Jeden poszedł w prawo, drugi w lewo, a trzeci za nimi!

Zawsze podobało mi się poczucie humoru oparte na paradoksach; myślę, że to pomaga w poznawaniu Wszechświata. Wielu filozofów czy duchownych wręcz wskazywało Wszechświat jak przykład doskonałego dzieła tego lub innego „boga″ – wszystko miało być w nim poukładane, jasne i pewne. I tak mówiliśmy przez kilkaset lat, do momentu, gdy wyciągnęliśmy wnioski z pewnego eksperymentu, który w swojej pierwotnej wersji wykorzystał światło pochodzące ze Słońca przepuszczone przez dwie kartki papieru.

Niejaki Thomas Young na początku XIX wieku badał naturę światła, korzystając z wcześniejszych doświadczeń i prac francuskiego inżyniera Étienne′a Malusa, któremu zawdzięczamy odkrycie ciekawej właściwości światła. Pewnego wieczora obserwował on jeden z paryskich pałaców przez minerał znany jako szpat islandzki, który jest niczym innym niż przezroczystą odmianą kalcytu, albo mówiąc po ludzku, węglanem wapnia. Podczas obserwacji obracał on kryształem i zauważył, że promienie zachodzącego Słońca zmieniają swoją intensywność w zależności od tego, jak nim obracał.

fot. domena publiczna

Young był z wykształcenia optykiem, a więc rozumiał matematykę, co pozwoliło mu postawić hipotezę, że światło, czymkolwiek jest, z pewnością ma naturę fali poprzecznej, czyli takiej, w której kierunek drgań ośrodka jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. Jeśli ktoś chciałby zobaczyć jakąś wizualizację, to wystarczy chwycić dwa rogi dywanu i zacząć go trzepać.

Wysunął tę hipotezę, bo wiedział o jednej rzeczy: Malus obserwował zmianę intensywności, ponieważ za pomocą kryształu szpatu porządkował drgania takiej fali w pewnej płaszczyźnie (lub równoważnie – wobec pewnej płaszczyzny). Zjawisko takie nazywamy polaryzacją fali i zachodzi ono wyłącznie dla fal poprzecznych. Można sobie to spokojnie wyobrazić na przykładzie tłumu poruszającego się ulicą w jednym kierunku. Taki tłum, czyli ludzka fala, składa się z wielu pojedynczych fal, czyli ludzi. Ponieważ stawiamy kroki różnej długości i w różnym tempie, to fala jest niespolaryzowana; co jednak, jeśli wszyscy zaczniemy naraz stawiać równocześnie kroki w rytmie prawa – lewa? Wówczas fala ulegnie spolaryzowaniu. Warto dodać, że Young w swoich obliczeniach jako pierwszy dość dokładnie określił długość fal świetlnych.

Pomysł związany z falową naturą światła nie był w fizyce niczym nowym, uczeni od dawna prowadzili ożywione dyskusje związane z tą materią i nie zawsze nadawali na tych samych falach – jak choćby Newton i Hooke, którzy ostro kłócili się o powstawanie pierścieni, a konkretnie takich pierścieni:

fot. CC BY-SA 3.0

Zjawisko to można zaobserwować, gdy spoglądać na światło przepuszczone przez powierzchnię wklęsłą, a następnie płaską. Panowie nie mogli dogadać się co do tego, czy obserwowany efekt jest powodowany tym, że światło jest jakiegoś rodzaju drganiami, jak uważał Hooke, czy też ma naturę korpuskuł (drobin), jak twierdził Newton.

Powstawanie takich pierścieni wyjaśnił wspomniany wcześniej Young, który uważał że może być to wynik interferencji fal, tj. wzajemnego wygaszania i wzmacniania, gdy dwie lub więcej fal nakłada się na siebie, co możemy obserwować nawet na przykładzie fal powstających w szklance wody. Doświadczenie, które przeprowadził, aby potwierdzić swoją hipotezę, było genialne w swej prostocie: światło słońca i dwie kartki papieru, jedna z małym otworem i druga z dwiema szczelinami. Jeśli światło składało się z drobin, to powinno podczas padania na ścianę stworzyć wzór składający się z dwóch wyraźnych plam światła na wprost szczelin i nigdzie indziej; jeśli jest to fala, to będziemy obserwować wzór powstały w wyniku interferencji.

fot. CC BY-SA 3.0

To zdjęcie lub podobną ilustrację znają chyba wszyscy z podręczników fizyki. Często piszą jednocześnie, że Young potwierdził dualizm korpuskularno-falowy, co jest ogromnym uproszczeniem. Nie sądzę, aby Young wiedział, jak bardzo poprzewraca nam nasze przekonania o Wszechświecie, próbując wyjaśnić zachowanie światła. W jego czasach ten eksperyment nie był jakimś przełomem, inni badacze otrzymywali równie dobre wyniki swoich eksperymentów, w których światło słoneczne zachowywało się tak, jakby było niczym innym niż strumieniem drobin. Nie zastanawiano się nad tym jakoś głębiej do momentu, gdy zamiast próbować opowiedzieć rzeczywistość naszymi wyobrażeniami, skupiliśmy się na tym, co mówi ona do nas swoim językiem: ponieważ jesteśmy dość ułomni w naszym postrzeganiu, to świetnie przydaje się nam matematyka!

Niezwykłe właściwości bytu, który w zależności od tego, jak patrzymy, objawia się pod postacią fali lub cząstki, językiem matematyki ujął de Broglie, który poszedł nawet o krok dalej (według późniejszych fizyków o jeden za daleko) i stwierdził, iż wzór wynikający z jego teorii można swobodnie zastosować także do każdej innej cząstki posiadającej pęd i traktować ją jako falę o określonej długości. No a skoro można ją traktować jako falę, to musi ona mieć wszystkie właściwości fali i zachowywać się jak fala, czyli jeśli będziemy strzelać swobodnymi elektronami w stronę ekranu detektora przez przegrodę z dwiema szczelinami, to co powinniśmy zobaczyć?

fot. CC BY-SA 3.0

Feynman zwykł twierdzić że cała mechanika kwantowa wynika z eksperymentu z dwiema szczelinami, którego wyniki są przerażające dla każdego, kto spróbuje sobie odpowiedzieć na pytanie, przez którą z dwóch szczelin przechodzi cząstka – przez prawą? To bez sensu, bo wtedy byłaby tylko jedna plama po prawej stronie, a więc z pewnością również nie przez lewą z wyżej wymienionego powodu. Czyli że przez obie jednocześnie? To absolutnie niemożliwe, bo nic nie może być w dwóch miejscach przestrzeni jednocześnie, a cząstka z pewnością nie ulega rozsmarowaniu. Więc może przez żadną z nich? To tym bardziej bez sensu, bo ewidentnie widzimy wzór związany z interferencją fali, choć w prowadzonych eksperymentach używamy pojedynczych cząstek, a nawet całych atomów czy ich grup. No to może wstawić jakiegoś rodzaju detektor z dzwoneczkiem, abyśmy wiedzieli, kiedy cząstka przekracza szczelinę?

No i właśnie w tym miejscu Wszechświat robi nam potężnego psikusa: tej dziwacznej, dualnej natury materii w żaden sposób nie da się obserwować jednocześnie. Jeśli chcielibyśmy rejestrować przelatujące przez szczelinę cząstki, to wzór interferencyjny zniknie, a my skończymy z wynikiem 50/50 i dwoma wyraźnymi plamami na ekranie detektora. Usunięcie detektora ze szczeliny sprawi zaś, że znów ujrzymy wzór świadczący o tym, że przez szczeliny ewidentnie przechodzą fale, a nie pojedyncze cząstki.

Einstein był geniuszem, ale co do mechaniki kwantowej mylił się potężnie. W przeciwieństwie do Younga wiedział, że światło można swobodnie traktować nie tylko jako falę – falę konkretnego rodzaju, czyli elektromagnetyczną – ale również jako strumień cząstek, fotonów, które oddziałują z otoczeniem, na co mamy mnóstwo dowodów, w tym naocznych. Korzystając z matematycznych obliczeń, potrafimy przewidzieć, jakie fotony (o jakich energiach) zostaną pochłonięte przez poszczególne pierwiastki, czyli jakich długości fal zabraknie w widmie, jeśli przepuścimy światło przez np. gaz je zawierający; w ten sposób wiemy np. z czego składają się gwiazdy oddalone o absurdalne odległości.

Wiedział o tym, bo sam był jednym z głównych autorów tej koncepcji, a naprowadził go na nią między innymi Maxwell, który dla wygody obliczeń skwantował (czyli matematycznie podzielił na paczki) fale elektromagnetyczne. Einstein otrzymał nagrodę Nobla za tę koncepcję, dzięki której wyjaśnił zjawisko, które możemy obserwować, gdy ktoś nierozważny umieści aluminiową folię w mikrofalówce. Twierdził, że skoro foton przelatuje przez jedną z szczelin, to musi generować jakąś siłę na tej szczelinie, choćby niewielką, i właśnie powstanie tej siły można wykryć, nie łapiąc samej cząstki, co pozwoli nam nadal obserwować wzór interferencyjny. Bohr był przekonany, że to niemożliwe, i uzasadniał to zasadą nieoznaczoności: im dokładniej zaczniemy rejestrować tor lotu fotonu (a więc poznawać go od „cząsteczkowej″ strony”), tym mniej widoczny będzie wzór będący efektem interferencji fal.

Czy jest jakiś sposób, aby jednak oszukać Wszechświat? Czy wszystko w nim naprawdę zależy od wyniku przypadkowego pomiaru? Czy rzeczywistość na swoim poziomie jest absurdalnie nieokreślona i nie podlega opisowi naszymi pojęciami? Im dokładniej się temu przyglądamy, tym bardziej wychodzi na to, że Einstein, mówiąc, że „Pan Bóg nie gra w kości″ miał rację. To raczej rodzaj pokera rozgrywanego pionkami do szachów przy pomocy ruletki.

Do powyższego porównania doprowadziło mnie ostatnie doniesienie z MIT – mowa oczywiście o założonym w 1861 r. Massachusetts Institute of Technology. Myślę, że ten skrót jest wam znany przynajmniej z jakiegoś filmu. Jest to jedna z najlepszych na świecie uczelni technicznych, wiodąca prym w zaawansowanych badaniach podstawowych. Naukowcy badający zachowanie materiałów w ultraniskich temperaturach zauważyli, że coś dziwnego dzieje się ze światłem, gdy oświetlać nimi atomy schłodzone do temperatury różniącej się od zera absolutnego o zaledwie kilka mikrokelwinów.

Zespół profesora Ketterle’a z MIT w miejscu o jakże topornej nazwie: Laboratorium Badawczym Elektroniki oraz Centrum Ultrazimnych Atomów MIT-Harvard, zbudował coś, co można w określić jako układ 10 000 atomów schłodzonych do wspomnianych kilku mikrokelwinów, ułożonych przy pomocy wiązek laserów w sieć o równomiernym rozmieszczeniu. Naukowcy doszli do wniosku, że mogą przepuścić przez taki układ słabą wiązkę światła, tak aby rejestrować rozpraszanie pojedynczych fotonów na dwóch sąsiednich atomach i określić, czy foton zachował się jak cząstka, czy jak fala. Pamiętna „przyjazna dyskusja″ pomiędzy Bohrem i Einsteinem na temat tego, czy da się jakoś stwierdzić, przez którą ze szczelin przeszedł foton, tak aby nie zaburzyć wzoru interferencyjnego, odbyła się się w 1927 roku. Einstein do końca życia nie mógł zaakceptować tego, że wspomniany kwant światła sam tego nie wie, dopóki nie zaczniemy sprawdzać, podczas gdy Bohr uznawał to za konsekwencję zasady nieoznaczoności. Prawie wiek później zyskaliśmy eksperymentalne potwierdzenie, że rację miał Bohr.

Połowa wysłanych fotonów rozpraszała się na atomach z natężeniem, które naukowcy opisali jako oczekiwane w przypadku cząsteczkowej natury fotonu, podczas gdy druga połowa zachowywała się jak na falę przystało. To jednak nie koniec, bo cóż nadzwyczajnego, że potwierdzono, iż jest dokładnie tak, jak z obliczeń wynika? Otóż naukowcy, jak na ciekawskie dzieci przystało, zaczęli zmieniać intensywność wiązek laserowych, które utrzymywały schłodzone atomy w sieci. Po co? Bo byli ciekawi, co się stanie, gdy zastosować do tego układu zasadę nieoznaczoności. Atomy nie mają w naszym Wszechświecie czegoś takiego, jak dobrze określone położenie. Wyobrażamy je sobie jako punkty, ale to coś bardziej rozmytego. Im bardziej atom ma być zlokalizowany w przestrzeni, tym intensywniej należy go oświetlać, co oznacza, że zmieniając intensywność lasera, mamy wpływ na „rozmycie przestrzenne″ atomu. Jakkolwiek sobie to wyobrażacie, to ważne, że atom „bardziej rozmyty″ jest w stanie wykryć tor lotu fotonu w większym stopniu.

Im słabiej naukowcy utrzymywali atomy laserami, tym wzór interferencyjny stawał się słabszy, a zyskiwaliśmy więcej danych o cząsteczkowej naturze fotonu. Samo „poruszenie” atomu przez przelatujący foton zmniejszało interferencję fal. Niestety, ale jak pokazał eksperyment, powtórzony wielokrotnie, natury korpuskularnej i falowej nie da się zaobserwować jednocześnie.

No, ale może wpływ miało to, że atomy były trzymane laserem? Zespół postanowił sprawdzić również tę koncepcję i usunąć lasery z układu poprzez ich wyłączenie: przez część milisekundy „rozmyte atomy″ pozostają zawieszone w przestrzeni, zanim opadną pod wpływem grawitacji. W tym przypadku również wykorzystano różne warunki początkowego „rozmycia″ atomów i znów wyniki były te same. Na poziomie kwantowym nie ma znaczenia, co robisz, ale jakie informacje dzięki temu zdobywasz. Im więcej jednych, tym mniej drugich. Im więcej wiesz o pędzie, tym mniej o położeniu; im więcej o energii, tym mniej o czasie, i tak dalej.

Tak więc którą szczeliną przelatuje cząstka tworząca wzór fali na detektorze? Prawą? Lewą? Obiema? Żadną? Najpierw prawą a potem lewą? Właśnie dlatego Feynman twierdził, że z eksperymentu z dwiema szczelinami można wywieść całą mechanikę kwantową, i dodawał, że jeśli ktoś twierdzi, że coś z tego rozumie, to tak naprawdę nie rozumie, bo to trzeba sobie wyobrazić.

A wcześniejsi fizycy sugerowali, aby nie rozumieć, tylko skupić się na tym, co Wszechświat mówi nam matematyką!

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.

Autor

Lucas Bergowsky

Chemik zafascynowany fizyką kwantową.
Użytkownik Twittera (@Lucas_z_Escobar) o nietypowym poczuciu humoru. Fan gier komputerowych i książek.
BlueSky: @lucas-z-escobar.bsky.social‬

Ostatnie wpisy

Archiwum autora

• fizyka10 listopada 2025Rozmiar ma znaczenie!
• fizyka kwantowa7 października 2025Nobel za Kota Schrödingera!
• chemia26 września 2025Co zaszło 8 Stycznia 1945 w Michigan?
• fizyka kwantowa13 sierpnia 2025Jeden poszedł w prawo, drugi w lewo, a trzeci za nimi!