Radotki

Richard Feynman – słynny fizyk, laureat nagrody Nobla stwierdził niegdyś, że „wszystkie tajemnice mechaniki kwantowej” kryją się w doświadczeniu Younga i ciężko z tym polemizować, bo ów inkryminowany eksperyment wskazuje na dwie fundamentalnie oraz trudne do zrozumienia prawdy dotyczące otaczającego nas świata. Po pierwsze primo: kiedy rozkręcimy symboliczny mikroskop znajdujemy cząstki elementarne, które zachowują się jak fala energii, a nie intuicyjny punk materialny. Po drugie primo: zachowanie tychże cząstek zależy od tego czy są obserwowane.

Thomas Young w 1801 roku przeprowadził eksperyment,

w którym oświetlił ekran, wstawiając między niego, a źródło światła płytkę z dwiema szczelinami. Wskutek interferencji na ekranie powstały jasne i ciemne prążki w obszarach, w których światło jest wygaszane lub wzmacniane. Doświadczenie to potwierdzało falową naturę światła (z czym nie zgadzał się Izaac Newton) i w sumie niewiele więcej. Absolutnym zaskoczeniem były jednak kolejne doświadczenia, w których badano zachowanie pojedynczych fotonów. Nawet w tym przypadku przepuszczony przez dwie szczeliny pojedynczy kwant światła nadal tworzył na ekranie taki sam wzór interferencyjny. I tu już interpretacja zjeżyła włosy na głowie fizyków, a pewnie tychże włosów wielu też pozbawiła.

Skoro jeden, niepodzielny kwant światła – foton przechodzi jednocześnie przez dwie szczeliny i interferuje sam ze sobą to znaczy, że będąc już niepodzielnym jednak się dzieli.

Dopytamy jeszcze, co oznacza w tym wszystkim fala. Jest to zaburzenie rozprzestrzeniające się w ośrodku lub przestrzeni przenoszące energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu jakiejkolwiek materii. Podobnie jak fala wody nie jest punktem z wodą, ale rozmytą w czasie i przestrzeni smugą zawierającej tej wody tu więcej, a tam mniej.

Kolejnym zaskoczeniem były przeprowadzone w 1927 eksperymenty Davisson i Germera.

Potwierdziły, że elektrony podobnie do fotonów wykazują ten sam problem, który został rozszerzony następnie do atomów i cząsteczek!

Podsumowując mój laicki przewód dedukcyjny. Świat z grubsza składa się z atomów, te z protonów, neutronów i elektronów. Dwa pierwsze składają się między innymi z gluonów i kwarków, te z kolei oraz elektrony to już cząstki elementarne. Obecnie doliczono się łącznie, nie przymierzając, kilkanaście ich rodzajów, zapachów oraz innych wariantów.

Wszystkie podlegają zasadom doświadczenia Younga, czyli przynajmniej miewają naturę falową, co za tym idzie nie możemy określić ich lokalizacji, a jedynie amplitudę prawdopodobieństwa występowania w danym miejscu czy stanie. I tu chwytamy się z zasadą nieoznaczoności Heisenberga, ale o tym w innym programie. Tymczasem wracamy do meritum.

Skoro podstawowe składniki świata są jedynie „prawdopodobne”,

dla określonego miejsca i stanu to znaczy, że złożony z nich świat też taki jest. Wzory, które bez zarzutu sprawdzają się w świecie cząstek elementarnych można stosować także do większych obiektów, jak choćby fotela, na którym siedzę. Nie spadam z niego, bo zgodnie z owymi wzorami funkcja prawdopodobieństwa jego bycia w tym, a nie innym miejscu, jest ekstremalnie bliska 100% (choć nie równa). Albo inaczej jest w tym miejscu, bo go czuję, postrzegam.

Przypomina się stare pytanie: czy drzewa szumią w lesie, gdy ich nikt nie słyszy?

Mechanika kwantowa odpowiada, że szumią i nie szumią jednocześnie. I tu przechodzimy do drugiego primo, czyli: zachowanie cząstek zależy od obserwatora. Owszem zależy.

Wróćmy do doświadczenia Younga. Do przeprowadzanego eksperymentu dodajemy jeszcze jeden element: detektor, który niczym nasze super czułe oko podgląda foton, aby sprawdzić jak ten kryminalista włamuje się do jubilera i jednocześnie spędza noc w gronie przyjaciół, czyli przechodzi przez dwie szczeliny jednocześnie. W takim przypadku, czyli przy włączonym detektorze, na ekranie obserwujemy dwie linie, zatem obraz, który jest charakterystyczny dla cząstek, a nie fali. Najwyraźniej pomiar, czy obserwacja zmienia właściwości cząsteczek.

Przeprowadzimy teraz eksperyment, który dokładnie wyjaśnia to zjawisko – doświadczenie to wykonywane było już wielokrotnie w laboratoriach. Bierzemy atom (podstawowy element materialny) i przepuszczamy go przez półprzezroczysty ekran, który rozdziela go na dwie paczki funkcji falowej tegoż atomu. Każda „połowa” funkcji falowej atomu leci oddzielną ścieżką do pudełka, w którym zostaje uwięziona. Trzymanie atomu w pudełku bez zakłócenia jego funkcji falowej jest trudne, ale wykonalne. Powtarzamy eksperyment pewną ilość razy. Finalnie mamy zestaw par pudełek, gdzie każda para zawiera paczkę funkcji falowej pojedynczego atomu.

Następnie przystawiamy pary pudełek do czułego ekranu i jednocześnie je otwieramy. Powtarzamy tę czynność z kolejnymi parami pudełek zawierającymi po paczce funkcji falowej atomu. Na ekranie pojawia się wzór interferencyjny. Każdy atom poddawał się regułom falowym i padał w określonych obszarach ekranu, a w innych nie. Atomy zachowują się jak fala, bo zwiększając odległość ekranu od pudełek zmienia się odległość między skupiskami atomów i liniami od nich wolnymi.

Teraz powtarzamy doświadczenie, ale po uwięzieniu części atomu w parach pudełek zamiast otwierać je jednocześnie zaglądamy do nich i dopiero wówczas otwieramy jedno po drugim przed ekranem detekcyjnym. W tej sytuacji okazuje się, że atom odnajdujemy zawsze w jednym pudełku, a w drugim nic, albo w pierwszym nic, wówczas jest w drugim. Atomy po otwarciu pudełek uderzają w ekran i tworzą równomierny rozkład, tak jak punkt materialne, zupełnie inaczej niż wcześniej.

Wygląda to tak, jakby cząstki elementarne wstydziły się swojej falowości i gdy są obserwowane (mierzone) „ubierają się” w punktowe cząstki materialne.

Gdy ich nie podglądamy chodzą nago jako fala.

Dochodzimy do zaskakującego wniosku: światło i materia są w równej mierze falami jak cząstkami, co znamy jako dualizm korpuskularno falowy.

Przy okazji dostrzegamy też zasadę tzw. superpozycji: cząstki mogą równocześnie istnieć w wielu stanach, a także znajdować się w wielu miejscach.

Tak oto działają i wyglądają podstawowe cegiełki rzeczywistości.

A teraz drogi czytelniku, jeśliś dotarł do tego miejsca to zapraszam do maksymalnego odkręcenia potencjometru absurdu.

Pod koniec 2015 roku naukowcy z Nationa Institute of Standard a and Technology i University of Colorado przeprowadzili eksperyment, który wykluczył lokalną teorię parametrów ukrytych Einsteina (EPR) jako wyjaśnienie dla niewyjaśnionego logicznie zjawiska splątania cząstek elementarnych w mechanice kwantowej. Sprawa dotyczy opracowanego jeszcze w latach 60 przez Johna Bella twierdzenia. Twierdzenie ma postać nierówności nakładający procentowy próg dla korelacji spinów splątanych cząstek, powyżej którego jego założenia nie mogą być prawdziwe dla teorii Einsteina.

Sprawa brzmi skomplikowanie, ale można to wytłumaczyć łatwiej na przykładzie.

Spin jest pewną cechą cząstki elementarnej. Porównajmy zatem cząstkę do kuli bilardowej, a spin do jej koloru. Parę cząstek elementarnych (czyli kul), każda o innym kolorze (np. czerwony i niebieski) rozdzielamy w dwie paczki funkcji falowej i zamykamy w dwóch pudełkach (znamy to z wcześniejszego opisu). Każde z nich zawiera prawdopodobieństwo obydwu kolorów kuli, gdyż są w stanie falowym. Oddalamy te dwie paczki na gigantyczną odległość rzędu lat świetlnych.

Następnie otwieramy jedno z pudełek; funkcja falowa paczki kolapsuje się do określonego stanu i widzimy bilę kuli czerwonej. W tym samym momencie w drugim pudełku bila staje się niebieska. Dzieje się tak jednocześnie, czyli z pominięciem jednej z podstawowych zasad praw Einstenina – szybciej od prędkości światła, która wg jego wzorów jest prędkością nieprzekraczalną. W naszym eksperymencie informacja nt koloru kuli z jednego pudełka do drugiego dotarła natychmiast, z pominięciem ograniczenia prędkości 300 000 km/s.

Każda z kul w czasie podróży ma obydwa kolory i dopiero fakt obserwacji przez nas decyduje jaki ma kolor, a druga w tym samym momencie (czyli z pominięciem teorii Einsteina o maksymalnej prędkości c) dowiaduje się o barwie tej pierwszej i przybiera drugi kolor.

Mechanika kwantowa górą

Przez wiele lat temat był trochę na uboczu głównej myśli fizyki kwantowej. Regularnie przeprowadzano eksperymenty mające określić, czy założenia Einsteina uproszczą/wyjaśnią nasze pojmowanie zjawisk kwantowych, ale warunki eksperymentów nie dawały wiarygodnych wyników.

Dopiero dwa lata temu przeprowadzono najpierw jeden, potem kilka kolejnych eksperymentów, które wykluczały zakłócenia i kontaminacje. (Scientifc American; Świat Nauki 01.2019, str. 32 Upiorne Działanie). Wyniki były jednoznaczne: mechanika kwantowa górą. Wyniki eksperymentu jednoznacznie potwierdzają, że na poziomie subatomowym zachodzą zjawiska, które totalnie kłócą się z naszym zdrowym rozsądkiem i codzienną rzeczywistością. Świat, w której żyjemy okazuje się bardziej subiektywny i szalony niż obserwujemy. Jeśli tak to działa na poziomie subatomowym, to może także w skali makro.

Zagadki kwantowe powstają na skutek naszej świadomej percepcji wolnej woli. Wynikające z eksperymentów wnioski wiążą świadomość ze światem fizycznym i ukazują potyczkę fizyki ze świadomością.

„W istocie, człowiek wskutek swojej zwierzęcej natury czuje opór wobec postrzegania siebie, jako twórcy okoliczności własnego bytu”

Carl Gustav Jung, Dodatek III, Tybetańska Księga Umarłych.

 

Autor: Łukasz Gołoś

Organizator  Festiwalu Wibracje, z wykształcenia archeolog i dziennikarz, hobbystycznie podróżnik – filmowiec, miłośnik staropolskiej kuchni wegetariańskiej. Kibicuje naukowcom w pracach nad połączeniem modelu standardowego mechaniki kwantowej z teorią względności. Popiera grawitację i zdrowy rozsądek. Brakuje mu czasu na regularne uzupełnianie profilu na fb, preferuje życie w realu.