Wiele osób skłonnych jest twierdzić, że einsteinowska teoria względności jest abstrakcyjna i absurdalna. Jednakże to dopiero mechanika kwantowa powoduje, że nawet najbardziej racjonalne osoby, gdy się z nią zetkną, zaczynają wątpić w sens i istnienie wszechświata jako takiego.
Mogłoby się wydawać, że trudno jest ot tak zademonstrować wszystkie te dziwadła mechaniki kwantowej, bez skomplikowanej aparatury i złożonej matematyki, a więc to czy mechanika kwantowa naprawdę działa, pozostaje dla zdecydowanej większości ludzkości po prostu kwestią wiary. Na szczęście jest kilka takich klasycznych, a mało powszechnie znanych eksperymentów, które można przeprowadzić niewielkim kosztem w domu, a które wywracają nasze postrzeganie świata do górny nogami. Chciałbym państwu zaprezentować właśnie jedno z takich doświadczeń.
Chodzi mianowicie o eksperyment z trzema filtrami polaryzacyjnymi. Filtry tego typu stosuje się np. w aparatach fotograficznych bądź też w okularach polaryzacyjnych i zakup trzech sztuk (jeśli dobrze poszukamy) powinien zamknąć się w cenie kilkuset złotych. Nieduża to cena w obliczu przewrócenia naszego postrzegania świata do góry nogami.
Jednak zanim przejdziemy do eksperymentu, potrzebujemy trochę teorii. Światło w ujęciu klasycznym jest falą elektromagnetyczną, a więc tak naprawdę propagującymi się zmianami natężenia pola elektrycznego i magnetycznego. Jedno pole do drugiego jest zawsze prostopadłe, dlatego do opisu fali można zapomnieć o jednej ze składowych i wyobrażać sobie światło jako po prostu falę natężenia pola elektrycznego.
Autor Lookang na licencji Creative Commons
Na obrazku składowa czerwona to właśnie pole elektryczne. Kąt, pod jakim ta składowa ustawiona jest w przestrzeni (tutaj pionowo), nazywa się polaryzacją fali. Normalne światło żarówki będzie tak naprawdę mieszaniną fal spolaryzowanych losowo we wszystkich kierunkach. Popatrzmy jeszcze na jakiś czerwony wektor pola elektrycznego niejako w przekroju poprzecznym fali:
Ponieważ równania Maxwella są liniowe, to losowo zorientowany w przestrzeni czerwony wektor pola elektrycznego, można rozdzielić na jego składowe - pionową (niebieską) i poziomą (zieloną). W ten sposób możemy zapomnieć chwilowo o wszelkiego rodzaju skośnych wektorach i traktować światło, jako zbiorowisko fal pionowych i poziomych (oczywiście orientację pionową/poziomą wybieramy dowolnie).
Czym jest filtr polaryzacyjny? Jest powierzchnią, która z założenia przepuszcza fale tylko o jednej konkretnej polaryzacji. Przykładowo tak zbudowany filtr:
Będzie tłumił fale poziome, a przepuszczał tylko pionowe. Te struny działają de facto jak anteny, w tym przypadku pozioma fala indukuje w nich ruch elektronów, przez co jest tłumiona. Fala pionowa w ogóle nie widzi poziomych strun i przechodzi niezmieniona. Wielkość tej siatki dobierana jest do długości fali, dlatego dla fal świetlnych odstępy są rzędu nanometrów. Ale już np. dla mikrofal będą one milimetrowe.
Co się stanie, gdy przepuścimy przez ten filtr czerwoną, skośną falę z poprzedniego obrazka? W efekcie na wyjściu dostaniemy po prostu falę niebieską, a więc pionową składową. Jeśli mamy do czynienia z zupełnie losowym rozkładem wejściowym, to na logikę na wyjściu za filtrem dostaniemy światło spolaryzowane pionowo o intensywności 50% wejściowego - po prostu poziome składowe znikną.
Jeśli na wyjściu umieścimy drugi filtr, ustawiony prostopadle do pierwszego, to wytłumi on z kolei składowe pionowe, a więc taki układ zatrzyma całe światło.
Jeśli przyjrzymy się kuchence mikrofalowej, to na jej drzwiczkach dostrzeżemy stalową siatkę. Ta siatka to właśnie nałożone na siebie dwa filtry polaryzacyjne, które całkowicie tłumią promieniowanie mikrofalowe i nie pozwalają mu wyjść na zewnątrz urządzenia.
Jeśli nałożymy na siebie dwa filtry i oświetlimy od spodu białym światłem, to powinniśmy zobaczyć mniej więcej taki widok:
Każdy z nich wytłumi połowę światła, a intensywność na przecięciu zależeć będzie od orientacji. Jeśli filtry ustawimy prostopadle, to wytłumione zostanie całe światło. Na razie wszystko wydaje się proste i logiczne. Teraz przechodzimy do clou programu.
POMIĘDZY oba filtry wkładamy jeszcze trzeci, zorientowany na jakiś pośredni kąt. Co zaobserwujemy na przecięciu trzech filtrów?
Jeśli rozumujemy klasycznie, to odpowiedź jest oczywista. Skoro już dwa filtry wytłumiają 100% światła, to dodanie trzeciego, czwartego czy piątego filtra pomiędzy te dwa, może tylko ew. wytłumić światło jeszcze bardziej, a więc środek musi pozostać czarny. A jednak jeśli przeprowadzimy taki eksperyment w rzeczywistości, to otrzymamy coś takiego:
Okazuje się, że trzeci filtr wstawiony pomiędzy dwa, DODAJE światło. Co więcej, im większą liczbę filtrów stawimy pomiędzy te dwa prostopadłe, tym jaśniejszy środek możemy uzyskać. To jest ten moment, gdy musimy się zastanowić nad realnością naszego fizycznego świata. Otrzymany efekt jest tak zaskakujący, że aż trudno w niego uwierzyć. W jaki sposób dodanie filtra, który przecież usuwa część światła z wiązki, może spowodować, że w efekcie więcej światła przejdzie przez nasz układ eksperymentalny?
Aby rozwikłać ten problem, musimy myśleć kwantowo i probabilistycznie. Światło to zbiorowisko fotonów, pojedynczych nośników energii. Fotony nie mają ustalonej polaryzacji, dopóki jej nie zmierzymy np. przy pomocy filtra. Dopiero w momencie, gdy foton trafia na filtr, natura losuje czy przejdzie on czy zostanie pochłonięty z prawdopodobieństwem 50% (o ile mówimy o świetle niespolaryzowanym). Jeśli przejdzie, to od tej pory ma polaryzację zgodną z ustawieniem filtra. W ten sposób 50% fotonów trafia na drugi filtr, który ustawiony jest prostopadle. Dlatego wszystkie one są pochłaniane. Obraz kwantowy jest identyczny jak obraz klasyczny.
Różnice pojawiają się, jeśli pomiędzy filtrami umieścimy trzeci, ustawiony pod pośrednim kątem. Jeśli foton trafia na filtr ustawiony pod takim kątem, jak jego polaryzacja, to przejdzie on przez filtr na 100%. Jeśli trafi na filtr ustawiony prostopadle, to zawsze zostanie pochłonięty. A co jeśli foton trafia na filtr ustawiony pod kątem? W klasycznym przypadku filtr po prostu przepuszczał jedynie składową wektora pola ustawioną zgodnie z orientacją filtra. Jednak foton nie może utracić części energii. Jest on niepodzielny. Może albo przejść w całości, albo zostać pochłoniętym w całości.
Dlatego w przypadku pośredniej orientacji filtra, foton zostanie on pochłonięty z pewnym prawdopodobieństwem uzależnionym od względnej orientacji filtra i polaryzacji fotonu. Jeśli ten kąt wynosi np. 45 stopni, to średnio co drugi foton zostanie pochłonięty, a co drugi przejdzie. Nigdy z góry nie wiemy co stanie się z danym, konkretnym fotonem, ale wiemy, że połowa z nich zostanie pochłonięta. Natomiast te fotony, które przejdą przez filtr, będą miały nową polaryzację ustawioną zgodnie z orientacją filtra.
Innymi słowy - z losowej próbki fotonów pierwszy filtr wybierze połowę, ustawiając ich polaryzacje zgodnie z orientacją filtra. Drugi filtr znów wylosuje połowę, ponownie zmieniając orientację. Trzeci filtr ponownie losuje połowę, ustawiając polaryzację zgodnie z jego orientacją. W efekcie przy takim ustawieniu filtrów otrzymujemy 12,5% intensywności początkowej światła, z polaryzacją odpowiadającą ostatniemu filtrowi.
Nie da się tego efektu wytłumaczyć klasycznie, gdzie filtr jedynie filtruje, tj. usuwa składowe pola niebędące zorientowane właściwie do filtra.
Ten efekt losowania i ustawiania wartości pomiarowej jest immanentną cechą mechaniki kwantowej. Każdy pomiar (w tym przypadku przejście fotonu przez filtr) niejako zmienia (losuje) stan mierzonego obiektu. Jeśli chcemy zmierzyć polaryzację pojedynczego fotonu, to w klasycznym rozumieniu nam się to nie uda. Foton albo przejdzie przez filtr albo nie, a jeśli przejdzie, to będzie miał z góry ustaloną polaryzację, zgodną z ustawieniem filtra. Wnioskować możemy dopiero na podstawie dużej liczby pomiarów, mierząc prawdopodobieństwa z jakimi fotony przechodzą.
Cała ta teoria wydaje się bardzo dziwna i momentami absurdalna, ale przedstawione doświadczenie czarno na białym pokazuje, że tak właśnie jest. Że świat w którym żyjemy, nie jest wcale taki prosty, jak mógłby nam się wydawać. Rozwinięcie tego eksperymentu prowadzi do bardzo ciekawego zagadnienia tzw. nierówności Bella, które wskazują na to, że fotony nie mają żadnej ukrytej polaryzacji, która objawia się w momencie przejścia przez filtr, lecz w istocie jest ona dopiero w tym momencie losowana.
Fizycy przeprowadzali nawet eksperymenty, gdzie próbowali zabrać "sprzed nosa" cząsteczki elementy układu pomiarowego i okazuje się, że w takim przypadku cząsteczka jest sprytniejsza, niejako zna swoją przyszłość i zachowuje się w taki sposób, jakby wiedziała czy przejdzie przez filtr czy nie. Ale te pasjonujące zagadnienia mechaniki kwantowej wymagałyby już kolejnej notki.
