2015-11-19.
W mrocznych czasach dla Polski Sienkiewicz pisał swoje książki „ku pokrzepieniu serc”, naginając prawdę historyczną tak, żeby Polacy poczuli się lepiej. W listopadzie 2016 Polacy też potrzebują pociechy duchowej, i dlatego chciałbym opowiedzieć o prostym eksperymencie z zakresu fizyki kwantowej. O takich doświadczeniach powinny się uczyć dzieci w pierwszych klasach podstawówki, ale póki co, podejrzewam, że opisany poniżej eksperyment zdziwi nawet niektórych 80-latków.
Otóż:
- Weźmy 1000 małych pudełeczek z dwojgiem drzwiczek, i do każdego pudełeczka wpuśćmy po jednym elektronie (Rys.1)
- W każde pudełeczko wsadźmy przegrodę tak, że elektron znajdzie się albo po lewej, albo po prawej stronie. Nie mamy pojęcia, po której (Rys.2).
- Zróbmy takie stanowisko pomiarowe, że mamy kliszę fotograficzną czułą na elektrony oraz miejsce na pudełeczka, które chcemy po kolei w to miejsce wsadzać. Pod pudełeczkiem jest pole elektryczne E (czyli naładowana ujemnie płytka), które ma za zadanie wypędzać elektrony z pudełeczek przez drzwiczki (Rys. 3).
- Wsadzamy pierwsze pudełeczko na stanowisko pomiarowe i otwieramy prawe drzwiczki. Jeżeli elektron jest po prawej stronie pudełeczka, to wyskoczy napędzony polem elektrycznym, i zrobi ślad na kliszy. Jeżeli elektron jest po lewej stronie, to nie wyskoczy (Rys. 3).
- Wsadzamy tak po kolei wszystkie 1000 pudełeczek, otwieramy im prawe drzwiczki, i liczymy, ile elektronów wyskoczyło. Liczymy punkty na prawej stronie kliszy, i, na przykład, wyszło nam, że 533 elektrony były po prawej stronie pudełeczek (Rys. 4).
- Powtarzamy eksperyment, tylko teraz otwieramy lewe drzwiczki. Po lewej stronie kliszy liczymy punkciki, i okazuje się, że po lewej stronie pudełeczek było 467 elektronów (Rys. 5).
- Robimy przerwę na kawę w naszym eksperymentowaniu w poczuciu, iż wszystko nam się zgadza z intuicją. 533+467=1000. Żadnego elektronu nie zgubiliśmy! Możemy, w poczuciu dobrze wykonanego doświadczenia, nawet pozwolić sobie na małą kostkę czekolady, albo kieliszek koniaku.
- Wracamy do naszego układu eksperymentalnego i ładujemy znowu 1000 elektronów po jednym do 1000 pudełeczek.
- Wsadzamy po kolei nasze pudełeczka w układ pomiarowy, ale tym razem otwieramy lewe i prawe drzwiczki jednocześnie (Rys. 6). Moglibyśmy oczekiwać, że na kliszy będziemy mieli taki sam układ punktów po elektronach: około 500 po lewej, około 500 po prawej. MAMY JEDNAK ZUPEŁNIE INNY WYNIK. Najwięcej punktów jest pośrodku, a oprócz tego mamy jeszcze dodatkowe maksima ilości punktów na kliszy po elektronach. I wynik taki otrzymujemy niezależnie, czy piliśmy koniak do kawy, czy nie!
Jeżeli ktokolwiek uznaje ten fakt za coś niedziwnego, to znaczy, że chyba przybył z innej galaktyki, gdzie fizyki kwantowej nauczają już w przedszkolu. Dziwił się temu i Einstein, i Bohr. Dziwią się wszyscy fizycy świata, bo jak na razie jedynym wytłumaczeniem wyniku z Rysunku 6 jest to, że DOPÓKI NIE ZAJRZYMY DO ŚRODKA PUDEŁKA, TO ELEKTRON JEST JEDNOCZEŚNIE PO LEWEJ I PRAWEJ STRONIE! Jak otworzymy drzwiczki lewe i prawe jednocześnie, to wypływa z nich nie mały punkcik, tylko dwie fale. A jak dwie fale nakładają się na siebie (nazywa się to interferencją), to tworzą układ maksimów i minimów, tak jak na kliszy z Rysunku 6. Nikt tak naprawdę nie wie, co to za fale, ale przyjęło się w fizyce określać je jako fale prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w danym miejscu przestrzeni.
Ważnym elementem tych rozważań jest to, że aby interferencja nastąpiła, nie możemy wcześniej wykonać żadnego pomiaru, który by określił, czy elektron jest z lewej, czy z prawej strony. Następna część tej kwantowej opowieści będzie właśnie temu zagadnieniu.
W jaki sposób fizyka kwantowa może nam pokrzepić serca? Otóż, po pierwsze, jak zaczniemy na ten temat myśleć, szukać ciekawych wykładów i artykułów, to przestaniemy myśleć o polskiej polityce. Po drugie, możemy zacząć sobie wyobrażać, że jesteśmy, jak ten elektron, jednocześnie w dwóch (albo więcej) miejscach czasoprzestrzeni, i dopóki ktoś nas nie zlokalizuje, możemy sobie wyobrażać, że jesteśmy w takiej rzeczywistości, która nam odpowiada. Co więcej, możemy planować taki eksperyment, który pozwoli nam rzeczywistość, która nam nie odpowiada, umieścić w świecie równoległym (i nie przenikającym się!) do naszego…
Hazelhard
Dzięki! Kot Schroedingera przypomniał mi, że mam niedoczytaną wspaniałą książkę Douglasa Hofstadtera, co rzeczywiście angażuje i odrywa od smutków codziennych.
Jeśli chodzi o mnie to zacząłbym od tej czekolady i koniaku. Co do reszty – wierzę Ci na słowo 🙂
@ Autor – Sienkiewicz to nie jest ale pomaga. Dziękuję. Chętnie poczytam o wielu innych ciekawostkach fizyki. Mnie najbardziej zawsze fascynowało jak badacz i pomiar zmienia rzeczywistość. Podobnie jest w naukach społecznych.
Ja nad biurkiem trzymam zdjęcie, właściwie wizualizację tzw. wiatraczka, czyli mgławicy galaktyk, w której – wierzę na słowo – znajduje się trylion słońc. Kiedy o tym myślę, o tych światach niepoliczonych, sprawy na biurku i poza nim, stają się mało istotne, takie …. przyziemne. I to mnie uzdrawia.
@Junona: kiedyś napisałem: – Nieskończoność ma dwa oblicza. Jedno wielkoduszne, a drugie – małostkowe.
To chyba Einstein powiedział, że nieskończony jest Wszechświat i głupota ludzka, z tym, że w tej pierwszej sprawie nie ma pewności (zakrzywienie czasoprzestrzeni powoduje, że obserwator wędrując w czasie i przestrzeni podobno by wrócił na to samo miejsce).
Przychodzi czytelnik do biblioteki:
– czy jest coś o psie Pawłowa i kocie Schroedingera?
– Tak mi coś dzwoni, że albo jest albo nie ma.
Jako wychowywany pod stołem laboratoryjnym miałem szczęście słyszeć o tym już w pacholęctwie, ale wyszedłszy spod niego zająłem się branżą, w której, jak mi się wtedy wydawało, prawdy są ostateczne, więc chciałbym skorzystać z okazji i poprosić o uzupełnienie dziurawej wiedzy. Czy ktoś mianowicie materialnie przeprowadzał taki eksperyment kontrolując ilość elektronów przemieszczających się w jednym czasie między komorą a ekranem? Bo na przedszkolny rozum, najprostszym wyjaśnieniem byłoby oddziaływanie elektronów przelatujących mniej lub bardziej jednocześnie przez oba otwory. Jeżeli możnaby wykazać, że np. co najmniej 70% elektronów leciało istotnie pojedynczo, i w związku z tym taki histogram nie mógł powstać w wyniku takiego oddziaływania, przynajmniej synchronicznego, to byłoby coś. I nie wystarczy podzielić czasu przez ilość i porównywać z czasem przemieszczania się od komory do ekranu, bo to nie eliminuje możliwości, że większość leciała np. parami a przerwy były odpowiednio dłuższe. Fizycy, indagowani przeze mnie na tę okoliczność, do tej pory zawsze odpowiadali mało konkretnie.
Miałbym jeszcze parę pytań do Fizyka, ale że specjalizacja, to może kto inny coś dopowie, np. dlaczego odpowiedź „ciemna materia” jest lepsza niż „kochani, wyniki się nam rozjechały o rzędy wielkości, ogłaszamy konkurs na nową teorię wszystkiego”. Albo LENR, znany również jako eksperyment Fleischmanna i Ponsa, pamiętam jak szkło na tym stole zadrżało z wrażenia, a potem temat upadł, choć jest jakaś garstka zapaleńców, którzy w to wierzą. Chętnie bym usłyszał opninę kogoś, kto przy tym ubrudził sobie ręce (mój meta-eksperyment polegający na zapamiętaniu tego, co głosili zapaleńcy parę lat temu i porównaniu z tym co jest dzisiaj przynósł efekt negatywny, no ale to tylko meta).