Čudnost kvantnih delcev

    Leta 1924 je mladi francoski doktorski študent fizike mentorju v pregled oddal osnutek disertacije, v kateri je predstavil idejo, ki je že kmalu zatem povsem spremenila naše razumevanje sveta. Louis de Broglie, kot je bilo študentu ime, je v svojem doktoratu predlagal, da temeljnih gradnikov materije ne bi obravnavali le kot delce, ampak tudi kot valovanje.

    Delec ali valovanje?

    Osnovna značilnost valovanja je, da se lahko valovi medsebojno prekrivajo in se tako okrepijo ali oslabijo. Ta pojav je bil že dolgo časa dobro znan denimo pri svetlobi, de Broglie pa je v svoji disertaciji predlagal, da bi na podoben način obravnavali tudi elektrone in druge osnovne delce snovi, iz katerih je zgrajen naš svet. Zapisal je tudi enačbo, po kateri je bilo mogoče izračunati frekvenco valovanja, ki je ustrezala energiji posameznega delca.

    Seveda so bile ideje mladega fizika, ki je izhajal iz bogate francoske aristokratske družine in se je sprva ukvarjal predvsem s humanistiko, šele kasneje pa se je poglobil v matematiko in fiziko, tako revolucionarne, da so jih kolegi znanstveniki na začetku sprejeli z veliko mero skepse. Njegov mentor pri doktorskem delu je osnutek doktorata za vsak slučaj poslal v pregled še Albertu Einsteinu, saj sam ni hotel prevzeti odgovornosti. K sreči se je zdela ideja takrat že svetovno znanemu fiziku zanimiva, zato je delo mladega kolega podprl.

    Čeprav je bila predpostavka, da se lahko tudi gradniki materije obnašajo kot valovanje, ki ima povsem drugačne lastnosti, kot jih običajno pripišemo delcem, nekaj, kar si je bilo težko predstavljati, je ideja pojasnila rezultate mnogih eksperimentov s področja atomske fizike, ki so jih takrat že poznali. De Broglie je bil tako za svojo prelomno idejo že leta 1929, zgolj nekaj let po zagovoru disertacije, nagrajen z Nobelovo nagrado za fiziko.

    Vendar de Broglie ne bi tako hitro po zagovoru doktorata prejel najprestižnejše znanstvene nagrade, če njegove ideje ne bi kmalu zatem pomembno nadgradil avstrijski fizik Erwin Schrödinger. Ta je kljub temu, da je bil poročen, božično-novoletne praznike 1925/26 preživel v švicarskih Alpah s svojo takratno ljubico. In kot vse kaže, mu je oddih dobro del, saj je že takoj po povratku v službo januarja 1926 objavil prelomni znanstveni članek, s katerim se je zapisal v zgodovino znanosti. V sestavku je predstavil prvo verzijo enačbe, ki danes nosi njegovo ime in opisuje obnašanje “valovanja” delcev v različnih okoliščinah. Z njeno pomočjo so fiziki dobili orodje, kako lahko tudi računsko napovedo valovno obnašanje materialnih delcev.

    Po kateri poti je šel delec?

    Po spoznanju, da se osnovni gradniki sveta obnašajo čudaško, se je vnela poglobljena razprava o tem, kaj ti kvantni valovi oziroma kvantni delci sploh so. Razprava o razmerju delec/valovanje na ravni temeljnih gradnikov narave sedaj že skoraj sto let buri domišljijo vsakogar, ki poskuša razumeti sodobno fiziko. Predstavljenih je bilo zelo veliko hipotez in predlogov interpretacije, a se problem nikakor noče dokončno razrešiti in razjasniti.

    Po eni strani rezultati eksperimentov jasno kažejo na to, da imajo delci materije lastnosti, ki so značilne za valovanje. Po drugi strani pa je vseskozi jasno tudi, da jih moramo obravnavati kot delce in ne kot nekakšno neznano obliko valov, za katero se samo zdi, da ima občasno obliko delcev. Nedavno pa so novi eksperimenti že tako zapletenemu dogajanju na ravni kvantne realnosti dodali še nekaj povsem nove “čudnosti”.

    V laboratoriju si nenavadne lastnosti kvantnih delcev najlažje predstavimo s pomočjo delcev svetlobe oziroma fotonov, ki jih lahko razmeroma preprosto uporabimo v eksperimentu z laserjem. V najbolj preprosti obliki vso čudnost kvantnih delcev zaobjame poskus z dvema režama oziroma dvema možnima izbirama poti, po kateri se lahko giblje foton od izvora do detektorja.

    Običajno eksperiment izvedejo tako, da žarek svetlobe s polprepustnim zrcalom razdelijo na dva ločena žarka, ki ju nato peljejo po dveh ločenih poteh, nakar ju pred detektorjem ponovno združijo. Ker gre pri svetlobi za valovanje, lahko ločena žarka naravnamo tako, da se na drugi strani, kjer se ponovno srečata, val pokrije z dolino in tako valovanje izniči, ali pa val pokrije val in se valovanje ojača. Na detektorju tako vidimo interferenco, kot se strokovno reče pojavu, ko se valovi seštevajo in odštevajo.

    Tovrstna interferenca pa se izgubi, če kateremu od obeh žarkov pot zapremo. V tem primeru pride do detektorja svetloba le po eni poti, zato ne more priti do pojavov seštevanja hribov in dolin, ki so značilni za valovanje, slika na detektorju pa ustreza podobi, kot bi jo dobili, če žarkov ne bi razdvojili.

    Pri opisu eksperimenta do sedaj nismo zasledili še nič čudaškega. Težave z interpretacijo postanejo razvidne šele, ko žarek fotonov oslabimo do te mere, da hkrati potuje skozi napravo le po en sam delec svetlobe, na zaslonu detektorja pa opazujemo sliko, ki jo izriše več takšni zaporednih samostojnih poti delca. Zanimivo pri tem je, da tudi v tem primeru zaznamo na detektorju podobo, ki je značilna za interferenco oziroma za valovanje, če sta le delcu odprti obe poti, čeprav gre v resnici po obeh poteh le en sam delec. In tudi v tem primeru se takoj, ko zapremo katero od obeh poti, interferenčna slika na detektorju izgubi. Zdi se, da se kvantni delec obnaša drugače, če ima možnost potovati po dveh in ne zgolj po eni poti.

    Neskončno stopenj sivine med delci in valovanjem

    Tovrstne eksperimente znajo fiziki izvesti že dolgo vrsto let in so jih ponovili že v najrazličnejših okoliščinah. Novost, ki so jo preizkusili šele pred kratkim, pa je, da izbiro, ali bosta pri eksperimentu odprti obe poti ali zgolj ena, prepustijo kvantnemu delcu. To preprosto rečeno pomeni, da podatek, ali je bil eksperiment postavljen tako, da sta bili odprti obe ali zgolj ena pot, izvemo šele, ko izvedemo meritev na kontrolnem kvantnem delcu, od katerega je odvisno, ali bo katera od poti zaprta.

    Raziskovalci so ugotovili, da je v primeru, če meritve kontrolnega fotona nikoli ne izvedemo, podoba, ki se izriše na detektorju, drugačna, kot smo je navajeni. Izriše se nekakšna mešanica obeh podob za primera, če sta odprti obe poti ali zgolj ena. Kvantni delci se v tem primeru ne obnašajo ne povsem kot delci in ne povsem kot valovanje, ampak nekako čudno malo eno in malo drugo. V primeru, ko so stanje kontrolnega delca izmerili in tako ugotovili stanje eksperimenta, pa sta se podobi na detektorju spet povrnili v takšni, ki ustrezata delcem oziroma valovanju. Če metaforično rečemo, da je podoba ob odprtih obeh poteh bela, pri zgolj eni odprti poti pa črna, bo sedaj v primeru, da kontrolnega fotona ne gledamo, podoba na detektorju siva.

    Z nastavitvijo stanja kontrolnega fotona, ko lahko kontroliramo, v kakšnem stanju bo, lahko celo nastavljamo “stopnje sivine”, ki jih vidimo na merjenem snopu fotonov. Če je kontrolni foton recimo v stanju 30% odprta in 70% zaprta druga pot, bo stanje na detektorju takšno, kot če bi imeli 30% časa odprti obe poti in 70% zgolj eno. Razmerje so v eksperimentih lahko poljubno naravnavali in dobili slike vsega spektra sivine, kot bi rekli metaforično.

    Ključno vprašanje je seveda, kako to “čudnost” dogajanja v svetu mikroskopskih gradnikov našega materialnega sveta sploh razumeti? Zelo učene glave se s tem vprašanjem ukvarjajo že skoraj sto let, vendar jasnega in za vse sprejemljivega odgovora še niso našle. Še najbolje je težavo povzel danski fizik Niels Bohr, eden izmed pionirjev kvantne fizike, za katerega je njegov kolega Werner Heisenberg nekoč rekel, da je bil “primarno filozof in ne fizik.” Med vsemi pionirji moderne fizike je prav Bohr verjetno največ časa in energije posvetil interpretaciji kvantne mehanike oziroma iskanju odgovora na vprašanje, kako to “čudnost” kvantnih delcev razumeti.

    Ena izmed Bohrovih najbolj slavnih izjav je bila, da “kvantni svet ne obstaja.” S tem je želel povedati, da obnašanja mikroskopskih gradnikov snovi ne smemo razumeti kot izraz neke globlje nam nedosegljive in zato neznane kvantne realnosti, ki bi se nam v različnih okoliščinah kazala na različne načine. O realnosti namreč ne moremo govoriti, ne da bi pri tem sočasno upoštevali konkreten postopek, s katerim smo realnost opazovali.

    PUSTITE KOMENTAR

    Vpiši svoj komentar!
    Prosimo vpišite svoje ime

    This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.