Quantum Nugget #18 — Το Πείραμα της Διπλής Σχισμής
Όρος της ημέρας
Double-slit experiment
Ελληνικά: Πείραμα της διπλής σχισμής
Ο Richard Feynman θεωρούσε ότι το πείραμα της διπλής σχισμής βρίσκεται στην καρδιά του μυστηρίου της Κβαντομηχανικής.
Η διάταξη φαίνεται απλή:
- μια πηγή εκπέμπει φωτόνια, ηλεκτρόνια ή άλλα κβαντικά αντικείμενα,
- μπροστά τους βρίσκεται ένα φράγμα με δύο πολύ στενές, παράλληλες σχισμές,
- και πίσω από το φράγμα υπάρχει μια οθόνη που καταγράφει τις αφίξεις.
Το αποτέλεσμα, όμως, ανατρέπει τις συνηθισμένες μας εικόνες για τα σωματίδια και τα κύματα.
Τι θα περιμέναμε κλασικά;
Αν εκτοξεύαμε μικροσκοπικές μπίλιες προς τις δύο σχισμές, κάθε μπίλια θα περνούσε από τη μία ή την άλλη.
Στην οθόνη θα σχηματίζονταν δύο κύριες ζώνες, ευθυγραμμισμένες με τα ανοίγματα.
Αν στέλναμε ένα κλασικό κύμα, οι δύο σχισμές θα λειτουργούσαν ως νέες πηγές κυμάτων. Τα κύματα θα συναντιούνταν:
- όπου έφταναν στην ίδια φάση, θα ενισχύονταν,
- όπου έφταναν σε αντίθετη φάση, θα εξασθενούσαν ή θα ακυρώνονταν.
Στην οθόνη θα εμφανιζόταν ένα πρότυπο συμβολής από εναλλασσόμενες φωτεινές και σκοτεινές ζώνες.
Ένα κβαντικό αντικείμενο κάθε φορά
Μειώνουμε την ένταση τόσο πολύ, ώστε μέσα στη διάταξη να βρίσκεται κάθε φορά μόνο ένα ηλεκτρόνιο ή φωτόνιο.
Κάθε άφιξη καταγράφεται σε ένα συγκεκριμένο σημείο της οθόνης. Δεν εμφανίζεται σαν απλωμένη κηλίδα· αφήνει ένα εντοπισμένο ίχνος.
Στην αρχή τα σημεία μοιάζουν τυχαία.
Καθώς, όμως, επαναλαμβάνουμε το πείραμα πολλές φορές, τα μεμονωμένα σημεία σχηματίζουν σταδιακά ένα πρότυπο συμβολής.
Κάθε γεγονός είναι εντοπισμένο.
Το πλήθος των γεγονότων αποκαλύπτει κυματική συμβολή.
Τι συμβάλλει με τι;
Η Κβαντική Φυσική δεν προσθέτει απλώς την πιθανότητα της πρώτης διαδρομής στην πιθανότητα της δεύτερης.
Όταν οι δύο διαδρομές δεν μπορούν να διακριθούν, προσθέτει πρώτα τα πλάτη πιθανότητας:
ψ = ψ1 + ψ2
και έπειτα υπολογίζει την πιθανότητα:
P = |ψ1 + ψ2|²
Το τετράγωνο περιλαμβάνει όρους συμβολής.
Γι’ αυτό η πιθανότητα με ανοιχτές και τις δύο σχισμές δεν είναι απλώς το άθροισμα των πιθανοτήτων που θα παίρναμε ανοίγοντας κάθε σχισμή χωριστά.
Από ποια σχισμή πέρασε;
Αν προσθέσουμε έναν ανιχνευτή που καταγράφει αξιόπιστα από ποια σχισμή πέρασε το κβαντικό αντικείμενο, αποκτούμε πληροφορία διαδρομής — αλλά το πρότυπο συμβολής εξαφανίζεται.
Δεν φταίει ότι ένας άνθρωπος έμαθε την απάντηση. Δεν χρειάζεται συνείδηση ούτε βλέμμα.
Η φυσική αλληλεπίδραση που καθιστά τις δύο διαδρομές διακρίσιμες αλλάζει την κβαντική κατάσταση και καταστρέφει τη συνοχή που απαιτείται για τη συμβολή.
Αν δεν πραγματοποιηθεί μέτρηση της διαδρομής, δεν δικαιούμαστε να φανταζόμαστε ότι το σωματίδιο είχε κρυφά μία συνηθισμένη, καθορισμένη κλασική τροχιά.
Η θεωρία περιλαμβάνει τα πλάτη και των δύο μη διακρινόμενων εναλλακτικών.
Το τι ακριβώς σημαίνει αυτό για τη βαθύτερη πραγματικότητα ερμηνεύεται διαφορετικά από τις διάφορες ερμηνείες της Κβαντομηχανικής.
Το πειραματικό αποτέλεσμα, όμως, δεν αλλάζει.
Η εικόνα είναι σχηματική και ποιητική. Οι κυματιστές γραμμές συμβολίζουν τα πλάτη πιθανότητας· δεν αποτελούν φωτογραφία υλικών κυμάτων ούτε προκαθορισμένες τροχιές.
Κράτα αυτό:
Η διπλή σχισμή δεν αποδεικνύει ότι η ανθρώπινη συνείδηση
δημιουργεί την πραγματικότητα.
Αποδεικνύει κάτι αυστηρότερο και πιο παράξενο:
Όταν οι εναλλακτικές διαδρομές είναι μη διακρινόμενες, συμβάλλουν τα πλάτη πιθανότητάς τους.
Όταν υπάρχει αξιόπιστη πληροφορία διαδρομής, η συμβολή χάνεται.
Το κβαντικό αντικείμενο φτάνει ως ένα σημείο.
Ο νόμος, όμως, αποκαλύπτεται μόνο μέσα από πολλά σημεία.
Η φιλοσοφική γέφυρα: Το Ένα και τα Πολλά
Ένα μεμονωμένο ίχνος δεν φανερώνει το πρότυπο.
Χρειάζονται πολλά ίχνη για να εμφανιστεί η μορφή που κανένα τους δεν περιέχει μόνο του.
Οι αρχαίοι φιλόσοφοι αναρωτήθηκαν με διαφορετικούς τρόπους πώς σχετίζονται το Ένα και τα Πολλά.
Δεν προέβλεψαν το πείραμα της διπλής σχισμής και η Κβαντική Φυσική δεν επιβεβαιώνει κάποια συγκεκριμένη αρχαία διδασκαλία.
Το πείραμα, όμως, μας επιτρέπει να ξανακούσουμε το ερώτημα:
Πώς γεννιέται μια ενιαία μορφή από πλήθος μεμονωμένων γεγονότων;
Το κάθε σημείο μοιάζει μόνο.
Το σύνολο θυμάται τη συμβολή.
Η ποιητική γέφυρα
Το πείραμα της διπλής σχισμής δεν αποδεικνύει ότι η ανθρώπινη ζωή ακολουθεί κάποιο κρυφό κβαντικό σχέδιο ούτε ότι οι σκέψεις μας δημιουργούν την πραγματικότητα.
Μας προσφέρει, όμως, μια συναρπαστική εικόνα:
Μία μόνο κουκκίδα πάνω στο πέτασμα δεν αποκαλύπτει το συνολικό μοτίβο.
Μοιάζει απομονωμένη, τυχαία, ίσως και ασήμαντη.
Καθώς όμως οι κουκκίδες πληθαίνουν, αρχίζει να εμφανίζεται κάτι που καμία τους δεν μπορούσε να φανερώσει μόνη της.
Αυτό αξίζει να το θυμόμαστε όταν κρίνουμε μια προσπάθεια από μία μόνο στιγμή.
Ένα λάθος δεν αποκαλύπτει ολόκληρη την ικανότητα ενός παιδιού.
Μία αποτυχία δεν περιγράφει ολόκληρη τη διαδρομή ενός ανθρώπου.
Μία επιτυχία, επίσης, δεν αρκεί για να εξηγήσει όλα όσα την προετοίμασαν.
Το μεμονωμένο γεγονός είναι αληθινό — αλλά δεν αποτελεί πάντοτε ολόκληρο το σχέδιο.
Μερικές φορές χρειάζονται χρόνος, επανάληψη και προσεκτική παρατήρηση για να φανεί η μορφή που γεννιέται από πολλές μικρές αφίξεις.
Επιστημονική αναφορά: Η πρόσθεση των πλατών πιθανότητας, η εμφάνιση συμβολής και η επίδραση της πληροφορίας διαδρομής αναπτύσσονται στις Feynman Lectures του Caltech . Η πειραματική συσσώρευση προτύπου συμβολής από μεμονωμένα ηλεκτρόνια καταγράφηκε από τους Tonomura και συνεργάτες, όπως συνοψίζεται στη βιβλιογραφική εγγραφή του Harvard ADS .
