Μια διεθνής ομάδα φυσικών έχει βρει έναν τρόπο για να υπολογίσει τόσο τη θέση όσο και την ορμή των φωτονίων που διέρχονται από το πείραμα της διπλής σχισμής, ανατρέποντας την ιδέα ότι είναι αδύνατο να μετρηθούν και οι δύο ιδιότητες ταυτόχρονα στο εργαστήριο.
Φυσικοί δείχνουν ότι στο πείραμα της διπλής σχισμής η αβεβαιότητα μπορεί να χαλαρώσει
Σύμφωνα με την Αρχή της Απροσδιοριστίας του Heisenberg, είναι αδύνατο να γνωρίζει κανείς ταυτόχρονα με ακρίβεια τη θέση και την ορμή ενός φωτονίου, αρχή που αποτελεί απαράβατο νόμο της κβαντομηχανικής. Ωστόσο, ερευνητές κατάφεραν να παρακάμψουν σε κάποιο βαθμό την περιοριστική αυτή απαγόρευση, μετρώντας τις θέσεις και τις ταχύτητες φωτονίων κατά μέσο όρο.
Η διττή φύση του φωτός, την οποία αποκάλυψε πρώτος ο Albert Einstein, αποδεικνύεται με το γνωστό πείραμα της διπλής σχισμής. Τα φωτόνια περνούν μέσα από δύο παράλληλες σχισμές και πέφτουν σε μια οθόνη, σχηματίζοντας ένα μοτίβο που θα περίμενε κανείς από ένα κύμα, αλλά όχι από σωματίδια.
Στο κλασικό διπλής σχισμής πείραμα, που πραγματοποιήθηκε αρχικά πριν από 200 χρόνια, κύματα του φωτός που διέρχονται μέσα από δύο παράλληλες σχισμές δημιουργούν ένα χαρακτηριστικό μοτίβο από φως και σκοτάδι πάνω σε μία οθόνη τοποθετημένη πίσω από τις σχισμές. Οι φωτεινές ή οι σκοτεινές περιοχές αντιστοιχούν στα σημεία όπου τα κύματα συνδυάζονται μεταξύ τους, είτε ενισχυτικά είτε αποσβεστικά.
Στις αρχές του εικοστού αιώνα, οι φυσικοί έδειξαν ότι αυτό το μοτίβο συμβολής φανερώνεται ακόμη και όταν η ένταση του φωτός είναι τόσο χαμηλή ώστε τα φωτόνια να περνούν κάθε φορά από τη μία σχισμή. Με άλλα λόγια, ακόμα και μεμονωμένα φωτόνια φαίνεται να συμβάλουν με τον εαυτό τους, έτσι ώστε το φως να παρουσιάζει ιδιότητες και του σωματιδίου και του κύματος.
Υπάρχει όμως ένας σημαντικός περιορισμός: Όπως ανακάλυψε ο Werner Heisenberg, είναι αδύνατο να μετρήσει κανείς με ακρίβεια τη θέση και την ορμή ενός φωτονίου που περνά από τη διπλή σχισμή. Όσο αυξάνεται η ακρίβεια στη μέτρηση της θέσης, τόσο μειώνεται η ακρίβεια στη μέτρηση της ταχύτητας, και επομένως της ορμής.
Η Αρχή της Απροσδιοριστίας αποτελεί ίσως το σημαντικότερο εμπόδιο της κβαντομηχανικής, αλλά σύμφωνα με μια έρευνα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science, υπάρχει τρόπος να παρακαμφθεί σε κάποιο βαθμό.
Συγκεκριμένα, η ερευνητική ομάδα του Aephraim Steinberg από το πανεπιστήμιο του Τορόντο, πραγματοποίησε το πείραμα της διπλής σχισμής, υπολογίζοντας τα μεγέθη της θέσης και της ταχύτητας κατά μέσο όρο, με τη λεγόμενη «ασθενή μέτρηση».
Χρησιμοποιήθηκαν γι αυτό ανιχνευτές ηλεκτρονίων τοποθετημένοι σε διάφορες αποστάσεις από το διάφραγμα με τις σχισμές, για να υπολογιστεί η τροχιά (η θέση), και συγχρόνως κρύσταλλοι ασβεστίτη, οι οποίοι εκτρέπουν λίγο τα φωτόνια (αλλάζουν συγκεκριμένα την πολικότητα). Ο βαθμός εκτροπής χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για τον υπολογισμό κατά προσέγγιση της ταχύτητας (ή της ορμής).
Μετρώντας την ορμή πολλών φωτονίων, οι ερευνητές ήταν σε θέση να προσδιορίσουν την μέση ορμή των φωτονίων σε κάθε θέση στον ανιχνευτή. Επανέλαβαν τότε τη διαδικασία σε προοδευτικά μεγαλύτερες αποστάσεις από τις σχισμές, και ήταν σε θέση να εντοπίσουν τις μέσες τροχιές των φωτονίων.
Κατά περίεργο τρόπο, οι τροχιές ταιριάζουν αρκετά με τις προβλέψεις μιας αντισυμβατικής ερμηνείας της κβαντομηχανικής, γνωστής ως θεωρία πιλοτικού κύματος (pilot-wave), στην οποία το κάθε σωματίδιο έχει μία σαφώς καθορισμένη πορεία που ακολουθεί όμως μέσα από το ένα σχίσιμο, ενώ το συνδεδεμένο κύμα περνά μέσα και από τις δύο σχισμές. Η παραδοσιακή ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής, γνωστή και ως ερμηνεία της Κοπεγχάγης, απορρίπτει την έννοια της τροχιές, και υποστηρίζει ότι θα ήταν άσκοπο να ρωτήσουμε ποια είναι η τιμή μιας μεταβλητής, όπως για παράδειγμα της ορμής, αν αυτή δεν μετρήθηκε.
Ο Steinberg τονίζει ότι το έργο της ομάδας του δεν θέτει εν αμφιβόλω την Αρχή της αβεβαιότητας, επισημαίνοντας ότι τα αποτελέσματα θα μπορούσαν, κατ ‘αρχήν, να προβλεφθούν με την καθιερωμένη κβαντομηχανική.
Αλλά όπως υποστηρίζει ο Aephraim Steinberg, «Δεν είναι απαραίτητο να ερμηνεύουμε την αρχή της απροσδιοριστίας τόσο αυστηρά όσο συχνά διδασκόμαστε να κάνουμε». Σημειώνοντας πως η έρευνα αυτή θα μπορούσε «να μας βοηθήσει να σκεφτόμαστε με νέους τρόπους» και να αξιοποιηθεί στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών.
Υπήρξαν ωστόσο και αρκετές αμφιβολίες για τη σημασία του πειράματος αυτού για την κβαντομηχανική, με αρκετούς επιστήμονες να υποστηρίζουν πως δεν πρόκειται για μια ουσιαστική ανακάλυψη. Οι μετρήσεις που παρουσιάζονται στην έρευνα «θα μπορούσαν να είχαν υπολογιστεί χρησιμοποιώντας απλά ένα κομπιούτερ και τις εξισώσεις της κβαντομηχανικής», σημείωσε ο κβαντοφυσικός David Deutsch του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης.
"Τα πειράματα αφορούν την επιστήμη μόνο όταν είναι κρίσιμες δοκιμές μεταξύ τουλάχιστον δύο καλών επεξηγηματικών θεωριών”, υποστηρίζει ο Deutsch. «Εδώ όμως υπήρχε μόνο μία, δηλαδή ότι οι εξισώσεις της κβαντομηχανικής πραγματικά περιγράφουν την πραγματικότητα."
Αλλά ο Steinberg σκέφτεται πως η δουλειά του θα μπορούσε να έχει και πρακτικές εφαρμογές. Πιστεύει ότι θα μπορούσε να συμβάλει στη βελτίωση της λογικής πύλης για τους κβαντικούς υπολογιστές, επιτρέποντας στις πύλες ατές να επαναλάβουν μια πράξη που θεωρείται ότι έχει αποτύχει στο παρελθόν. "Στην κανονική ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής δεν μπορούμε να θέσουμε το ερώτημα του τι συνέβη σε προγενέστερο χρόνο," εξηγεί. “Χρειαζόμαστε κάτι σαν την ασθενή μέτρηση για να θέσουμε ακόμα και αυτό το ζήτημα."
Πηγή: Nature
Leave a Comment