Kvantų šešėliai: Materijos paslaptis gilėja

Kvantų fizika patinę situaciją išsprendė iš esmės sakydama, kad abi pusės yra teisios. Tariamas to įrodymas kyla iš kvantinės eksperimento, pirmą kartą atlikto anglų fiziko Thomaso Youngo 1803 m., kaip bebūtų ironiška, banginės šviesos prigimties patvirtinimui. Youngas švietė į ekraną su pora plonyčių lygiagrečių plyšelių. Ant toliau stovinčio kito ekrano jis išvydo pakaitomis einančias šviesias ir tamsias juostas, kurios atrodė kaip nepaneigiami šviesos banginės prigimties įrodymai. Per jūrų mole esančius du siaurus plyšelius perėjusios vandens bangos sąveikauja panašiai, kartais viena kitą sustiprindamos, o kartais – slopindamos.

Keistumai prasideda sumažinus šviesos intensyvumą tiek, kad bet kuriuo metu eksperimente dalyvautų tik vienas fotonas. 1905-aisiais Einšteinas tvirtino, kad vienas fotonas yra dalelė ir iš tiesų, padėjus detektorių prie vieno ar kito plyšio, išgirsime pyptelėjimą, vienai dalelei atsitrenkus į jį. Bet patraukus dalelių detektorius ir toliau pastačius šviesą renkantį ekraną – savotiška ilgo išlaikymo kamerą, – pamažu išryškėja Youngo matytas šviesių ir tamsių juostų raštas. Atrodo, lyg kiekvienas fotonas yra interferuojanti banga, pereinanti per abu plyšelius. Tas pats nutinka ir su kitomis kvantinėmis dalelėmis: elektronais, neutronais, atomais ir netgi fulerenų molekulėmis, susidedančiomis iš 60 anglies atomų.

Nielsui Bohrui, didžiajam danų mokslininkui, kvantų teorijos pionieriui, ši „pagrindinė mįslė“ buvo naujos teorijos principas, kurį pavadino komplementarumo principu. Kvantiniai objektai, pavyzdžiui, fotonai, paprasčiausiai turi komplementarias (viena kitą papildančias) savybes – buvimo banga, buvimo dalele, – kurios gali būti stebimos atskirai, bet niekada kartu. O kas lemia objekto pavidalą? Bohras išdėstė pirmuosius savo atsakymo apmatus didžiajame fizikų susirinkime Istituto Carducci ant Como ežero kranto Italijoje 1927-ųjų rugsėjį: mes lemiame. Ieškokite dalelės ir pamatysite dalelę. Ieškokite bangos ir išvysite būtent ją.

Mintis, kad fizinė realybė priklauso nuo stebėtojo, be galo neramino Einšteiną ir jo šalininkus. „Negalima tikėtis, kad koks nors protingas realybės apibrėžimas tai leistų,“ išreiškiamos abejonės 1935 m. paskelbtame jo ir bendraautorių Boriso Podolsky'io ir Nathano Roseno darbe (Physical Review, vol 47, p 777). Einšteinui buvo artimesnė alternatyvi idėja apie slypintį, bet dar nepasiekiamą realybės sluoksnį, slepiantį įtakas, „papasakojančias“ fotonams apie eksperimento esmę ir atitinkamai pakeičiančias jų elgseną.

Tai nėra kažkokia beprotiška sąmokslo teorija. Įsivaizduokite sprogimą, iš kurio priešingomis kryptimis išskrieja du šrapneliai. Sprogimas paklūsta judesio kiekio tvermės dėsniui, tad gabalų masė ir greitis koreliuoja. Bet jei nieko nežinote apie judesio kiekio tvermę, galite lengvai padaryti išvadą, kad vieno fragmento savybių matavimas apsprendžia kito fragmento savybes, o ne tai, kad jie abu atsirado sprogimo taške. Ar panaši paslėpta realybė atsakinga už už kvantų pasaulio tvarką?

Čia ir pravertė Wheeler'io eksperimentas. Jo tikslas buvo nustatyti, kas nurodo fotonui kaip elgtis, naudojant patobulintą dviejų plyšelių eksperimento versiją. Fotonai galėjo pasirinkti du kelius iki interferometro. Tolimajame interferometro gale, šie du keliai susijungtų arba ne. Fotonų matavimas be šios rekombinacijos – „atviras“ interferometras – ekvivalentiškas detektoriaus padėjimui prie vieno ar kito plyšelio. Galima tikėtis išvysti, kad visoms sąlygoms esant tokioms pačioms, dalelės kelionių skaičius vienu ar kitu keliu pasidalins po lygiai.

Tuo tarpu fotonai gali būti matuojami po rekombinacijos – „uždaras“ nustatymas. Šiuo atveju tai, ką tikitės išvysti priklauso nuo dviejų kelių per interferometrą ilgio. Jei abu tiksliai lygūs, bangų viršūnės ateis tuo pačiu metu į vieną iš detektorių ir ten interferuos, viena kitą sustiprindamos: 100 procentų bangų matysis viename detektoriuje ir nieko nesimatys kitame. Tačiau keisdami vieno kelio ilgį, galima sugriauti bangų sinchroniškumą ir keisti interferenciją pirmame detektoriuje nuo visiškai konstruktyvios iki visiškai destruktyvios, kad jame nebūtų nieko fiksuojama. Tai atitinka interferencijos ekrano peržiūrą nuo šviesios juostos iki tamsios dvigubo plyšelio eksperimente.

Wheelerio eksperimento gudrybė buvo atidėti fotono matavimo pasirinkimą – uždaru ar atviru nustatymu – kol jis paklius į interferometrą. Taip fotonas niekaip negalėjo „žinoti“, ar jam eiti vienu ar abiem keliais, elgtis kaip dalelei, ar kaip bangai.

Ar visgi galėjo?

Praėjo beveik trys dešimtmečiai, kol eksperimentas galėjo būti atliktas. Norint užtikrinti, kad nebuvo paslėptos įtakos, kuriai pirmenybę teikė Einšteinas, reikia labai didelio interferometro, kad apie matavimo pasirinkimą informacija fotono pasiekti negalėtų, net jei keliautų šviesos greičius (bet ką greitesnio draudė paties Einšteino reliatyvumo teorija). 2007 metais,Alainas Aspectas su komanda Optikos institute Palaiseau, Prancūzijoje, pastatė 48 metrų ilgio atšakų interferometrą. Rezultatas? Kaskart paskutiniu momentu pasirinkus matuoti fotonus uždaru interferometru, buvo matoma bangų interferencija. Pasirinkus atvirą interferometrą, buvo matomos dalelės (Science, vol 315, p 966).

Nėra kaip išsisukti. Panašu, bangos ir dalelės elgesys yra dvi vienos monetos pusės, atstovaujančios materialiąją tikrovę. Kuri monetos pusė pasirodys – sprendžiate jūs. „Argi tai ne žavinga?“ pernai klausė Aspectas viešoje paskaitoje Physics@FOM konferencijoje Veldhovene, Nyderlanduose. „Manau, nėra kitos išvados, kurią galėtume gauti iš šio eksperimento.“

Nebent, žinoma, reikalus dar pakeistinsite. 2011-ųjų gruodį, Radu Ionicioiu iš Kvantinių skaičiavimų instituto Vaterlo, Kanadoje ir Danielis Terno iš Macquarie universiteto Sidnėjuje, Australijoje, pasiūlė praplėsti Wheelerio mintinį eksperimentą (Physical Review Letters, vol 107, p 230406). Jų naujovė buvo sprendimas, kaip matuoti fotoną, kaip bangą ar kaip dalelę, pats turėtų paklusti kvantų mechanikai – ne būti vienareikšmiškas „taip“ ar „ne“, tačiau neapspręstas, išplaukęs „taip ir ne“.

Begaliniai pilkumo atvejai

Tai padaryti įmanoma: naudojant šviesą detektorių, skirtų šviesos matavimui, kontrolei. Pirmiausia paruošiate „kontrolinį“ fotoną kvantinėje dviejų būklių superpozicijoje. Viena iš šių būsenų perjungia interferometrą į atvirą, daleles matuojančią būseną, kita – į uždarą, bangas matuojančią būseną. Svarbiausia, kontrolinio fotono būsena išmatuojama tik po to, kai eksperimentinės „sistemos“ fotonas pereina interferometrą. Išeina, kad sistemos fotonas pereina interferometrą, kuris kartu uždaras ir atviras – nežinote, matuosite bangos ar dalelės elgesį. Tad, ką matuojame?

Šį kartą eksperimentatoriams teprireikė kelių mėnesių pasivyti teoretikus. Bet kai trys nepriklausomos grupės, vadovaujamos Chuan-Feng Li Kinijos Mokslo ir technologijų universitete Hefei,Jeremy'io O'Brieno Bristolio universitete, JK, ir Sébastieno Tanzilli'io Nicos universitete, Prancūzijoje, pernai atliko skirtingas eksperimento versijas, rezultatai buvo trikdantys – netgi laikantiems save atspariais kvantų fizikos keistenybėms (Nature Photonics, vol 6, p 600;Science, vol 338,p 634 ir p 637).

Pasirodo, tai, ką matote, priklauso nuo kontrolinio fotono. Jei stebėsite sistemos fotono matavimą, netikrindami atitinkamų kontrolinio fotono matavimų – tad, niekada nežinodami, kokį matavimą atliekate – matysite užfiksuotas žymes dviejuose detektoriuose, kurios žymės ne dalelę ar bangą, bet neapibrėžtą jų mišinį. Jei dalelė būtų juoda, o banga balta, rezultatas būtų pilkas atspalvis.

Padarykite tą patį, tačiau šį kartą stebėkite ir kontrolinio fotono rodmenis, tai bus panašu, lyg užsidėtumėte stebuklingus akinius. Pilka spalva aiškiai atsiskiria į juodą ir baltą. Galite pasirinkti sistemos fotonus, perėjusius per atvirą interferometrą ir jie aiškiai bus dalelės. Perėję uždarą interferometrą atrodys kaip bangos. Fotonai atskleidžia savo spalvas pagal tai, kokius matavimus kontrolinis fotonas pasako, kad atlikote.

Dar keisčiau. Kvantų mechanika leidžia kontroliniam fotonui būti ne tik vienodame, bet ir skirtingų proporcijų dviejų būsenų mišinyje. Tai atitinka interferometro nustatymą į, tarkime, 70 procentų laiko atvirą ir 30 procentų laiko uždarą būseną. Jei taip sukonfigūravę, išmatuosime krūvą sistemos fotonų ir žvelgsime į duomenis prieš užsidėdami savo stebuklinguosius akinius, vėl išvysime nevienareikšmį vaizdą – bet šį kartą pilkumo atspalviai pasislinko arčiau dalelių juodumo nuo bangų baltumo. Tačiau, užsidėkime akinius ir išvysime sistemos fotonus, kurių 70 procentų regis – bet aiškiai – elgėsi kaip dalelės, tuo tarpu likę 30 procentų veikė kaip bangos.

Iš vienos pusės, tokie rezultatai palaiko Bohro teiginius apie kvantinę realybę. Yra stipri koreliacija tarp kontrolinio fotono būsenos, atstovaujančios matavimų pobūdį ir sistemos fotonų, atstovaujančių tikrovės būseną. Darykite matavimus, labiau skirtus dalelėms ir išmatuosite kažką daugiau, kaip dalelę ir atvirkščiai. Kaip ir ankstesniuose eksperimentuose, paslėptosios realybės teorija à la Einstein rezultatų paaiškinti negali.

Bet iš kitos pusės, mums trūksta žodžių. „Mūsų eksperimentai paneigia įprastas ribas, nubrėžtas komplementarumo principo,“ sako Li. Ionicioiu sutinka. „Komplementarumas rodo tik dvi puses, juodą ir baltą, iš viso spektro tarp dalelės ir bangos,“ sako jis. „Šis eksperimentas leidžia išvysti tarpinius pilkus atspalvius.“

Tad, tai įrodo, kad klydo ir Bohras?Johannesas Kofleris iš Maxo Plancko kvantų optikos instituto Garchinge, Vokietijoje, taip nemano. „Esu labai labai tikras, kad visi šie eksperimentai jam būtų labai patikę,“ sako jis. Komplementarumo principas yra pačioje kvantų mechanikos „Kopenhagos interpretacijos“ širdyje. Ši interpretacija, pavadinta Bohr'o gimtojo miesto vardu, iš esmės teigia, kad konfliktą tokiuose rezultatuose matome tik todėl, kad mūsų protai sustyguoti makroskopiniam, klasikiniu būdu funkcionuojančiam kosmosui, nesugeba tvarkytis su kvantų pasauliu. „Kopenhagos interpretacija iš pat pradžių nereikalavo kvantų sistemų „realistiško“ pasaulio vaizdo,“ sako Kofleris.

Pastarieji eksperimentai tiesiog tai patvirtina. „Dalelė“ ir „banga“ yra koncepcijos, kurių laikomės, kadangi jos atrodo atitinkančios mums pažįstamo, klasikinio pasaulio materijos pavidalą. Bet pastangos apibūdinti tikrą kvantinę realybę šiomis ar kokiomis kitomis tik juodomis ar baltomis sąvokomis yra iš anksto pasmerktos nesėkmei.

Šis suvokimas grąžina mus tiesiai į Platono urvą, sako Ionicioiu. Senovės Graikijos filosofo alegorijoje, oloje įkalinti kaliniai mato tik daiktų metamus šešėlius, niekada pačių daiktų. Tarkime, cilindras gali atrodyti kaip apskritimas arba stačiakampis arba kas nors tarp jų. Kažkas panašaus vyksta su pagrindiniais tikrovės statybiniais blokais. „Kartais fotonas atrodo kaip banga, kartais kaip dalelė, ar kaip bet kas tarp jų,“ sako Ionicioiu. Tačiau iš tikrųjų tai nėra nė vienas iš šių dalykų. Kas tai yra, mes neturime žodžių ar sąvokų išreikšti.

Va, čia tai keista. O kvantų fizikams tai visos dienos darbas.