|
|
|
Τα φωτόνια δεν γνωρίζουν αν κάποιος τα παρατηρεί ή όχιΠηγή: PhysicsWeb, 17 Φεβρουαρίου 2007 |
|
Μπορούν τα φωτόνια να γνωρίζουν αν κάποιος πρόκειται να τα παρατηρήσει; Ο John Archibald Wheeler πρότεινε πρώτος πριν από τριάντα χρόνια ένα τρόπο για να ξεδιαλύνουμε αυτό το μυστήριο. Σκέφτηκε μια παραλλαγή του κλασσικού πειράματος με τη διπλή σχισμή. Τώρα, κάποιοι φυσικοί στη Γαλλία εκτέλεσαν το πείραμα του για πρώτη φορά. (Science 315 966). Το περίφημο πείραμα της διπλής σχισμής, αν εφαρμοστεί σε φωτόνια, φωτίζει το μυστηριώδη ρόλο του παρατηρητή σ' ένα πείραμα κβαντομηχανικής. Στο πείραμα αυτό, μια πηγή στέλνει μεμονωμένα φωτόνια προς μια μακρινή οθόνη, ενώ στην πορεία τους συναντούν ένα αδιαφανές εμπόδιο που φέρει δύο σχισμές. Αν δεν ελέγχουμε από ποια σχισμή πέρασε το φωτόνιο, τότε στην οθόνη εμφανίζεται ένας σχηματισμός συμβολής. Μοιάζει δηλαδή σαν να έχουμε συμβολή του φωτονίου με τον εαυτό του. Αυτό υποδηλώνει ότι το φωτόνιο συμπεριφέρεται ως κύμα που περνάει συγχρόνως και από τις δύο σχισμές. Αν όμως ο παρατηρητής καταγράφει(παρατηρεί) τις δύο σχισμές για να δει από ποια πέρασε το φωτόνιο, τότε ο σχηματισμός συμβολής εξαφανίζεται, και κάθε φωτόνιο συμπεριφέρεται σαν ένα σωματίδιο που περνάει είτε από τη μια σχισμή, είτε από την άλλη. Το 1978, ο John Wheeler σκέφτηκε ότι το φωτόνιο μπορούσε κατά κάποιο τρόπο να γνωρίζει από πριν, αν πρόκειται κάποιος να το παρατηρήσει ή όχι, και να προσαρμόζει στη συνέχεια τη συμπεριφορά του ως σωματίδιο ή κύμα αντίστοιχα. Για να ελεγχθεί αυτή η δυνατότητα, σκέφτηκε ένα πείραμα στο οποίο η απόφαση για να παρατηρηθεί το φωτόνιο, λαμβάνεται μόνο μετά την εκπομπή τους. Τώρα ο Jean-François Roch και οι συνεργάτες του στην École Normale Supérieure πραγματοποίησαν για πρώτη φορά το ιδεατό πείραμα που πρότεινε ο Wheeler. Οι ερευνητές αντικατέστησαν τις δύο σχισμές στο κλασσικό πείραμα του Young με τις δύο διαδρομές που ακολουθεί το φως σ' ένα συμβολόμετρο. Οι διαδρομές αυτές καταλήγουν σε δύο διαφορετικούς ανιχνευτές, κι έτσι κανείς μπορεί να ξεχωρίσει ποια ακριβώς διαδρομή ακολούθησε το κάθε φωτόνιο. Στη διάταξη προστέθηκε όμως κι ένα αυτόματο σύστημα το οποίο την τελευταία στιγμή παρέμβαλε με τυχαίο τρόπο ένα διαχωριστή της δέσμης. Όταν παρέμβαινε ο διαχωριστής της δέσμης, ήταν αδύνατο να γνωρίζει ο παρατηρητής ποιο δρόμο είχε ακολουθήσει το φωτόνιο.
Στο πείραμα του Roch, παλμοί του ενός φωτονίου τη φορά, εκπέμπονται προς ένα συμβολόμετρο. Όταν περνούν από ένα πρώτο διαχωριστή, τον BS1, έχουν ίσες πιθανότητες ν' ακολουθήσουν μια από τις δύο διαδρομές, μήκους 48 μέτρων η κάθε μια. Κάθε διαδρομή οδηγεί το φωτόνιο σε ένα διαφορετικό ανιχνευτή. Ακριβώς πριν τους ανιχνευτές, παρεμβάλλεται ή αποσύρεται με αυτόματο τρόπο και τελείως τυχαία, ένας δεύτερος ανιχνευτής, ο BS2. Η αυτόματη παρεμβολή ή απόσυρσή του ελέγχεται από ένα σύστημα που συγχρονίζεται με την εκπομπή των φωτονίων. Όταν παρεμβάλλεται ο BS2, ένα φωτόνιο μπορεί να φτάσει σε οποιονδήποτε από τους δύο ανιχνευτές, όποια διαδρομή κι αν έχει ακολουθήσει ως εκείνη τη στιγμή. Έτσι δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ποια διαδρομή είχε ακολουθήσει. Ο BS2 εμποδίζει να γίνει η παρατήρηση της διαδρομής. Όταν πάλι ο BS2 αποσύρεται, ο ανιχνευτής που καταγράφει το φωτόνιο μας λέει με βεβαιότητα ποια διαδρομή είχε ακολουθήσει το φωτόνιο. Η ομάδα του Roch εκτέλεσε το πείραμα πολλές φορές, έως ότου μπόρεσαν να πιστοποιήσουν με βεβαιότητα ότι τα φωτόνια που δεν παρατηρούνται συμπεριφέρονται ως κύματα, δηλαδή συμβάλλουν. Ενώ τα παρατηρούμενα φωτόνια συμπεριφέρονται ως σωματίδια, δηλαδή δεν δίνουν σχηματισμούς συμβολής. Πάνω απ' όλα όμως το πείραμα αυτό απέκλεισε με σιγουριά ότι τα φωτόνια πληροφορούνται με κάποιο τρόπο για την απόφαση του συστήματος να τα παρατηρήσει, αφού η απόφαση αυτή λαμβάνεται τυχαία μετά την είσοδο των φωτονίων στο συμβολόμετρο.
Από την ιστορία Ο Newton όσο σπουδαίος και αν ήταν, δεν είχε πάντα δίκιο. Είχε καταφέρει να στρέψει την επιστημονική κοινή γνώμη στην άποψη ότι το φως αποτελείται μάλλον από σωματίδια παρά από κύματα. Δεξιά: Το πείραμα του Young Το 1803 ο Thomas Young, ένας Άγγλος φυσιοδίφης και φυσικός έβαλε αυτή την ιδέα σε δοκιμασία. Άνοιξε μια τρύπα σ' ένα παραθυρόφυλλο, Την κάλυψε μ' ένα παχύ χαρτόνι, άνοιξε μια μικροσκοπική τρυπούλα στο χαρτόνι και χρησιμοποίησε ένα καθρέφτη για να εκτρέψει τη λεπτή δέσμη φωτός που περνούσε μέσα από την τρυπούλα. Μετά πήρε μια λεπτή κάρτα με πλάτος περίπου ένα τριακοστό της ίντσας, και το κράτησε με τρόπο που η ακμή της κάρτας να χωρίζει τη δέσμη στα δύο. Το αποτέλεσμα ήταν μια σκιά από εναλλασσόμενες σκοτεινές και φωτεινές λωρίδες. Το φαινόμενο αυτό μπορούσε να εξηγηθεί μόνο αν οι δύο δέσμες αλληλεπιδρούσαν ως κύματα. Φωτεινές περιοχές θα εμφανίζονταν εκεί που όρη των δύο κυμάτων συναντώνται με τρόπο που το ένα ενισχύει το άλλο. Σκοτεινές περιοχές έχουμε εκεί που όρος του ενός κύματος συναντάει μια κοιλάδα του άλλου, εξουδετερώνοντάς την. Το πείραμα αυτό - που έμεινε γνωστό ως το πείραμα της διπλής σχισμής - επαναλήφθηκε με την πάροδο των ετών, χρησιμοποιώντας μια κάρτα με δύο τρύπες για να διαιρέσουμε τη δέσμη. Σωματίδιο - Κύμα Αν λοιπόν είναι ανοιχτή μόνο η μία σχισμή από τις δύο τότε στη φωτογραφική πλάκα αποτυπώνεται αυτό που περιμένουμε να δούμε. Μια φωτεινή λεπτή ταινία. Αν όμως μείνουν ανοιχτές και οι δύο σχισμές σύμφωνα με την εκδοχή του Νεύτωνα θα βλέπαμε δύο φωτεινές ταινίες με μία σκοτεινή περιοχή ανάμεσα τους. Ο Thomas Young όμως στο πείραμά του δεν διαπίστωσε κάτι τέτοιο, αλλά μία εικόνα που μοιάζει με το φαινόμενο της συμβολής δύο κυμάτων. Η εικόνα που πήρε είχε κροσσούς συμβολής - μια εναλλαγή σκοτεινών και φωτεινών ταινιών - που έδειχνε την κυματική φύση του φωτός. Στο πείραμά του φαινόταν καθαρά ότι τα κύματα του φωτός που ξεπροβάλουν από τις δύο σχισμές συμβάλουν για να μας δώσουν τελικά πάνω στο φιλμ τους κροσσούς συμβολής. Μήπως όμως αλλάζει η εικόνα στο φιλμ αν εκπέμπονται αργά-αργά φωτόνια, σχεδόν μεμονωμένα, για παράδειγμα ένα φωτόνιο κάθε δευτερόλεπτο; Όχι. Η εικόνα κατά εκπληκτικό τρόπο μένει η ίδια, έστω κι αν χρειαστούμε να περιμένουμε πολύ για να αποκαλυφθεί η προηγούμενη εικόνα των κροσσών συμβολής. Η κοινή λογική όμως μας λέει άλλα. Ένα φωτόνιο - σωματίδιο κατά την κβαντική θεωρία - θα πρέπει να περάσει ή από τη μία σχισμή ή από την άλλη και στο τέλος να δούμε δύο παράλληλες φωτεινές ταινίες. Όμως αυτό δεν συμβαίνει, το φωτόνιο έστω και μεμονωμένο συμπεριφέρεται σαν κύμα σχηματίζοντας κροσσούς συμβολής. Φαίνεται έξω από κάθε λογική αλλά αυτό συμβαίνει, είναι σαν τα φωτόνια σε ορισμένες περιοχές του φιλμ να αλληλοεξουδετερώνονται και να σχηματίζουν σκοτεινές ταινίες, ενώ σε άλλες περιοχές να ενισχύονται σχηματίζοντας φωτεινές ταινίες. Είναι παράλογο, γιατί αν ένα φωτόνιο περάσει τη μία σχισμή, ενώ η άλλη είναι κλειστή, απέναντι στο φιλμ θα έχει φανεί μια φωτεινή κουκίδα. Αν όμως μείνουν ανοιχτές και οι δύο σχισμές, είναι δυνατόν εκεί που υπήρχε φωτεινή περιοχή να έχουμε μια σκοτεινή και βεβαίως μια εναλλαγή φωτεινών με σκοτεινές περιοχές. Έτσι, τα φωτόνια είναι σωματίδια (το δείχνει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο) αλλά με διαφορετικές ιδιότητες των συνηθισμένων, γιατί έχουν και κυματικές ιδιότητες. Η πρώτη ένδειξη γι αυτό είναι η συχνότητα που έχουν. Δηλαδή το φως έχει κυματικές και σωματιδιακές ιδιότητες. Μπορούμε γι αυτό το λόγο να χρησιμοποιήσουμε τον όρο κυματο-σωματιδιακός δυϊσμός για το φως. Όμως ούτε ο Νεύτωνας (υπέρμαχος της σωματιδιακής φύσης του φωτός) ούτε ο Young ((υπέρμαχος της κυματικής φύσης του φωτός)) ήταν τελείως σωστοί στις απόψεις τους για το φως. Το φως δεν είναι απλά φτιαγμένο από σωματίδια ούτε και μπορεί να περιγραφτεί καθαρά σαν κύμα. Στα πρώτα 5 χρόνια του 20ου αιώνα ο Max Planck και ύστερα ο Αλβέρτος Αϊνστάιν έδειξαν αντίστοιχα ότι το φως εκπέμπεται και απορροφάται σε πακέτα ενέργειας που λέγονται φωτόνια. Αργότερα άλλα πειράματα συνέχισαν να πιστοποιούν ότι το φως έχει και κυματική συμπεριφορά. |
||
|
