Το πιο παράξενο πείραμα της φυσικής

Από όλες τις φυσικές θεωρίες που προσπαθούν να ερμηνεύσουν τη λειτουργία του σύμπαντος, η κβαντομηχανική είναι η πιο αλλόκοτη. Και δεν υπάρχει τίποτε που να δείχνει το μέγεθος του αλλόκοτου όσο το “πείραμα των δύο σχισμών” (ή “πείραμα της διπλής σχισμής”). Ο καθένας που έχει γνωρίσει το πείραμα αυτό και αν έχει καταλάβει τι είδε, έχει νιώσει το μυαλό του να παίρνει φωτιά. Και είναι σίγουρο ότι θα το ψήφιζε ως το πιο παράξενο πείραμα της φυσικής.

Εκτός βέβαια κι αν έχει γνωρίσει το “πείραμα της κβαντικής γόμας”.

Τι βλέπουμε σε αυτό το άρθρο

Το πείραμα της κβαντικής γόμας αποτελεί στην ουσία μια προέκταση του πειράματος των δύο σχισμών. Σε αυτό λαμβάνει χώρα και η λεγόμενη κβαντική διεμπλοκή που είχαμε δει σε παλαιότερο άρθρο, έτσι μπορούμε να πούμε πως ό,τι πιο περίεργο (σχεδόν) έχει να παρουσιάσει η σύγχρονη φυσική, συμβαίνει σε αυτό το πείραμα.

Για να τα πάρουμε με τη σειρά. Στο άρθρο θα δούμε:

• Το όλο background. Την ιστορία του πειράματος της διπλής σχισμής, γιατί έγινε και τι ήθελε να αποδείξει.
• Τι είναι το φαινόμενο της συμβολής – κάτι που θα μας χρειαστεί να κατανοήσουμε το πείραμα.
• Το ίδιο το πείραμα των δύο σχισμών. Από μόνο του είναι αρκετό να δοκιμάσει τα (μέχρι στιγμής) όρια κατανόησής μας για τον κόσμο. Αλλά ούτως ή άλλως η γνώση του είναι απαραίτητη για να γίνει κατανοητή η συνέχεια.
• Τη προέκταση του παραπάνω πειράματος, που είναι το πείραμα της κβαντικής γόμας. Όπως θα δούμε, το πείραμα αυτό είναι μια από τις παραλλαγές του πειράματος “καθυστερημένης επιλογής” των δύο σχισμών – θα αναφέρουμε τι είναι όλα αυτά, και θα δώσουμε και κάποιες εξηγήσεις για τα αποτελέσματα. Και τέλος
• Κάτι πολύ σημαντικό, θα δούμε τι σημαίνει φυσική ερμηνεία ενός πειράματος ή μιας φυσικής θεωρίας. Και κατ΄ επέκταση, τι, απ΄ όλα όσα κυκλοφορούν, δεν αποτελούν φυσικές ερμηνείες αλλά, μιλώντας ευγενικά, απόψεις για χαλαρή κουβέντα. Παράλληλα θα ρίξουμε μια ματιά σε τρεις από τις σημαντικότερες φυσικές ερμηνείες της κβαντομηχανικής.

Μια παρατήρηση: θα προσπαθήσω σκληρά να μη χωρίσω το άρθρο σε 37 μέρη, όπως συνήθως κάνω με τα άρθρα μου. Έτσι κάποιες από τις πληροφορίες που θα διαβάσετε θα είναι γενικές χωρίς να τις συνοδεύουν οι ακριβείς λεπτομέρειες, τις οποίες εξ΄ άλλου μπορεί ο καθένας να τις βρει στο διαδίκτυο. Δείξτε λοιπόν ελαστικότητα στις όποιες ατέλειες που ξέρω ότι υπάρχουν.

Το background

Μέχρι τον 17ο αιώνα η κυρίαρχη άποψη για το τι είναι το φως ήταν ότι το φως είναι ό,τι και οτιδήποτε άλλο στη φύση: το φως είναι ύλη. Ναι, ήταν ήδη γνωστά τα κύματα και γνώριζαν ότι ο ήχος για παράδειγμα δεν είναι παρά κύματα, διάμηκες ταλαντώσεις που κινούνται προς όλες τις κατευθύνσεις, το φως όμως δεν θα μπορούσε να είναι κύμα.

Το φως είναι σωματίδια

Το φως διαδίδεται ευθύγραμμα και όχι εγκάρσια, όπως το το κύμα. Αν αφήσεις το φως να περάσει από μια τρύπα θα το δεις να φτάνει στον απέναντι τοίχο φωτίζοντας σε αυτόν μια τρύπα διαμέτρου ίσης με αυτής του τοίχου, όπως ακριβώς αναμένουμε από μια συνεχή ροή μικροσκοπικών σωματιδίων. Από την άλλη μεριά τα κύματα διαδίδονται σε όλες τις κατευθύνσεις, αν το φως λοιπόν ήταν κύμα θα φώτιζε όλο το δωμάτιο.

Αν ήταν κύμα και έβαζες μπροστά στη φωτεινή ακτίνα ένα εμπόδιο, τότε αυτό θα τη προσπερνούσε και θα συνέχιζε να κυματίζει πίσω από αυτό, άρα θα έβλεπες το φως και πίσω από το εμπόδιο.

Το φως επίσης αντανακλάται όταν συγκρούεται με την ύλη, όπως κάνουν τα σωματίδια. Το φως επίσης απορροφάται από αυτήν. Επιπλέον το φως διαθλάται, όπως δεν κάνουν τα κύματα και το φως κινείται στο κενό του διαστήματος, κάτι που δεν μπορεί να κάνει το κύμα αφού χρειάζεται μέσο για να διαδοθεί.

Είναι ξεκάθαρο ότι το φως δεν μπορεί παρά να αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια.^[1]

Το φως είναι κύμα

Ο Φραντσέσκο Γκριμάλντι ήδη είχε παρατηρήσει από το 1665 το φαινόμενο της περίθλασης του φωτός. Αυτό είναι κάτι που δεν το εξηγεί η σωματιδιακή του φύση και μπορεί να ερμηνευτεί μόνο αν κάποιος δεχτεί ότι το φως είναι κύμα. Έως τις αρχές του 19ου υπήρχαν ενδείξεις για την ύπαρξη της υπέρυθρης και υπεριώδους ακτινοβολίας, κάτι που μπορεί να υπάρχει μόνο αν το φως εκπέμπει σε διάφορες συχνότητες. Αυτό μπορεί να συμβεί μόνο αν είναι κύμα.

Αλλά αν πράγματι το φως είναι κύμα, τότε θα πρέπει όπως όλα τα κύματα που σέβονται τη φύση τους, να εμφανίζει το φαινόμενο της συμβολής. Κι εδώ είναι που μπαίνει στο παιχνίδι ο πολυμαθής και πανεπιστήμων για την εποχή του, “ο τελευταίος άνθρωπος που ήξερε τα πάντα”, Τόμας Γιανγκ. Με το πείραμα που πραγματοποίησε απέδειξε τη κυματική φύση του φωτός. Και ταυτόχρονα άνοιξε το κουτί της Πανδώρας με τα ερωτήματα για τη φύση της ύλης, τα οποία στοιχειώνουν μέχρι σήμερα την επιστημονική κοινότητα.

Έτσι, το φως πλέον ήταν ξεκάθαρα κύμα.

Αλλά πριν δούμε τι ακριβώς έδειξε, να κάνουμε μια απαραίτητη παρένθεση.

Το φαινόμενο της συμβολής

Ας ρίξουμε μια ματιά σε κάποιες βασικές έννοιες που θα χρειαστούμε.

Τι είναι το κύμα

Επίσημα στη φυσική ως κύμα ορίζεται μια διαταραχή που κινείται σε ένα μέσο^[2]. Πάρτε ένα σχοινί για παράδειγμα. Δέστε τη μια άκρη του κάπου. Και την άλλη άκρη αρχίστε να την ανεβοκατεβάζετε με σταθερό ρυθμό. Μόλις έχετε προκαλέσει μια διαταραχή στο σχοινί.

Αποτέλεσμα της διαταραχής αυτής θα είναι ένας κυματισμός που φαίνεται να κινείται από το χέρι σας προς το δεμένο άκρο του σκοινιού.

Μπορείτε επίσης να πετάξετε σε μια λίμνη μια πέτρα – ή σε ένα ποτήρι νερό μια σταγόνα. Θα δείτε με παρόμοιο τρόπο να εξαπλώνονται κύματα προς όλες τις κατευθύνσεις – στις δύο διαστάσεις πλέον και όχι σε μία, όπως πριν. Προκαλέσατε μια διαταραχή σε ένα μέσο, στο νερό. Και ως αποτέλεσμα είδατε τη δημιουργία κυμάτων σε αυτό.

Αυτές οι απλοϊκές εξηγήσεις για το τι είναι κύμα μας είναι αρκετές για να καταλάβουμε τη συνέχεια.

Κάτι που επίσης θα μας χρειαστεί. Η διαταραχή που δημιουργείται μπορεί να ανιχνευτεί και να καταγραφεί από τις συσκευές μας – το τι είδους καταγραφή θα απεικονιστεί σε αυτές, θα το δούμε παρακάτω.

Συμβολή κυμάτων

Τα κύματα όπως φαίνεται στις παραπάνω εικόνες διαθέτουν αυτό που λέμε “κορυφές” και “κοιλάδες”. Αν δύο κύματα συναντηθούν με τρόπο που:

• οι κορφές τους και οι κοιλάδες τους συναντηθούν, τότε θα δημιουργηθούν κορυφές και κοιλάδες μεγαλύτερου ύψους από αυτά των αρχικών κυμάτων.
• οι κορφές του ενός συναντηθούν με τις κοιλάδες του άλλου, τότε τα δύο κύματα θα αλληλοαναιρεθούν.

Σε αυτή τη περίπτωση αυτό που θα καταγράψουμε είναι

• κύμα μεγάλης έντασης, στα σημεία που οι κορυφές και οι κοιλάδες συναντιούνται και
• τίποτε, στα σημεία που οι τα κύματα αλληλοαναιρούνται.

Αυτό εν συντομία είναι το φαινόμενο της συμβολής. Και όσο για την οπτική του απεικόνιση, θα τη δούμε αμέσως παρακάτω.

Το πείραμα των δύο σχισμών

Η διάταξη είναι απλή. Σε ένα πολύ λεπτό τοίχωμα δημιουργούμε δύο πολύ λεπτές σχισμές σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους. Από τη μια μεριά του τοιχώματος υπάρχει μια φωτεινή πηγή μονοχρωματικού φωτός που στέλνει φως προς τις σχισμές. Και από την άλλη μεριά υπάρχει η οθόνη που απεικονίζει (και καταγράφει) το φως που περνάει μέσα από αυτές.

Η διάταξή μας θα είναι κάπως έτσι:

Το φως πίσω από αυτή είναι έτοιμο να στείλει τις ακτίνες του.

Τι περιμένουμε από το πείραμα:

Αν το φως είναι σωματίδια:

• Τα σωματίδια του φωτός θα περιλούσουν το μπροστά μέρος του πρώτου τοίχου.
• Κάποια από αυτά θα περάσουν μέσα από τις σχισμές.
• Θα καταλήξουν στην απέναντι μεριά όπου βρίσκεται η οθόνη μας. Σε αυτή τη περίπτωση θα καταγραφούν δύο δέσμες φωτός, μια για κάθε μια από τις σχισμές.

Παρεμπιπτόντως, αυτό το αποτέλεσμα έπαιρνε ο Νεύτωνας όταν άφηνε το φως να περνάει από μια σχισμή, από μια χαραμάδα. Γι΄ αυτό (αλλά και για άλλους λόγους) κατέληξε στη σωματιδιακή φύση του φωτός^[3].

Αν το φως είναι κύμα:

Σε μια τέτοια περίπτωση αυτό που περιμένουμε είναι:

• Τα κύματα να εξαπλωθούν χτυπώντας το πρώτο τοίχωμα.
• Καθένα από αυτά θα περάσει μέσα από τις δύο σχισμές και θα συνεχίσουν να εξαπλώνονται.
• Αμέσως μετά τις σχισμές θα συναντηθούν. Σε κάποια σημεία θα αλληλοαναιρεθούν και σε κάποια άλλα η έντασή τους θα αυξηθεί – με άλλα λόγια, θα εμφανίσουν συμβολή.
• Στην οθόνη θα εμφανιστεί αυτή ακριβώς η συμβολή: σε κάποια σημεία της δεν θα εμφανιστεί καθόλου φως, ενώ σε κάποια άλλα το φως θα εμφανίζεται έντονο.

Τι έδειξε το πείραμα

Ο Τόμας Γιανγκ συνέλαβε τη παραπάνω διάταξη στη προσπάθειά του να δώσει την οριστική απάντηση στο ερώτημα “τι είναι το φως”. Και το αποτέλεσμα ήταν αυτό που περίμενε και ο ίδιος. Διέκρινε το φαινόμενο της συμβολής, το αποτέλεσμα που κατέγραψε ήταν αυτό της τελευταίας εικόνας. Το φως τελικά, ήταν οριστικά κι αμετάκλητα κύμα.

Ή τουλάχιστον έτσι φαινόταν έως εκείνη τη στιγμή.

Στον αιώνα που ακολούθησε έγιναν πολλά ακόμη πειράματα επάνω σε αυτό το ερώτημα. Κάποια συμφωνούσαν με το αποτέλεσμα του Γιανγκ, κάποια όλα όμως γυρνούσαν τη φυσική δύο αιώνες πίσω: τα αποτελέσματά τους είχαν νόημα μόνο αν το φως αποτελούταν από σωματίδια.

Η πραγματικά οριστική απάντηση ήρθε το 1905, με τη πρώτη δημοσίευση του Αϊνστάιν η οποία του χάρισε το βραβείο Νόμπελ. Με την εργασία του αυτή απέδειξε ότι το φως έχει διττή φύση, είναι και κύμα και σωματίδια. Πλέον η επιστήμη είχε στη διάθεσή της όχι μόνο πειράματα και εικασίες, αλλά αυτό που μετατρέπει μια υπόθεση σε φυσική Θεωρία. Μια μαθηματική εργασία η οποία

1. Συμφωνεί με όλα τα προγενέστερα πειράματα και παρατηρήσεις.
2. Κάνει προβλέψεις για φαινόμενα που δεν έχουν ακόμη παρατηρηθεί.
3. Γίνονται πειράματα που επαληθεύουν αυτές τις προβλέψεις. Και τέλος
4. Εξακολουθεί να έρχεται σε συμφωνία με όποια άλλα πειράματα την ακολουθούν.

Πλέον η επιστήμη δεν υπέθετε πια αλλά γνώριζε για τη φύση του φωτός. Η διττή του φύση ήταν πλέον αδιαμφισβήτητο γεγονός.

Αυτό ήταν κάτι που γύρισε τους φυσικούς στα εργαστήρια^[4].

Παραλλαγή πρώτη: το πείραμα των δύο σχισμών με σωματίδια

Η εικόνα που είχε ο κόσμος για τα άτομα έως εκείνη την εποχή είναι αυτή που διδασκόμαστε ακόμη και σήμερα στα σχολεία. Το άτομο αποτελείται από τον πυρήνα του και γύρω από αυτόν, όπως ακριβώς κάνουν και οι πλανήτες γύρω από τον ήλιο, περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια.

Η εικόνα αυτή διαφέρει κατά πολύ από τη σημερινή, αλλά έως τότε τα ηλεκτρόνια δεν ήταν παρά ύλη. Είχαν μάζα, κανείς δεν ήταν βέβαιος για το σχήμα τους, αλλά παρέμενε διακριτή ύλη. Οπότε, μια καλή ιδέα για να ελεχθεί το πείραμά μας θα ήταν να δούμε τη συμπεριφορά αυτών των μικρών τμημάτων ύλης στη παραπάνω διάταξη. Τις υποψίες για το αποτέλεσμα τις είχε ήδη δώσει η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Μάξγουελ, αλλά ένα επιπλέον πείραμα δεν έκανε ποτέ κακό σε κανέναν.

Η διάταξη λοιπόν παραμένει η ίδια, αντί όμως για δέσμη φωτός λούζουμε τις δύο σχισμές με μια δέσμη ηλεκτρονίων. Αφού (αν) τα ηλεκτρόνια είναι σωματίδια, το αποτέλεσμα που περιμένουμε θα είναι αυτό της εικόνας 1.

Αλλά βρισκόμαστε σε πεδία που περιγράφονται από τη κβαντομηχανική. Τα πάντα εδώ λειτουργούν με τον δικό τους, αλλόκοτο τρόπο, έτσι δεν θα σας εκπλήξω που θα πω ότι το τελικό αποτέλεσμα ήταν αυτό της εικόνας δύο. Το αποτέλεσμα της ρίψης ηλεκτρονίων ήταν να εμφανιστεί φαινόμενο συμβολής. Τα ηλεκτρόνια, παρά το ότι είναι σωματίδια με μάζα, έχουν κι αυτά διττή φύση. Μπορούν να συμπεριφερθούν και ως κύμα.

Άτομα και μόρια

Ωραία. Ο αιώνας όμως προχωράει. Έχουμε πλέον δύο θεωρίες που περιγράφουν ικανοποιητικά τη φύση, τη Σχετικότητα και τη Κβαντομηχανική. Οι θεωρίες αυτές όπως γνωρίζουμε (α) είναι και οι δύο απόλυτα ακριβείς και (β) δεν συμφωνούν μεταξύ τους. Όπως συνηθίζουμε να λέμε, η κβαντομηχανική περιγράφει το μικρόκοσμο και η σχετικότητα τον μακρόκοσμο.

Κάπου υπάρχει ένα όριο μεταξύ του ενός και του άλλου. Τα ηλεκτρόνια σίγουρα είναι τμήμα του μικρόκοσμου, και η επιστήμη το επιβεβαίωσε όταν διαπίστωσε ότι η συμπεριφορά τους είναι συμβατή με τους νόμους της κβαντομηχανικής. Σε μεγαλύτερα όμως τμήματα ύλης περιμένουμε να τελειώνει η κβαντομηχανική και να αρχίζει η σχετικότητα.

Να το πω διαφορετικά: εμείς (εγώ, εσείς που διαβάζετε) δεν έχουμε διττή φύση. Αν δεν εμφανιζόμαστε σε ταινία της Marvel, δεν συμπεριφερόμαστε ως κύματα. Μπορεί όταν χορεύουμε να προσποιηθούμε το κύμα, αλλά αν κάποιος μας χτυπήσει τον ένα στον άλλον δεν θα παρουσιάσουμε με κανέναν τρόπο συμβολή. Το ίδιο συμβαίνει και με τα αντικείμενα που χρησιμοποιούμε.

Οπότε ναι, τα “βασικά” σωματίδια που σχηματίζουν ύλη μπορούν να έχουν όποια συμπεριφορά θέλουν. Η ύλη που σχηματίζουν όμως λειτουργεί με τρόπο που καταλαβαίνουμε: δεν είναι κύμα.

Με λίγα λόγια, αν αντί για ηλεκτρόνια αφήσουμε από τις σχισμές να περάσουν άτομα, αυτά δεν θα (πρέπει να) εμφανίσουν φαινόμενα συμβολής.

Παραλλαγή δεύτερη: το πείραμα με “βαριά” ύλη

Παραδόξως, εμφάνισαν. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε με διαφορετικά κάθε φορά άτομα, όλο και μεγαλύτερου μοριακού βάρους. Και εμφανίστηκε και σε αυτά το φαινόμενο της συμβολής. Τα άτομα, σε κάποιες περιπτώσεις, λειτουργούν ως κύμα.

Και τι γίνεται με τα μόρια; Αυτά είναι “μεγάλα”. Τόσο μεγάλα που μπορείς να τα δεις και σε ένα απλό εργαστηριακό μικροσκόπιο. Δεν (μοιάζουν να) υπακούουν στους νόμους της κβαντομηχανικής. Μπορούμε να μετρήσουμε και τη θέση και τη ταχύτητά τους, δεν έχουν ταυτόχρονα διαφορετικά σπιν και έως τώρα δεν έχουν εμφανιστεί ως αντι-μόρια στους επιταχυντές. Τα μόρια στην ουσία δεν είναι παρά μικρές μπίλιες και αυτές, περνώντας μέσα από τις δύο σχισμές, δεν μπορεί παρά να παρουσιάσουν την εικόνα 1.

Αλλά είτε επειδή το σύμπαν διαθέτει χιούμορ είτε για άλλους λόγους που δεν κατανοούμε ακόμη, δεν το κάνουν. Όχι πάντα τουλάχιστον. Πειράματα που έχουν γίνει με πραγματικά “βαριά” μόρια, τα οποία περιλαμβάνουν μεγάλο αριθμό ατόμων, έχουν εμφανίσει το φαινόμενο της συμβολής^[5].

Η κβαντομηχανική αρχίζει να χώνει τη μύτη της σε αυτό που αποκαλούμε “πραγματικό” κόσμο. Το σύμπαν αποκτά όλο και πιο περίεργα χαρακτηριστικά.

Μπροστά σε κάτι τέτοια περίεργα όμως οι φυσικοί δεν σηκώνουν τα χέρια ψηλά, αλλά τα μανίκια.

Παραλλαγή τρίτη: από που περνάει;

Απ΄ όσο γνωρίζω τα ακόλουθα πειράματα έχουν γίνει είτε με δέσμες φωτός είτε με δέσμες ηλεκτρονίων. Δεν έχω εικόνα για το αν έχουν πραγματοποιηθεί και με άτομα ή μόρια.

Και γυρίζουμε στο φως. Το οποίο φως εκτός από κύμα είναι και σωματίδια. Αφού λοιπόν η δέσμη που στέλνουμε στις σχισμές αποτελείται από τμήματα ύλης (επίσημα: κβάντα ενέργειας), το καθένα από αυτά τα τμήματα θα πρέπει να περνά είτε από τη μια σχισμή είτε από την άλλη.

Η νέα προσθήκη από τους πειραματιστές στο πείραμα ήταν η εξής. Πριν από κάθε σχισμή τοποθέτησαν έναν ανιχνευτή. Κάθε φωτόνιο που θα περνούσε από κάθε ανιχνευτή θα καταγραφόταν, έτσι σε πρώτη φάση θα γνώριζαν ποιο φωτόνιο περνούσε από κάθε σχισμή. Η γνώση αυτή θα ήταν ένα βήμα προς τη κατανόηση της συμπεριφοράς των σωματιδίων με διττή φύση.

Οπότε γυρίζουν στο εργαστήριο. Φτιάχνουν τη διάταξη. Τοποθετούν τους δύο ανιχνευτές, οι οποίοι πράγματι ξεκίνησαν να καταγράφουν το καθένα από τα φωτόνια πριν αυτό περάσει από τη κάθε σχισμή.

Και το αποτέλεσμα που πήραν στην οθόνη τους ήταν αυτό:

Η συμβολή εξαφανίστηκε. Το φως (όπως και τα ηλεκτρόνια σε αντίστοιχα πειράματα) σταμάτησε να συμπεριφέρεται σαν κύμα. Το φως, εμφανίζεται στην οθόνη όπως θα περιμέναμε να εμφανιστεί αν το αποτελούσαν μόνο σωματίδια.

Το σύμπαν εδώ εμφανίζεται σα να βγάζει ανακοίνωση προς τα κβάντα φωτός: “Προσοχή, άνθρωποι, μόλις σας είδαν. Θα μάθουν από που περνάτε, θα μάθουν τα πάντα για εσάς. Κάντε ότι είστε σωματίδια“.

Και μπροστά σε μια τέτοια πρόκληση, οι πειραματιστές δεν θα μπορούσαν παρά να αντιδράσουν ανάλογα.

Παραλλαγή τέταρτη: πείραμα “καθυστερημένης επιλογής”

Μια παρένθεση. Το σύνολο των παραλλαγών του πειράματος αυτού κατά το οποίο ο ανιχνευτής τοποθετείται πριν τις σχισμές, έχουν τη γενική ονομασία “which way”. Σε αυτά που ο ανιχνευτής μπαίνει μετά έχουν δοθεί το όνομα “delayed choice”.

Κλείνει η παρένθεση και πάμε πάλι από την αρχή. Το φως είναι και σωματίδιο και κύμα, και μόλις μας το (ξανά) απέδειξε. Έδειξε σωματιδιακή συμπεριφορά και καταγράφηκε όπως ακριβώς θα καταγραφόταν ένα οποιοδήποτε σύνολο σωματιδίων.

Ας υποθέσουμε ότι ο λόγος που άλλαξε τη συμπεριφορά του είναι επειδή “μας είδε” να το ανιχνεύουμε. Τότε μπήκε στις σχισμές ως σύνολο σωματιδίων, άρα δεν εμφάνισε συμβολή. Επίσης, όταν “δεν μας βλέπει”, μπαίνει στις σχισμές ως κύμα και άρα εμφανίζει συμβολή.

Μέχρι εδώ (ας πούμε) ωραία. Θα κάνουμε λοιπόν το εξής. Θα το αφήσουμε να μπει στις σχισμές χωρίς να το δούμε. Όταν δεν το βλέπουμε μπαίνει ως κύμα. Άρα με το που βγαίνει, αναγκαστικά θα εμφανίσει συμβολή. Θα το καταγράψουμε λοιπόν όχι πριν αλλά μετά τις σχισμές. Αλλά τι θα καταγραφεί τότε; Αφού θα έχει μπει ως κύμα, είναι δυνατόν να καταγράψουμε σωματίδια;

Οι πειραματιστές φτιάχνουν νέα διάταξη. Αυτή τη φορά οι ανιχνευτές μπαίνουν μετά τις σχισμές και οι φυσικοί ελπίζουν να μάθουν τι θα συμβεί.

Ανοίγουν το οπτικό μέσο. Στέλνουν το φως. Και καταγράφουν το αποτέλεσμα στην οθόνη.

Το φως, εξακολουθεί να συμπεριφέρεται σα να αποτελείται από σωματίδια. Το φως αποφασίζει να αλλάζει τη συμπεριφορά του κάθε φορά “που το βλέπουμε”. Αλλά αφού έχει ήδη μπει ως κύμα από τις δύο σχισμές θα έπρεπε πριν αρχίσουμε να το βλέπουμε να έχει ήδη παρουσιάσει συμβολή. Η οποία συμβολή τελικά θα έπρεπε να καταγραφεί.

Κάτι που τελικά δεν έγινε. Εδώ τώρα θα μπορούσε κάποιος να σκεφτεί κάτι ανατριχιαστικό. Ότι αφού τελικά φως “είδε” ότι το παρακολουθούμε, τότε γύρισε στο παρελθόν και άλλαξε την επιλογή του: δεν μπήκε στις σχισμές ως κύμα αλλά ως σωματίδιο.

Αν θέλουμε να ανατριχιάσουμε όμως θα πάμε να δούμε θρίλερ. Οι δε επιστήμονες απέφυγαν τέτοιες σκέψεις και δοκίμασαν μια άλλη προσέγγιση.

Παραλλαγή πέμπτη: ένα φωτόνιο τη φορά

Έως το τέλος του προηγούμενου (20ου) αιώνα οι πειραματικές διατάξεις είχαν γίνει τόσο εξελιγμένες, ώστε η ένταση του εκπεμπόμενου φωτός να μπορεί να πέσει σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα. Σε τόσο χαμηλά ώστε η φωτεινή πηγή να μπορεί να εκπέμπει ένα φωτόνιο τη φορά^[6].

Το πρόβλημα ήταν σαφές. Το φως είναι ταυτόχρονα σωματίδιο και κύμα, και ανάλογα τις συνθήκες εμφανίζει είτε τη μια συμπεριφορά είτε την άλλη. Εμείς θέλουμε να μάθουμε το τρόπο λειτουργίας του, οι παραπάνω δοκιμές δεν σημείωσαν πρόοδο προς αυτή τη κατεύθυνση οπότε θα δοκιμάσουμε κάτι άλλο.

Αντί να αφήσουμε το φως να αποφασίσει πότε θα συμπεριφερθεί ως κύμα και πότε ως σωματίδιο, θα του επιβάλουμε εμείς τη συμπεριφορά. Θα στείλουμε προς τις σχισμές ένα φωτόνιο τη φορά. Το φωτόνιο δεν μπορεί να διαχωριστεί, στέλνουμε το μικρότερο δυνατό κβάντο ενέργειας προς τις σχισμές, έτσι αυτό θα περάσει είτε από τη μια σχισμή είτε από την άλλη.

Δεν θα το καταγράψουμε, δεν θα μάθουμε από πια σχισμή θα μπει. Αλλά, ενώ δύο ή περισσότερα φωτόνια, όταν βγουν από τις δύο σχισμές, μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους και να εμφανίσουν συμβολή, κάτι τέτοιο θα είναι αδύνατο για ένα φωτόνιο. Στέλνεται μόνο του, μπαίνει από τη μια σχισμή, δεν βρίσκει παρέα να αλληλεπιδράσει, δεν μπορεί παρά να χτυπήσει μόνο του στην οθόνη απέναντι από τις σχισμές.

Αναγκαστικά, θα κάνουμε ένα βήμα στη κατανόησή του. Θα του επιβάλλουμε εμείς τη συμπεριφορά, θα το αναγκάσουμε να εμφανίσει το αποτέλεσμα της μη συμβολής της εικόνας 1.

Το πείραμα

Αυτή τη φορά, κατά την εκτέλεση του πειράματος όλα άρχισαν να πηγαίνουν – επιτέλους! – σωστά. Από τη πηγή έφευγε ένα φωτόνιο. Περνούσε από κάποια σχισμή – κανείς δεν ήξερε από ποια – και χτυπούσε απέναντι στην οθόνη καταγραφής. Το ίδιο ακριβώς έγινε και με το 2ο φωτόνιο, που χτύπησε κάπου αλλού στην οθόνη. Και μετά το 3ο, το 4ο κτλ.

Το φως επιτέλους, άρχισε να συμπεριφέρεται ως σωματίδιο.

Και αυτό συνέχισε για ώρα. Ώσπου σιγά σιγά οι καταγραφές στην οθόνη άρχισαν να εμφανίζουν ένα μοτίβο.

Και το μοτίβο που εμφανίστηκε ήταν αυτό:

Το ένα και μοναδικό φωτόνιο τη φορά πήγαινε σε τέτοια θέση, ώστε το τελικό αποτέλεσμα να εμφανίζει το φαινόμενο της συμβολής.

Κι εδώ είναι η ώρα να κάνουμε τη πρώτη μας παύση.

Ερμηνείες

Όλα αυτά ήταν τόσο περίεργα που έπρεπε με κάποιο τρόπο να εξηγηθούν. Θα πούμε από τώρα ότι οι πρώτες ερμηνείες που δόθηκαν θεωρούνται πλέον ξεπερασμένες και σχεδόν σίγουρα λανθασμένες, δεν θα τις δούμε όμως παρά αργότερα και συνολικά.

Θα τις δούμε, όταν θα έχουμε δει το πως αποφάσισαν οι πειραματιστές να αντιμετωπίσουν αυτά τα αποτελέσματα. Όταν θα δούμε τον επόμενο τρόπο που σκέφτηκαν ώστε να έχουν επιτέλους κάποια απάντηση.

Με τον οποίο, για κακή τους τύχη, βρέθηκαν μπροστά σε κάτι ακόμη πιο περίεργο και, αν είναι δυνατόν, πιο φρικιαστικό.

Σημειώσεις

[1] Σε αυτά τα συμπεράσματα οδήγησαν τον Νεύτωνα τα πειράματά του επάνω στην οπτική και τη φύση του φωτός. Όπως φάνηκε αργότερα βέβαια κάποια από τα πειράματά του ήταν ελλειπή και με καλύτερη ακρίβεια θα έδιναν διαφορετικά αποτελέσματα. Έτσι πολλά απ΄ όσα αναφέρονται σε αυτή την ενότητα δεν αντανακλούν πάντα τη πραγματική συμπεριφορά του φωτός. (up)

[2] Για απλούστευση δεν αναφέρω τις περιπτώσεις όπου είναι δυνατή η μετάδοση κυμάτων στο κενό, όπως στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Στη πραγματικότητα κι εκεί δημιουργείται μέσο διάδοσης, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, αλλά αφήνουμε αυτές τις λεπτομέρειες. (up)

[3] Οι πιο προσεκτικοί από εσάς έχετε ήδη παρατηρήσει ότι δεν εμφανίζω τη διάθλαση του φωτός, την οποία θα έπρεπε και να δει ο Νεύτωνας. Δεν το κάνω για τρεις λόγους. (α) Βρισκόμαστε στην υποθετική περίπτωση όπου το φως είναι σωματίδιο, άρα δεν παρουσιάζει διάθλαση. (β) Η διάθλαση εμφανίζεται μόνο για συγκεκριμένο λόγο συχνότητας φωτός και πάχους σχισμής, γι΄ αυτό και δεν την είχε παρατηρήσει ο Νεύτων. Και (γ) το πείραμα είναι έτσι κι αλλιώς περίπλοκο, προσπαθώ λοιπόν στο μέτρο του δυνατού να το απλουστεύσω. (up)

[4] Τα πειράματα που περιγράφω στη συνέχεια δεν τα εμφανίζω με τη χρονική σειρά που έγιναν για πρώτη φορά. Κάποια από αυτά εξ΄ άλλου έγιναν μόλις στο τέλος του 20ου αιώνα, ενώ η τελειοποιημένη μορφή κάποιων άλλων ήρθε μόλις τη δεκαετία του 2010. (up)

[5] Ας είμαι ακριβής. Αν και το πείραμα με μια απλή μονοχρωματική δέσμη φωτός μπορεί να γίνει από τον καθένα ακόμη και στο σπίτι του, όλα τα υπόλοιπα πειράματα χρειάζονται ειδικές συνθήκες για να πραγματοποιηθούν. Οι πειραματιστές φυσικοί έχουν επιτύχει φαινόμενα συμβολής με άτομα ή και βαριά μόρια, αυτό δεν σημαίνει όμως ότι σε κάθε περίπτωση ένα πείραμα που θα γίνει με μόρια θα εμφανίζει φαινόμενο συμβολής.
Για το πείραμα με βαριά μόρια δείτε την επιστημονική του δημοσίευση σε αυτό το σύνδεσμο. (up)

[6] Εδώ μπορείτε να δείτε τη δημοσίευση του πρώτου τέτοιου πειράματος από τους P. Grangier, G. Roger και A. Aspect. Παρόμοια πειράματα έγιναν κι αργότερα με άλλες μορφές ακτινοβολίας εκτός του μονοχρωματικού φωτός. (up)