέρω", έλεγε ο Γιάνγκ στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου στις 24 Νοεμβρίου 1803, "μπορούν να επαναληφθούν με μεγάλη ευκολία, όποτε ο ήλιος λάμπει". Σε μια απλή, σύγχρονη μορφή, το πείραμα της "διπλής σχισμής του Γιανγκ περιλαμβάνει την εκπομπή φωτός μιας συχνότητας (π.χ. από ένα κόκκινο λέιζερ) μέσω δύο λεπτών, παράλληλων ανοιγμάτων σε ένα αδιαφανές φύλλο, σε μια οθόνη πέρα από αυτό. Αν το φως αποτελούνταν από ρεύματα σωματιδίων, όπως υπέθεσε ο Νεύτωνας, θα βλέπαμε δύο ξεχωριστές λωρίδες φωτός στην οθόνη, όπου τα σωματίδια θα συσσωρεύονταν μετά τη διέλευσή τους από τη μία ή την άλλη σχισμή. Αλλά δεν συμβαίνει αυτό. Αντ' αυτού, όπως απέδειξε το πείραμα, βλέπουμε πολλές λωρίδες φωτός, που θυμίζουν τον γραμμωτό κώδικα ενός barcode. Αυτό λέγεται μοτίβο παρεμβολής.
Η παρεμβολή είναι δυνατή μόνο εάν το φως συμπεριφέρεται ως κύμα που προσπίπτει και στις δύο σχισμές ταυτόχρονα και διαθλάται μέσα από κάθε μία, δημιουργώντας δύο ομάδες κυμάτων στην άλλη πλευρά των σχισμών που διαδίδονται προς την οθόνη. Όπου η κορυφή του ενός κύματος επικαλύπτεται με την κορυφή του άλλου, έχουμε εποικοδομητική παρεμβολή και μια κηλίδα φωτός. Όπου μια κορυφογραμμή συναντά μια "κοιλάδα" του άλλου κύματος, έχουμε καταστροφικές παρεμβολές και σκοτάδι.
Είναι δύσκολο να υπερεκτιμήσει κανείς πόσο τρελή ήταν αυτή η ανακάλυψη για τους φυσικούς της εποχής του Γιανγκ. Αλλά η αγριότητα άρχισε πραγματικά όταν ο Μαξ Πλανκ και ο Άλμπερτ Αϊνστάιν έθεσαν τα θεμέλια της κβαντομηχανικής στις αρχές του εικοστού αιώνα. Σήμερα, η κβαντομηχανική αποτελεί ένα απαράμιλλης ακρίβειας πλαίσιο για την εξήγηση των βασικών στοιχείων της υλικής πραγματικότητας και των αλληλεπιδράσεών τους. Αρκετά νωρίς, έγινε σαφές ότι το φως αποτελείται από αδιαίρετες μονάδες ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια - στην πραγματικότητα σωματίδια. Η ποσότητα ενέργειας που μετέφερε το καθένα ήταν ανάλογη με τη συχνότητα του φωτός. Κάποια από αυτά είναι αρκετά ισχυρά ώστε να χτυπήσουν ηλεκτρόνια από άτομα μετάλλων, δίνοντάς μας το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο χάρη στο οποίο έχουμε τις σημερινές ηλιακές κυψέλες. Και η μελέτη αυτού του φαινομένου οδήγησε τον Αϊνστάιν στα συμπεράσματά του για τη σωματιδιακή φύση του φωτός.
Με την εμφάνιση της κβαντομηχανικής, η ιδέα του φωτός ως κύματος αντιμετώπισε μια πρόκληση. Αλλά δεν ήταν τόσο απλό όσο το να επιστρέψουμε στη θεωρία περί σωματιδίων. Περαιτέρω δοκιμές της κβαντικής θεωρίας με το πείραμα της διπλής σχισμής απλώς βάθυναν το μυστήριο. Και, καλώς ή κακώς, δεν έχει λυθεί ακόμη.
Μοναδικά κβαντικά
Φανταστείτε, τώρα, ότι η πηγή φωτός σας μπορεί να εκτοξεύσει μεμονωμένα φωτόνια κόκκινου φωτός στις δύο σχισμές, ενώ ταυτόχρονα εγγυάται ότι μόνο ένα φωτόνιο περνάει από τη συσκευή κάθε φορά. Μια φωτογραφική πλάκα στην άλλη πλευρά καταγράφει πού προσγειώνονται τα φωτόνια. Η κλασική διαίσθηση λέει ότι κάθε φωτόνιο μπορεί να περάσει μόνο από τη μία ή την άλλη σχισμή. Έτσι, αυτή τη φορά, θα πρέπει να δούμε φωτόνια να συσσωρεύονται με την πάροδο του χρόνου και να σχηματίζουν δύο λωρίδες φωτός στη φωτογραφική πλάκα. Ωστόσο, τα μαθηματικά της κβαντικής θεωρίας λένε κάτι διαφορετικό: ότι θα δούμε πάλι το μοτίβο παρεμβολής!
Πέρασαν αρκετές δεκαετίες μέχρι η τεχνολογία να ωριμάσει αρκετά ώστε να επαληθευτούν πειραματικά αυτές οι προβλέψεις, χρησιμοποιώντας πιο σύνθετες διατάξεις που βασιζόντουσαν όμως σε μια διπλή σχισμή. Αρχικά, δεν έγινε με φωτόνια, αλλά με ηλεκτρόνια - οντότητες που γνωρίζουμε ως σωματίδια, αλλά που η κβαντομηχανική προβλέπει ότι δρουν και ως κύματα. Στη συνέχεια, τη δεκαετία του 1980, μια ομάδα με επικεφαλής τον Alain Aspect στο Οπτικό Ινστιτούτο στο Palaiseau της Γαλλίας, πραγματοποίησε το πείραμα διπλής σχισμής με μεμονωμένα φωτόνια. Η κβαντική θεωρία νίκησε: προέκυψε ένα μοτίβο παρεμβολής, ακόμη και όταν μόνο μεμονωμένα σωματίδια περνούσαν από τις σχισμές.
Ο Aspect κέρδισε μερίδιο από το βραβείο Νόμπελ φυσικής του 2022 για τη συμβολή του στην επιβεβαίωση των προβλέψεων της κβαντομηχανικής μέσω του πειράματος. Αλλά τέτοια πειράματα αφήνουν θέματα ερμηνείας ανοιχτά, πράγμα λογικό μια και τα μυαλά μας είναι συντονισμένα στον κλασικό κόσμο των καθημερινών αντικειμένων.
Αν σκεφτούμε το πείραμα της διπλής σχισμής, η κβαντομηχανική είναι σαν να μας λέει την εξής ιστορία. Λέει ότι η θέση ενός φωτονίου περιγράφεται από μια μαθηματική ιδέα που ονομάζεται κυματοσυνάρτηση - η οποία, όπως υποδηλώνει το όνομά της, συμπεριφέρεται σαν κύμα. Αυτή η κυματοσυνάρτηση, μαθηματικά μιλώντας, "προσκρούει" στις δύο σχισμές, διαθλάται σε δύο ομάδες κυμάτων και ανασυνδυάζεται για να δημιουργήσει το μοτίβο παρεμβολής. Η τιμή της κυματοσυνάρτησης σε οποιαδήποτε θέση της φωτογραφικής πλάκας μας επιτρέπει να υπολογίσουμε την πιθανότητα να βρούμε το φωτόνιο εκεί. Η πιθανότητα είναι πολύ υψηλή σε περιοχές "εποικοδομητικής" παρεμβολής και πολύ χαμηλή σε περιοχές "καταστροφικής" παρεμβολής.
Κατά μία έννοια, λοιπόν, ένα φωτόνιο ή οποιοδήποτε άλλο κβαντικό αντικείμενο ενεργεί τόσο ως σωματίδιο όσο και ως κύμα. Αυτός ο "κυματοσωματιδιακός δυϊσμός" ενσωματώνει πολλά από τα βασικά "μυστήρια" της κβαντομηχανικής που παραμένουν άλυτα μέχρι σήμερα. Ακόμα και αν γνωρίζουμε τα πάντα για την αρχική κατάσταση ενός φωτονίου, δεν υπάρχει τρόπος να πούμε ακριβώς πού θα προσγειωθεί στον ανιχνευτή. Πρέπει να μιλάμε πάντα με όρους πιθανοτήτων που δίνονται από την κυματοσυνάρτηση. Και αυτές οι πιθανότητες επιβεβαιώνονται μόνο όταν δεκάδες χιλιάδες φωτόνια στέλνονται ένα προς ένα μέσα από τη διπλή σχισμή.
Πριν από τη μέτρηση -στην προκειμένη περίπτωση, την ανίχνευση από τη φωτογραφική πλάκα- τα μαθηματικά λένε ότι το σωματίδιο υπάρχει σε μια υπέρθεση καταστάσεων: κατά μία έννοια, έχει διανύσει και τις δύο διαδρομές, μέσω της δεξιάς σχισμής και της αριστερής! Η τυπική κβαντομηχανική λέει ότι η κυματοσυνάρτηση "καταρρέει" όταν μετράται και ότι η πράξη της παρατήρησης με κάποιο τρόπο επισπεύδει αυτή την κατάρρευση. Πριν από αυτό, το φωτόνιο έχει πεπερασμένη πιθανότητα να βρεθεί σε πολλές διαφορετικές περιοχές, αλλά κατά τη μέτρηση, η κυματοσυνάρτηση κορυφώνεται στη θέση στην οποία εμφανίζεται το φωτόνιο (η πιθανότητα εκεί ισούται με 1) και μηδενίζεται παντού αλλού (η πιθανότητα ισούται με 0).
Και το πράγμα, γίνεται ακόμα πιο περίεργο. Εάν μπορείτε να προσδιορίσετε ποια διαδρομή πήρε το φωτόνιο στο δρόμο του προς τον ανιχνευτή, τότε αυτό ενεργεί σαν ένα σωματίδιο που πράγματι περνά μέσα από τη μία σχισμή ή την άλλη: το μοτίβο παρεμβολής εξαφανίζεται. Αλλά αν δεν μπορείτε να βρείτε τη διαδρομή του, τότε το φωτόνιο λειτουργεί σαν κύμα. Δηλαδή, κάθε φορά που υπάρχουν δύο ή περισσότεροι τρόποι για ένα φωτόνιο - ή, πράγματι, οποιοδήποτε κβαντικό αντικείμενο - να φτάσει σε μια τελική κατάσταση, συμβαίνουν κβαντικές παρεμβολές.
Τι είναι η κυματοσυνάρτηση;
Αλλά για να δημιουργηθεί παρεμβολή, κάτι πρέπει να περάσει -ή τουλάχιστον να αλληλεπιδράσει με κάποιο τρόπο- και από τις δύο σχισμές. Στα μαθηματικά, η κυματοσυνάρτηση κάνει τη δουλειά. Ορισμένοι φυσικοί θα έλεγαν ότι η κυματοσυνάρτηση απλώς αντιπροσωπεύει πληροφορίες για το κβαντικό σύστημα και δεν είναι πραγματική - οπότε είναι δύσκολο να εξηγήσουμε τι αλληλεπιδρά και με τις δύο σχισμές ταυτόχρονα. Αλλά μπορείτε να εξηγήσετε το μοτίβο παρεμβολής αν θεωρήσετε ότι η κυματοσυνάρτηση είναι πραγματική.
Αυτό δημιουργεί τα δικά του προβλήματα. Φανταστείτε μια πραγματική κυματοσυνάρτηση που εξαπλώνεται για χιλιόμετρα και χιλιόμετρα μέχρι το σημείο όπου ένας παρατηρητής θα ανιχνεύσει το φωτόνιο. Σε αυτό το σημείο, η κυματοσυνάρτηση κορυφώνεται στη θέση του φωτονίου και ταυτόχρονα μηδενίζεται αλλού - σε μια μεγάλη, μακροσκοπική απόσταση. Αυτό υποδηλώνει ένα είδος στιγμιαίας, μη τοπικής επιρροής που ενοχλούσε τον Αϊνστάιν αφάνταστα. Θα μπορούσαμε να βασιστούμε σε ερμηνείες όπου δεν καταρρέει η κυματοσυνάρτηση αλλά τότε ανακύπτουν άλλα ζητήματα.
Ίσως το πιο διαβόητο ζήτημα είναι η ερμηνεία των πολλών κόσμων, πνευματικό τέκνο του Αμερικανού φυσικού Hugh Everett τη δεκαετία του 1950. Αυτό υποστηρίζει ότι κάθε πιθανό γεγονός -στην περίπτωση της διπλής σχισμής, ένα σωματίδιο που περνάει από την αριστερή και τη δεξιά σχισμή- συμβαίνει, το καθένα στον δικό του κόσμο. Δεν υπάρχει κατάρρευση: η μέτρηση απλώς αποκαλύπτει την κατάσταση του κβαντικού συστήματος σε αυτόν τον κόσμο. Οι επικριτές της θεωρίας αυτής ρωτούν πώς είναι δυνατόν να δικαιολογηθεί αυτός ο συνεχής "πολλαπλασιασμός" των κόσμων και πώς, σε ένα τέτοιο πλαίσιο πολλαπλών κόσμων, εξηγείται ότι η μέτρηση των κβαντικών συστημάτων δίνει πιθανότητες, δεδομένου ότι -σύμφωνα με τη θεωρία- υπάρχουν πάντα συγκεκριμένα αποτελέσματα σε κάθε "κόσμο".
Η θεωρία de Broglie-Bohm, που πήρε το όνομά της από τους πρωτοπόρους της κβαντικής επιστήμης Louis de Broglie και David Bohm, παρέχει μια άλλη εναλλακτική λύση. Λέει ότι τα σωματίδια υπάρχουν με συγκεκριμένες θέσεις και ορμές, αλλά καθοδηγούνται από ένα παντοδύναμο, αόρατο "πιλοτικό" κύμα, και αυτό το κύμα είναι που περνάει και από τις δύο σχισμές. Η πιο βαθιά συνέπεια αυτής της θεωρίας, ότι δηλαδή τα πάντα συνδέονται με όλα τα άλλα στο Σύμπαν μέσω του υποκείμενου πιλοτικού κύματος, είναι κάτι που πολλοί φυσικοί δυσκολεύονται να αποδεχτούν.
Στις δεκαετίες του 1970 και του 1980, οι φυσικοί αναβάθμισαν το πείραμα διπλής σχισμής για να καταλάβουν καλύτερα τη φύση της κβαντικής πραγματικότητας και τον αινιγματικό ρόλο που προφανώς παίζει η παρατήρηση στην κατάρρευση μιας καθορισμένης, κλασικής πραγματικότητας από αυτήν. Πιο συγκεκριμένα, ο John Wheeler στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν σχεδίασε το πείραμα σκέψης "καθυστερημένης επιλογής ". Φανταστείτε μια διάταξη διπλής σχισμής που δίνει τη δυνατότητα να συλλέγετε ή να αγνοείτε πληροφορίες σχετικά με το προς τα πού πήγε το σωματίδιο. Αν αγνοήσετε την πληροφορία "προς τα πού", θα έχετε συμπεριφορά που μοιάζει με κύμα- αν δεν την αγνοήσετε, θα έχετε μοτίβα που μοιάζουν με σωματίδια.
Με τη συσκευή στη ρύθμιση "Συλλογή πληροφοριών για το ποια κατεύθυνση", στείλτε ένα φωτόνιο μέσω των διπλών σχισμών. Θα πρέπει να συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο και να περνάει από τη μία ή την άλλη σχισμή. Αλλά λίγο πριν το φωτόνιο προσγειωθεί στον ανιχνευτή, γυρίστε τη συσκευή για να αγνοήσετε την πληροφορία προς τα πού. Το φωτόνιο, που μέχρι τότε υποτίθεται ότι ήταν σωματίδιο, θα μετατραπεί ξαφνικά σε κύμα.
Δεκαετίες αργότερα, η ομάδα του Aspect πραγματοποίησε αυτό το πείραμα με μεμονωμένα φωτόνια και έδειξε ότι η απάντηση είναι θετική. Ακόμα και αν το φωτόνιο είχε ταξιδέψει φαινομενικά μέσα από ολόκληρη τη διάταξη ως σωματίδιο, η αλλαγή της ρύθμισης της συσκευής ώστε να αγνοεί την πληροφορία για το ποια κατεύθυνση, το έκανε να ενεργεί ως κύμα. Μήπως το φωτόνιο ταξίδεψε πίσω στο χρόνο και επέστρεψε από τις δύο σχισμές ως κύμα; Για να αποφύγει τέτοιες ανούσιες εξηγήσεις, ο Wheeler υποστήριξε ότι ο μόνος τρόπος για να βγάλει νόημα το πείραμα ήταν να πει ότι το φωτόνιο δεν έχει καμία πραγματικότητα -δεν είναι ούτε κύμα ούτε σωματίδιο- μέχρι να ανιχνευθεί.
Τη δεκαετία του 1980, ο Marlan Scully, τότε στο Πανεπιστήμιο του Νέου Μεξικού στο Albuquerque, και οι συνάδελφοί του κατέληξαν σε ένα παρόμοιο πείραμα σκέψης. Φαντάστηκαν να συλλέγουν την πληροφορία για το ποια κατεύθυνση έχει ένα φωτόνιο χρησιμοποιώντας ένα δεύτερο φωτόνιο "μπλεγμένο" με το πρώτο - μια κατάσταση στην οποία η μέτρηση της κβαντικής κατάστασης του ενός φωτονίου σας λέει για την κβαντική κατάσταση του άλλου. Εφόσον η πληροφορία σχετικά με το ποιος είναι ο δρόμος μπορεί κατ' αρχήν να εξαχθεί, το πρώτο φωτόνιο θα πρέπει να συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο. Αλλά αν διαγράψετε την πληροφορία από τον εμπλεκόμενο σύντροφο, όπως έδειξαν τα μαθηματικά, το πρώτο φωτόνιο επιστρέφει στη συμπεριφορά του κύματος. Το 2000, οι Scully, Yoon-Ho Kim και οι συνεργάτες τους ανέφεραν την εκτέλεση αυτού του πειράματος. Παραδόξως - ή μη παραδόξως, σε αυτό το στάδιο - η διαίσθηση νικήθηκε για άλλη μια φορά και η κβαντική παραδοξότητα κυριάρχησε.
Μεγαλύτερο και ακόμα μεγαλύτερο
Άλλοι εξακολουθούν να προωθούν τη διπλή σχισμή προς νέες κατευθύνσεις. Φέτος, ο Romain Tirole από το Imperial College του Λονδίνου και οι συνεργάτες του περιέγραψαν ένα πείραμα στο οποίο οι σχισμές ήταν χρονικές: η μία σχισμή ήταν ανοιχτή σε μια χρονική στιγμή και η δεύτερη σχισμή μια στιγμή αργότερα. Μια δέσμη φωτός που διέρχεται από αυτές τις χρονικές σχισμές παράγει ένα μοτίβο παρεμβολής στο φάσμα συχνοτήτων της. Και πάλι, τα μαθηματικά προβλέπουν ακριβώς αυτή τη συμπεριφορά, οπότε οι φυσικοί δεν εκπλήσσονται. Αλλά είναι μια ακόμη απόδειξη ότι το πείραμα της διπλής σχισμής αναδεικνύει τα κενά στην κατανόηση της πραγματικότητας, ένα τέταρτο της χιλιετίας μετά τη γέννηση του ανθρώπου που το επινόησε.
Η θέση του πειράματος διπλής σχισμής στο πάνθεον των πειραμάτων φυσικής είναι εξασφαλισμένη. Αλλά θα εδραιωθεί περαιτέρω αν και όταν οι φυσικοί που το χρησιμοποιούν θα μπορέσουν να βρουν ποια θεωρία του κβαντικού κόσμου είναι σωστή. Για παράδειγμα, ορισμένες θεωρίες υποστηρίζουν ότι τα κβαντικά συστήματα που μεγαλώνουν πάνω από ένα ορισμένο, ακόμη απροσδιόριστο μέγεθος, καταρρέουν τυχαία σε κλασικά συστήματα, χωρίς να χρειάζεται παρατηρητής. Αυτό θα εξηγούσε γιατί τα μακροσκοπικά αντικείμενα γύρω μας δεν λειτουργούν προφανώς σύμφωνα με τους κβαντικούς κανόνες - αλλά πόσο μεγάλο πρέπει να είναι κάτι για να σταματήσει να ενεργεί με κβαντικό τρόπο.
Το 2019, οι Markus Arndt και Yaakov Fein στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης και οι συνάδελφοί τους ανέφεραν ότι έστειλαν μακρομόρια που ονομάζονται ολιγοπορφυρίνες, αποτελούμενα από έως και 2. 000 άτομα, μέσα από μια διπλή σχισμή για να δουν αν παράγουν ένα μοτίβο παρεμβολής. Πράγματι, και αυτά τα μοτίβα μπορούν να εξηγηθούν μόνο ως κβαντικό φαινόμενο. Η ομάδα του Arndt και άλλοι συνεχίζουν να προωθούν τέτοια πειράματα για να προσδιορίσουν αν υπάρχει μια γραμμή μεταξύ του κβαντικού και του κλασικού κόσμου.
Πέρυσι, ο Siddhant Das από το Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου στη Γερμανία και οι συνεργάτες του ανέλυσαν το πείραμα της διπλής σχισμής στο πλαίσιο της θεωρίας de Broglie-Bohm. Σε αντίθεση με την τυπική κβαντομηχανική, αυτή προβλέπει όχι μόνο την κατανομή των σωματιδίων στην οθόνη που οδηγεί στο μοτίβο χωρικής παρεμβολής, αλλά και την κατανομή του χρόνου άφιξης των σωματιδίων στην οθόνη. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι υπολογισμοί τους σχετικά με την κατανομή των χρόνων άφιξης συμφωνούσαν ποιοτικά με τις παρατηρήσεις που είχαν γίνει δύο δεκαετίες πριν, σε ένα πείραμα διπλής σχισμής με άτομα ηλίου. Αλλά ήταν δύσκολο να αποδειχθεί οριστικά η υπόθεσή τους. Αναμένουν καλύτερα δεδομένα από ένα παρόμοιο πείραμα διπλής σχισμής που θα γίνει με την τρέχουσα τεχνολογία, για να δουν αν ταιριάζει με τις προβλέψεις.
Και έτσι συνεχίζεται, ένας κόσμος μακριά από οτιδήποτε θα μπορούσε να φανταστεί ο Γιανγκ ή οι συνάδελφοί του στη Βασιλική Εταιρεία πριν από δύο και πλέον αιώνες. "Ο Τόμας Γιανγκ πιθανόν να έξυνε το κεφάλι του αν μπορούσε να δει την κατάσταση των σημερινών πειραμάτων", λέει ο Arndt. Αλλά αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το πείραμά του, τόσο απλό στην ιδέα του, μας έχει αφήσει να “ξύνουμε το κεφάλι μας” μέχρι σήμερα.
Πηγή άρθρου: Nature