Η διερεύνηση των ορίων του κβαντικού κόσμου
Μέρος 1ο

Άρθρο Ανασκόπησης από τo περιοδικό Physics World, Οκτώβριος 2005

1o, 2ο, 3ο

Μόρια που έχουν πάνω από 100 άτομα μπορούν να δείξουν φαινόμενα συμβολής, σύμφωνα με πρόσφατα πειράματα τα οποία μελετούν την μετάβαση από τον κβαντικό στον κλασσικό κόσμο

Από τότε που αναπτύχθηκε η κβαντική θεωρία στο πρώτο τέταρτο του 20ου αιώνα, έχουμε βιώσει μια παράξενη διαίρεση. Τα αντικείμενα στον καθημερινό μας κόσμο συμπεριφέρονται "κανονικά" δηλ. υπακούουν στην κλασσική φυσική, ενώ τα μικροσκοπικά αντικείμενα μπορούν να συμπεριφέρονται αντίθετα με την καθημερινή μας αντίληψη και να μας αποκαλύπτουν παράξενα χαρακτηριστικά της κβαντικής φυσικής. Πού όμως βρίσκεται ακριβώς το όριο μεταξύ του κλασσικού και του κβαντικού κόσμου; αν πράγματι υπάρχει κάτι τέτοιο; Αν η κβαντομηχανική είναι μια παγκόσμια θεωρία, γιατί να έχει νόημα να μιλάμε για την κβαντική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων αλλά όχι και για την κβαντική συμπεριφορά μιας μπάλας ποδοσφαίρου;  

Ένας τρόπος για ν' απαντηθούν αυτές οι ερωτήσεις είναι να κάνουμε ευαίσθητα πειράματα συμβολομετρίας στα οποία μια δέσμη μορίων στέλνεται ν' ακολουθήσει δύο διαφορετικές πορείες και μετά τα δύο τμήματά της επανενώνονται. Αυτά τα πειράματα μας αποκαλύπτουν ότι τα μόρια έχουν και "κυματική" και "σωματιδιακή" φύση, και δείχνουν κβαντική συμπεριφορά. Πρόσφατη έρευνα από την ομάδα μας έδειξε ότι μόρια με 100 άτομα μπορούν πράγματι να συμβάλλουν μεταξύ τους. Τα πειράματα αυτά δείχνουν ένα από τα πιο ασυνήθιστα χαρακτηριστικά της κβαντικής θεωρίας, συγκεκριμένα, ότι τα αντικείμενα μπορούν να υπάρχουν σε υπέρθεση (επαλληλία) πολλών καταστάσεων. 

Αυτή η "μη τοπικότητα" περιγράφεται συχνά ως δυνατότητα ενός αντικειμένου να βρίσκεται σε δυο διαφορετικά μέρη την ίδια στιγμή. Η περιγραφή αυτή όμως στερείται νοήματος. Για να καταλάβουμε γιατί, ας θεωρήσουμε το γνωστό πείραμα διπλής σχισμής του Young, το οποίο αποτελεί ακόμα και σήμερα τη βάση πολλών ερευνών στην κβαντική οπτική (εικόνα 1α). Στην απλούστερη εκδοχή του, το φως από μια λυχνία καλυμμένη με ένα έγχρωμο γυάλινο φίλτρο, περνάει πρώτα από μια σχισμή και μετά από δύο άλλες σχισμές, οι οποίες είναι τοποθετημένες πολύ κοντά η μια στην άλλη, ενώ στη συνέχεια το φως πέφτει πάνω σε μια οθόνη.

Αν οι σχισμές είναι αρκετά στενές και τα κύματα που εξέρχονται από αυτές είναι συμφασικά, σε μια εκτεταμένη περιοχή του χώρου και για σημαντική χρονική διάρκεια, τότε θα εμφανιστεί επί της οθόνης ένας σχηματισμός φωτεινών και σκοτεινών κροσσών. Οι κροσσοί αυτοί αντιστοιχούν σε περιοχές όπου τα κύματα έχουν συμβάλλει ενισχυτικά και αποσβεστικά αντίστοιχα. Για να αποδείξουμε ότι πράγματι συμβαίνει συμβολή, αρκεί να κλείσουμε τη μια σχισμή από τις δύο, και ο σχηματισμός συμβολής θα εξαφανιστεί.

Αλλά όπως πρώτος έδειξε ο Geoffrey Ingram Taylor το 1909, αν εξασθενήσουμε την πηγή φωτός ώστε να εκπέμπεται ένα μόνο φωτόνιο κάθε φορά, πάλι θα παρατηρήσουμε ένα πλήρη σχηματισμό συμβολής, αρκεί να περιμένουμε για μεγάλο χρονικό διάστημα. Τι σημαίνει λοιπόν συμβολή σ' αυτή την περίπτωση; Εφόσον χρειαζόμαστε τουλάχιστον δύο κύματα να συμβάλλουν για να σχηματιστούν κροσσοί, σημαίνει άραγε αυτό ότι ένα απλό φωτόνιο περνάει συγχρόνως και από τις δύο σχισμές; i

Ερωτηματικά χωρίς απαντήσεις

Δυστυχώς αυτές οι ερωτήσεις είναι αδύνατον ν' απαντηθούν, έστω και κατ' αρχήν, γιατί δεν μπορούμε να έχουμε συγχρόνως τέλειους σχηματισμούς συμβολής και πλήρη πληροφορία για την ακριβή διαδρομή που ακολούθησε το φωτόνιο. Κάθε φορά μπορούμε να έχουμε είτε τη μια είτε την άλλη πληροφορία. Αν είναι ανοιχτές και οι δύο σχισμές, πετυχαίνουμε συμβολή αλλά δεν έχουμε καμιά πληροφορία από που πέρασε το φωτόνιο. Αντίστροφα, κλείνοντας τη μια από τις δύο σχισμές αποκλείουμε την αντίστοιχη διαδρομή, αλλά αλλά καταστρέφεται και ο σχηματισμός συμβολής. Αυτό είναι ένα απλό παράδειγμα αυτού που ο Niels Bohr αποκάλεσε αρχή της συμπληρωματικότητας. Σημειώστε ότι αν είχαμε μερική πληροφόρηση για τη διαδρομή του φωτονίου, δηλαδή αν μπορούσαμε να διακρίνουμε τις διαδρομές του με κάποια πιθανότητα, θα παρατηρούσαμε συμβολή, αλλά δεν θα είχαμε πλήρη αντίθεση μεταξύ των φωτεινών και σκοτεινών κροσσών.

Δεν μπορούμε λοιπόν να πούμε ότι η θέση του φωτονίου καθώς ταξιδεύει μέσα στο συμβολόμετρο έχει πραγματικό νόημα, γιατί δεν έχουμε κανένα τρόπο να πιστοποιήσουμε την τροχιά του (δηλαδή την σωματιδιακή του φύση), χωρίς να επηρεάσουμε τον σχηματισμό συμβολής (δηλαδή την κυματική του φύση). Το μόνο πράγμα που γνωρίζουμε είναι αν ένα φωτόνιο έχει φτάσει στον ανιχνευτή, και αν έχει φτάσει, τότε υπάρχει μια καλά ορισμένη πιθανότητα ότι πέρασε μέσα από κάποια από τις σχισμές. Οι παρατηρήσεις αυτές μπορεί να φαίνονται παράξενες, αλλά τα πράγματα γίνονται ακόμη πιο αντίθετα προς την κοινή λογική μας όταν κάνουμε συμβολομετρία με σωματίδια μεγάλης μάζας, όπως είναι τα μόρια.

Γιατί κάθε σωματίδιο μπορεί να σχετίζεται με ένα κύμα που θα έχει μήκος κύματος de Broglie ίσο με λ = h/mv, όπου h είναι η σταθερά του Planck, m είναι η μάζα του σωματιδίου και v είναι η ταχύτητά του. Δυστυχώς όμως, το μήκος κύματος de Broglie ενός αντικειμένου τόσο μεγάλου σαν μια μπάλα ποδοσφαίρου, θα είναι πάρα πολύ μικρό και θα καθιστά το πείραμα αδύνατο γιατί οι κροσσοί θα βρίσκονται πάρα πολύ κοντά μεταξύ τους.

να βρίσκονται συγχρόνως σε δύο θέσεις δηλ. να μην είναι εντοπισμένα στο χώρο και να εμφανίζουν κυματική συμβολή; Και τι συμβαίνει με τα ακόμα μεγαλύτερα αντικείμενα, όπως είναι οι μπάλες ποδοσφαίρου; Μπορούν αυτές να συμβάλλουν;
Κατ' αρχήν θα μπορούσαν, γιατί κάθε σωματίδιο μπορεί να σχετίζεται με ένα κύμα που θα έχει

Και ενώ είναι δυνατόν να παρατηρήσουμε τη συμβολή με τα μικρότερα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, τα άτομα και τα μόρια, πρέπει να θυμόμαστε ότι αυτά μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το περιβάλλον τους συγκρουόμενα με άλλα μόρια, ή εκπέμποντας ή απορροφώντας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η κατάσταση του περιβάλλοντος διαπλέκεται με  το κβαντικό αντικείμενο, πράγμα που σημαίνει ότι πληροφορία για το αντικείμενο διαχέεται γρήγορα στο περιβάλλον. Ως αποτέλεσμα, τα δύο συστήματα συσχετίζονται ακόμα και μετά την αλληλεπίδρασή τους. Αφού λοιπόν κατ' αρχήν εμείς θα μπορούσαμε να αποσπάσουμε αυτή την πληροφορία, - έστω και αν στην πραγματικότητα δεν κάνει κάτι τέτοιο ένας παρατηρητής - ο σχηματισμός συμβολής εξαφανίζεται.

Αυτή η απώλεια της συμβολής, ή όπως την λέμε: " η αποσυμβολή", είναι μια από τις κρίσιμες αιτίες γιατί τα μακροσκοπικά αντικείμενα της καθημερινής μας ζωής δεν εμφανίζουν κβαντικά φαινόμενα όπως η συμβολή. Είναι τόσο μεγάλα ώστε αλληλεπιδρούν ισχυρά με το περιβάλλον και χάνουν γρήγορα τη δυνατότητα να συμβάλλουν. Με άλλα λόγια, η απουσία κβαντικής συμπεριφοράς στο μακρόκοσμο, πηγάζει από το γεγονός ότι είναι ολοένα και πιο δύσκολο να απομονώσουμε αντικείμενα με αυξανόμενο μέγεθος και πολυπλοκότητα. Να σημειωθεί ότι είναι η κβαντική φύση της αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον και η επακόλουθη μεταφορά πληροφορίας που οδηγεί στο όριο της κλασσικής συμπεριφοράς ενός αντικειμένου.

Αν και οι Heisenberg, Einstein, Bohr και πολλοί άλλοι από τους πατέρες της κβαντικής θεωρίας, είχαν σκεφτεί ότι θα μπορούσε να καταστραφεί η συμβολή αν γνωρίζαμε την πληροφορία για την τροχιά ενός κβαντικού αντικειμένου, για μεγάλο χρονικό διάστημα αυτό φαινόταν σαν μια αφηρημένη φιλοσοφική ερώτηση. Μόνο πρόσφατα έχει γίνει πειραματική πρόοδος και μπορέσαμε να μελετήσουμε το αποτέλεσμα μιας εξωτερικής επίδρασης πάνω στη συμβολή των ατόμων και των μορίων. Τα πειράματα αυτά δεν είναι ακριβώς θεμελιώδους σημασίας για την κατανόηση του κλασσικού μας κόσμου. έχουν να κάνουν επίσης με τους κβαντικούς υπολογιστές - δηλ. συσκευές που θα μπορούσαν κατ' αρχήν να ξεπεράσουν τους κλασσικούς υπολογιστές εκμεταλλευόμενοι την αρχή της κβαντικής επαλληλίας. Η αποσυμβολή πιστεύεται ότι αποτελεί την κύρια αιτία που μας εμποδίζει να μετατρέψουμε έναν κβαντικό υπολογιστή, από θεωρητικό όνειρο σε πραγματοποιήσιμη πραγματικότητα.

1o, 2ο, 3ο

Οι συγγραφείς

Οι Markus Arndt και Anton Zeilinger εργάζονται στο Ινστιτούτο Πειραματικής Φυσικής του πανεπιστημίου της Βιέννης.Ο Klaus Hornberger ανήκει στο τμήμα Φυσικής του πανεπιστημίου του Μονάχου της Γερμανίας.

Βιβλιογραφία

M Arndt et al. 1999 Wave-particle duality of C₆₀ molecules Nature 401 680-682
S Dürr, T Nonn and G Rempe 1998 Origin of quantum-mechanical complementarity probed by a "which-way" experiment in an atom interferometer Nature 395 33-37
B-G Englert 1996 Fringe visibility and which-way information: an inequality Phys. Rev. Lett. 77 2154-2157
L Hackermüller et al. 2003 Wave nature of biomolecules and fluorofullerenes Phys. Rev. Lett. 91 90408
L Hackermüller et al. 2004 Decoherence of matter waves by thermal emission of radiation Nature 427 711-714
K Hornberger et al. 2003 Collisional decoherence observed in matter-wave interferometry Phys. Rev. Lett. 90 160401
E Joos et al. 2003 Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory (Springer, Berlin)
D A Kokorowski et al. 2001 From single- to multiple-photon decoherence in an atom interferometer Phys. Rev. Lett. 86 2191-2195
A J Leggett 2002 Testing the limits of quantum mechanics: motivation, state of play, prospects J. Phys.: Condens. Matter 14 R415-R451
J M Raimond, M Brune and S Haroche 2001 Colloquium: manipulating quantum entanglement with atoms and photons in a cavity Rev. Mod. Phys. 73 565-582
W H Zurek 2003 Decoherence, einselection and the quantum origin of the classical Rev. Mod. Phys. 75 715-775