|
|
|
Η διερεύνηση των ορίων του κβαντικού κόσμου
|
1o, 2ο, 3οΗ καταστροφή της υπέρθεσης στα μοριακά συμβολόμετρα Τα πειράματα αυτά μας δείχνουν ότι ακόμη και πολύ μεγάλα και πολύπλοκα μόρια μπορούν να συμβάλλουν και μας αποκαλύπτουν την κβαντική τους φύση. Αλλά τα μόρια συνήθως τα αντιλαμβανόμαστε ως καλά εντοπισμένα αντικείμενα τα οποία μπορούμε να τα παρατηρήσουμε ακόμα και με ισχυρά μικροσκόπια. Συνεπώς, τι είναι εκείνο που καταστρέφει τον μη συγκεκριμένο εντοπισμό και εξαφανίζει τους σχηματισμούς κροσσών συμβολής; Υπάρχουν στην πραγματικότητα δύο σχετικοί μηχανισμοί που κάνουν δυνατή τη μέτρηση της θέσης ενός μορίου. Ο πρώτος περιλαμβάνει τις συγκρούσεις με άλλα σωματίδια, όπως είναι τα μόρια του αερίου, ενώ ο δεύτερος περιλαμβάνει τη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από το μόριο. Για να βρούμε πως οι διαδικασίες αυτές μπορούν να καταστρέψουν τον σχηματισμό συμβολής και να μας οδηγήσουν στην κλασσική συμπεριφορά, προσθέταμε βαθμιαία αέριο στο θάλαμο του συμβολομέτρου Talbot-Lau κατά τη διάρκεια των πειραμάτων με τον άνθρακα-70 (Εικόνα 3a.) Βρήκαμε ότι το μέγεθος της αντίθεσης μεταξύ των κροσσών μειωνόταν εκθετικά καθώς προσθέταμε και νέο αέριο, και ότι οι κροσσοί εξαφανίζονταν σχεδόν εντελώς όταν η πίεση έφτανε τα 10-6 mbar. Αυτό βρισκόταν σε πλήρη ποσοτική συμφωνία με τη θεωρητική ανάλυση για τις σκεδάσεις που συνέβαιναν. Αν και μια μεμονωμένη κρούση με ένα μόριο του αερίου δεν θα εκτρέψει το βαρύ φουλερένιο έξω από την τροχιά του συμβολομέτρου, είναι όμως αρκετή για να καταστρέψει το σχηματισμό συμβολής γιατί μεταφέρει αρκετή πληροφορία ώστε να καθοριστεί η τροχιά που έχει ακολουθήσει το μόριο που επρόκειτο να συμβάλλει. Η εκθετική λοιπόν μείωση σχετίζεται άμεσα με την πιθανότητα των συγκρούσεων. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι τα μόρια θα μπορούσαν να έχουν ατομική μάζα περίπου ίση με 1.000.000 και να εξακολουθούν να μην επηρεάζονται ως προς την υπέρθεση των κβαντικών καταστάσεων, σε ένα συμβολόμετρο Talbot-Lau σε πίεση 10-10 mbar. Τέτοιες πιέσεις επιτυγχάνονται άνετα με τη σημερινή τεχνολογία κενού. Στη συνέχεια ερευνήσαμε πως η "εσωτερική θερμοκρασία" ενός μορίου επηρεάζει τη συμβολή. Η έννοια "εσωτερική θερμοκρασία" δεν έχει νόημα για άτομα ή ηλεκτρόνια, αλλά έχει νόημα για μόρια τα οποία είναι πολύπλοκα αντικείμενα. Η έννοια αυτή περιγράφει την ενεργειακή κατανομή των πολλών βαθμών ελευθερίας που αναφέρονται στην ταλάντωση και την περιστροφή των μορίων. Τα θερμά αντικείμενα εκπέμπουν φυσικά θερμικά φωτόνια, τα οποία απορροφούνται στη συνέχεια από το περιβάλλον, μεταφέροντας ορμή κατά τη διαδικασία αυτή. Με άλλα λόγια, κάθε φωτόνιο μπορεί να μεταφέρει πληροφορία για τη θέση του αντικειμένου που το εξέπεμψε, η οποία μπορεί κατ' αρχήν να μετρηθεί. Πράγματι, όταν αυξήσαμε την εσωτερική θερμοκρασία των μορίων του άνθρακα-70 σε τιμή πάνω από 1000 Κ, η αντίθεση μεταξύ των κροσσών συμβολής εξαφανίστηκε σιγά-σιγά. (Εικόνα 3). Αναπτύξαμε επίσης ένα θεωρητικό μοντέλο, που μπορεί να εξηγήσει αυτούς τους παρατηρούμενους ρυθμούς καταστροφής της υπέρθεσης. Στηριζόμενοι σε μια εκδοχή του νόμου του Planck, το μοντέλο περιγράφει πως εκπέμπονται οι αυξανόμενοι αριθμοί των μικρού μήκους κύματος φωτονίων, καθώς η εσωτερική θερμοκρασία του μορίου αυξάνει. Αυτό που χρειάζεται για να καταστραφεί η εικόνα των κροσσών συμβολής, είναι το μόριο να εκπέμψει είτε πλήθος από φωτόνια με μεγάλο μήκος κύματος, είτε ένα απλό φωτόνιο με μήκος κύματος μικρότερο από το διπλάσιο της απόστασης των διαχωρισμένων αλλά σύμφωνων μοριακών κυμάτων. Η απόσταση αυτή που αντιπροσωπεύει την απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών σχισμών του φράγματος, είναι 1 μm στη συσκευή μας με το κοντινό πεδίο. Η καλή συμφωνία μεταξύ της προβλεπόμενης και της μετρούμενης καταστροφής της υπέρθεσης δείχνει ότι τα μόρια του άνθρακα-70 εξέπεμψαν λίγα ορατά φωτόνια (μεταξύ των 400-800 nm), όταν θερμάνθηκαν σε εσωτερική θερμοκρασία άνω των 2500 Κ. Το πείραμα αυτό αποδεικνύει τρία πράγματα. Πρώτον, δείχνει ότι η καταστροφή της υπέρθεσης η οφειλόμενη σε θερμική ακτινοβολία μπορεί να μετρηθεί και να κατανοηθεί ποσοτικά. Δεύτερον, επιβεβαιώνει την άποψη ότι η καταστροφή της υπέρθεσης προκαλείται από τη ροή πληροφορίας προς το περιβάλλον. Σε συμβολόμετρα με υλικά κύματα, τα οποία παρατηρούν μόνο την κίνηση του κέντρου μάζας, η πληροφορία μπορεί να μεταδοθεί μόνο με μεταφορά της ορμής. Τελικά, δείχνει ότι η θερμική καταστροφή της υπέρθεσης αφορά και πραγματικά μακροσκοπικά αντικείμενα. Σε μελλοντικά πειράματα με μεγάλα μόρια, σύνολα μορίων και νανοκρυστάλλους, θα πρέπει να ληφθεί πρόνοια ώστε να ψύξουμε πάρα πολύ τα αντικείμενα αυτά ώστε να τα κάνουμε να συμβάλλουν και να εξαλείψουμε τη θερμική ακτινοβολία. Πληροφορία για την τροχιά που ακολουθήθηκε, χωρίς να γίνει μεταφορά ορμής Ένας άλλος τρόπος να μελετηθεί η καταστροφή της υπέρθεσης είναι να κωδικοποιήσουμε την πληροφορία για την τροχιά που ακολουθήθηκε σε ένα άλλο εξωτερικό σύστημα. Για παράδειγμα, ο Serge Haroche και οι συνεργάτες του στην Ecole Normale Supérieure στο Παρίσι, χρησιμοποίησαν μια δέσμη διεγερμένων ατόμων ρουβιδίου, στην οποία ένα λέιζερ είχε διεγείρει το εξωτερικό ηλεκτρόνιο σε τροχιακό πολύ υψηλής ενέργειας, για να δημιουργήσουν ένα "άτομο Rydberg". Το συγκεκριμένο πείραμα όμως δεν διαχώρισε τα άτομα σε διαφορετικούς κλάδους μέσα στο συμβολόμετρο. Οι ερευνητές παρατήρησαν μάλλον, την εξέλιξη των διαφορετικών εσωτερικών καταστάσεων στα άτομα. Σ' αυτό το συμβολόμετρο Ramsey, ένας παλμός μικροκυμάτων δημιουργεί μια σύμφωνη υπέρθεση ενός μεμονωμένου ατόμου Rydberg στη θεμελιώδη και σε διεγερμένες καταστάσεις. ένα δεύτερο πεδίο μικροκυμάτων, τοποθετημένο πιο πέρα στην πορεία της δέσμης, ανασυνθέτει τις διαφορετικές καταστάσεις για να δημιουργήσει κροσσούς συμβολής στον πληθυσμό της θεμελιώδους κατάστασης, καθώς η δραστική διαδρομή μεταβαλλόταν μέσα στο συμβολόμετρο. Ο Haroche και οι συνεργάτες του μπόρεσαν να εξάγουν πληροφορίες για την εσωτερική κατάσταση των ατόμων, τοποθετώντας ένα συντονιστή μικροκυμάτων μεταξύ των δύο παλμών μικροκυμάτων. Επειδή η φάση των μικροκυμάτων αλλάζει όταν αλληλεπιδρά με ένα άτομο, η πληροφορία για τα άτομα που περνάει μέσα από τον συντονιστή κωδικοποιείται μέσα στην κοιλότητά του. Αυτό συσχετίζει την ατομική κατάσταση με την κατάσταση του πεδίου, χωρίς να συμβεί σημαντική μεταφορά ορμής. Όταν η κοιλότητα ήταν άδεια, έτσι ώστε δεν μπορούσε να αποθηκευτεί πληροφορία για την τροχιά, η ομάδα παρατήρησε ατομικούς κροσσούς με υψηλή αντίθεση. ¨οταν όμως ε΄να μικρό σύμφωνο πεδίο, που περιείχε το πολύ 9 φωτόνια κατά μέσον όρο, εισαγόταν στην κοιλότητα του αντηχείου, οι κροσσοί γίνονταν λιγότερο διακριτοί. Αυτό έδειχνε ότι η συμβολή είχε καταστραφεί εξαιτίας του συσχετισμού με τη φάση του μεσολαβούντος πεδίου των φωτονίων. Αρκετοί άλλοι ερευνητές έχουν ερευνήσει επίσης τη δυνατότητα της κωδικοποίησης πληροφορίας γύρω από τη θέση του σωματιδίου, στις εσωτερικές καταστάσεις του ιδίου του σωματιδίου. Πίσω στα 1987, για παράδειγμα, ο Helmut Rauch και οι συνεργάτες του στη Βιέννη, χρησιμοποίησαν ένα συμβολόμετρο Mach-Zehnder με πολωμένα νετρόνια και κωδικοποίησαν την τροχιά του σωματιδίου, χρησιμοποιώντας το σπιν. Ο Gerhard Rempe και οι συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Planck Institute για την κβαντική οπτική στο Garching, χρησιμοποίησαν πρόσφατα δύο διαφορετικές υπέρλεπτες θεμελιώδεις καταστάσεις του ρουβιδίου για να μαρκάρουν την τροχιά κατά τη συμβολομετρία ατόμων. Και τα δύο πειράματα πιστοποίησαν την άποψη ότι η συμβολή των κυμάτων ύλης εξαφανίζεται όταν οι δύο διαφορετικές καταστάσεις θέσεις του συμβάλλοντος αντικειμένου, συσχετίζονται με ορθογώνιες εσωτερικές καταστάσεις. Η διεμπλοκή μεταξύ ενός κβαντικού σωματιδίου και του περιβάλλοντός του δεν είναι ο μόνος τρόπος για να καταστραφεί η υπέρθεση. Ο θόρυβος - που οφείλεται στην αδυναμία μας να ελε΄γξουμε όλες τις πειραματικές συνθήκες επαρκώς - μπορεί επίσης να είναι ένα πρόβλημα. Ιδιαίτερα, οι πειραματικοί πρέπει να τα καταφέρουν να τα βγάλουν πέρα με το γεγονός ότι οι τυχαίες διακυμάνσεις ως προς τη σχετική διαφορά μήκους μεταξύ των δύο σκελών του συμβολομέτρου, μπορεί να τείνει σε εξάλειψη των κροσσών. Επιπλέον, καθώς χρησιμοποιούμε όλο και μεγαλύτερα μόρια και το μήκος κύματος de Broglie μειώνεται, τα πειράματα γίνονται όλο και πιο ευαίσθητα στα φαινόμενα αυτά. Στο τωρινό μας συμβολόμετρο, το σχετικό μήκος των βραχιόνων είναι σταθερό σε προσέγγιση καλύτερη του 1/1000 της διαμέτρου του μορίου. Αν και οι πειραματικές απαιτήσεις θα γίνουν ακόμα πιο μεγάλες στο μέλλον, είμαστε αισιόδοξοι ότι αυτοί οι φραγμοί θα ξεπεραστούν. Γιατί μας νοιάζει όλη αυτή η ιστορία Τα πειράματα με τα υλικά κύματα δείχνουν ότι δεν υπάρχει καθορισμένο όριο μεταξύ του κλασσικού και του κβαντικού κόσμου. Ένα αντικείμενο μπορεί να συμπεριφέρεται κβαντομηχανικά σε μια πειραματική διάταξη και κλασσικά σε άλλες. Εκείνο που φαίνεται να είναι ο παράγοντας κλειδί στη μετάβαση από την κβαντική στην κλασσική συμπεριφορά είναι η ανταλλαγή της πληροφορίας μεταξύ του κβαντικού συστήματος και του εξωτερικού κόσμου. Η μετάβαση αυτή εξαρτάται μόνον από το αν η πειραματική διάταξη επιτρέπει ή δεν επιτρέπει να αποκαλυφθούν τέτοιες πληροφορίες για το κβαντικό σύστημα. Στην περίπτωση των πειραμάτων συμβολής, εκείνο που έχει σημασία είναι ποια πληροφορία γύρω από τη διαδρομή του σωματιδίου, μπορεί κατ' αρχήν να αποκαλυφθεί στον έξω κόσμο. Αντίθετα προς την πίστη των πολλών, δεν παίζει ρόλο αν ένας παρατηρητής κάνει πραγματικά την προσπάθεια να πάρει αυτή την πληροφορία. Κατά την άποψή μας, η συμβολομετρία των υλικών κυμάτων είναι εφικτή και για μεγάλα σώματα όπως οι πρωτεΐνες, μικροί ιοί και νανοκρύσταλλοι με μάζα μέχρι 106 ατομικές μονάδες. Προεκτείνοντας τα αποτελέσματά μας σε μεγαλύτερες μάζες και υψηλότερες θερμοκρασίες, πιστεύουμε ότι ούτε οι συγκρούσεις ούτε η θερμική καταστροφή της υπέρθεσης θα είναι ουσιαστικό πρόβλημα στις περιπτώσεις αυτές. Ακόμη δεν είναι ορατό κανένα θεμελιώδες όριο στην κβαντική συμβολή, αλλά πρέπει να γίνει ακόμα πολλή δουλειά για να προετοιμάσουμε και να διαχειριστούμε σύμφωνες δέσμες με σωματίδια πολύ μεγάλης μάζας. Η εκτέλεση τέτοιων πειραμάτων θα είναι μια ελκυστική πρόκληση. Παράθεμα: Η καταστροφή της υπέρθεσης και το όριο μεταξύ κβαντικής και κλασσικής συμπεριφοράς Από την αρχή ακόμα της κβαντικής θεωρίας, οι άνθρωποι έχουν αγωνιστεί να συμβιβάσουν τις παραξενιές των κανόνων της με την καθημερινή μας εμπειρία. Αν είναι αποδεκτό το να βρίσκεται ένα σωματίδιο συγχρόνως σε διαφορετικές θέσεις την ίδια χρονική στιγμή, γιατί τότε όλα τα απτά, μακροσκοπικά σώματα που βλέπουμε και αισθανόμαστε υπακούουν στους νόμους της κλασσικής φυσικής; Οι πρώτε γενιές των κβαντικών φυσικών, με ηγέτες τους Niels Bohr, Werner Heisenberg και John von Neumann, επέμεναν ότι υπάρχει μια ισχυρή διάκριση μεταξύ του κλασσικού κόσμου και του κβαντικού, αν και παραδέχονταν ότι το όριο αυτό δεν καθορίζεται από τους νόμους της φυσικής. Η άποψή τους ήταν ότι το πέρασμα στην κλασσική περιοχή επηρεάζεται από τη δράση της παρατήρησης. Η ιδέα τους ήταν ότι η κυματοσυνάρτηση καταρρέει σε μια συγκεκριμένη τιμή όταν λαμβάνει χώρα η παρατήρηση. Για να αποφύγουμε τον αποφασιστικό ρόλο που παίζει ο παρατηρητής, οι φυσικοί εφηύραν διάφορες εναλλακτικές θεωρίες και ερμηνείες. Συχνά αυτό έγινε με αντίτιμο την εισαγωγή μη παρατηρήσιμων ποσοτήτων στην κβαντομηχανική που αποκλήθηκαν κρυμμένες μεταβλητές. Η θεωρία για την καταστροφή της υπέρθεσης, αντίθετα, βασίζεται μόνο στο συμβατικό πλαίσιο της κβαντομηχανικής. Κανείς αποφεύγει το ερώτημα "πότε συμβαίνει η κατάρρευση" δεχόμενος ότι όλα τα μακροσκοπικά αντικείμενα - περιλαμβανομένων των μετρητικών συσκευών - διέπονται από την εξίσωση του Schrödinger. Η καταστροφή της υπέρθεσης δεν μπορεί συνεπώς να λύσει το φιλοσοφικό πρόβλημα της κατανόησης της ανθρώπινης αντίληψης μιας συγκεκριμένης πραγματικότητας. Μπορεί όμως να εξηγήσει την ανάδυση της κλασσικής περιοχής, δηλαδή πως και πότε ένα αντικείμενο χάνει τα κβαντικά του χαρακτηριστικά και περιγράφεται πια κλασσικά. Το κρίσιμο σημείο είναι να αναγνωρίσουμε ότι δεν υπάρχει κβαντικό αντικείμενο τελείως απομονωμένο. Βρίσκεται μάλλον εμφυτευμένο σ' ένα περιβάλλον που αποτελείται από σωματίδια αερίων, φωτόνια και άλλα παρόμοια σωματίδια. Η κατάσταση του περιβάλλοντος διεμπλέκεται εύκολα με το κβαντικό αντικείμενο, πράγμα που προκαλεί την μεταβίβαση πληροφορίας που αφορά το αντικείμενο προς το περιβάλλον του. Η απουσία της κβαντικής συμπεριφοράς στο μακρόκοσμο είναι μια φυσική συνέπεια του γεγονότος ότι τα πιο μεγάλα και πιο πολύπλοκα αντικείμενα είναι πολύ πιο δύσκολο να απομονωθούν. Με άλλα λόγια, τα κβαντικά χαρακτηριστικά της αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον και η επακόλουθη μεταβίβαση πληροφορίας, οδηγούν στην εμφάνιση κλασσικής συμπεριφοράς των κβαντικών αντικειμένων. 1o, 2ο, 3ο |