Kvantumfizika érthetően 7.

A Wheeler-féle értelmezés

A fenti (gondolat) kísérlet egyik legismertebb elemzője, és részben kitalálója, Wheeler szerint megváltoztatni ugyan nem vagyunk képesek visszamenőleg a múltat (ezzel megúsztuk a logikai paradaxont), viszont kialakítani azt igen.

Wheeler így fogalmaz - "The past does not exist until measured in the present" (A múlt nem létezik, amíg meg nem mérjük a jelenben).

Vagyis, a múlt tetszőlegesen képlékeny, amíg mi meg nem próbáljuk megismerni azt; és (mint például a galaktikus méretűgondolatkísérletben) a fotonok egyszerre repülnek csak az egyik oldalon, csak a másikon, és mindkét oldalon egyszerre. Vagyis, a valóság a lehetőségek szuperpozíciója, egészen addig, amíg meg nem figyeljük.

Wheeler értelmezése meghökkentő, de logikus. (Eddig.) Egyetlen alternatívája a Bohm nevéhez köthető, ún. "pilot-wave theory", amelyben a részecskék és a valószínűségi hullám függetlenek egymástól. Mindkét elképzelést nagy próbatétel elé állították azonban a legújabb, összefonódott részecske-párokkal kombinált, késleltetett választásos kvantumradír-kísérletek. Ezeknek számos változata létezik, de a lényegük ugyanaz - kideríteni, mi történik akkor, ha egyszerre van lehetőségünk megfigyelni egy részecskepár-ikrek valamelyikének jelenbéli viselkedését, és összehasonlítani mindezt az ettől függetlennek tekintett, késletetett választásunkkal az ikerpár másik tagján. A kísérlet elsőre bonyolultnak tűnik, de ne ijedjünk meg tőle.

Lássuk az igazi nagyágyút!

Összefonódott részecskepárok késleltetett választásos kvantumradír-kísérlete

Ezt a döbbenetes eredményekhez vezető kísérletet 1982 és 1999 között Yoon-Ho Kim, R. Yu, S.P. Kulik, Y.H. Shih, and Marlan O. Scullytervezték meg és hajtották végre, az eredeti mérési jegyzőkönyvek (a hitelesség kedvéért) itt találhatóak.

Az alább belinkelt videó a legtöbb részletet jól ismerteti, de néhány hiba is található benne, főleg, ami a végkövetkeztetéseket illeti - ettől függetlenül mindenképpen érdemes megnézni! (magyarázat, korrekciók és cikkünk folytatása a videó után)

http://www.youtube.com/watch?v=sfeoE1arF0I&feature=player_embedded

A bemutatott kísérleti elrendezés egyébként helyesen van felvázolva (kivéve, hogy a BBO kristály a Glen-Thompson prizma része, és ahol a videóban a G-T prizma található, ott valójában egy egyszerű prizma van). Mindemellett annak elemeire fogunk hivatkozni, némi kiegészítéssel.

A bemutatott kísérleti elrendezés egyébként helyesen van felvázolva (kivéve, hogy a BBO kristály a Glen-Thompson prizma része, és ahol a videóban a G-T prizma található, ott valójában egy egyszerű prizma van). Mindemellett annak elemeire fogunk hivatkozni, némi kiegészítéssel.

Ez a különleges kristály egy nemlineáris (BBO) optikai elem, amely kettéhasítja az UV-fotont két, különböző irányban kirepülő infravörös fotonná, amelyek tökéletesen összefonódott állapotban repülnek tovább a térben.

Megjegyzés - a párkeltésről, vagyis az összefonódásról már részletesen írtunk a Fénynél is gyorsabban c. cikkünkben; a lényege, hogy az így keletkező részecske-ikerpárok bármennyire is távolodnak el egymástól térben és időben, létezésük végéig azonnali és feltétlen kényszer-kapcsolatban maradnak egymással; ha bármi történik egyikükkel, az azonnal, késleltetés nélkül megváltoztatja a másikat is.Ez a hatás kísérletileg bizonyítottan fénysebességnél gyorsabban (azonnal) megy végbe, és ez a tény most rendkívül fontos a kísérlet megértéséhez.

 

A kísérleti vázlatban piros színnel jelöltük azoknak a foton-ikerpároknak az útját, amelyek látszólag a felső résen haladtak át (~=amennyiben az útvonaluk megismerését méréssel "kikényszerítjük"), kékeszöld színnel pedig azokét, amelyek az alsó útvonalat választották (~=volna, amennyiben színvallásra kötelezzük őket, az előbbiek szerint).

Megjegyzés - Az előbbi mondat, és annak feltételes módban megfogalmazott kitételeinek teljes megértése szintén elengedhetetlenek a kísérlet értelmezése szempontjából.

Nagyon fontos, hogy a párkeltést végző kristály (közvetlenül a kétrés-nyilás után) mind az "alsó", mind pedig a "felső" nyíláson látszólag áthaladó eredeti, UV-fotont kétfelé bontja - ezekből lesznek az azonos színnel jelölt, összefonódott részecske-ikerpárok.

Az ikerpárok tagjai azonban eltérő szögben hagyják el a nemlineáris kristályt; a pár egyik tagja a képen felfelé, a másik pedig lefelé térítődik el a párkeltés pillanatában. A képen felvelé vetülő ikreket "szignál", a lefelé vetődő ikreket pedig "másoló" (idler) fotonoknak nevezzük.

Hogy teljesen tiszta legyen, négyféle, látszólag vagy ténylegesen is különböző részecskét különböztetünk meg a kísérlet során, végig. Ezek a következők -

1) A vörössel jelzett szignál fotonok, amelyek a párkeltő kristálynál a képen felfelé térnek ki - ezek a lefelé kitérő, szintén pirossal jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalokat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy a felső résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül

2) A kékkel jelzett szignál fotonok, amelyek párkeltő kristálynál a képen felfelé térnek ki - ezek a lefelé kitérő, szintén kékkel jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalokat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy az alsó résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül

3) A vörössel jelzett idler (másoló) fotonok, amelyek a párkeltő kristálynál a képen lefelé térnek ki - ezek a felfelé kitérő, szintén pirossal jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalokat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy a felső résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül

4) A kékkel jelzett idler (másoló) fotonok, amelyek a párkeltő kristálynál a képen lefelé térnek ki - ezek a felfelé kitérő, szintén kékkel jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalokat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy az alsó résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül

Megjegyzés - A szignál, és az idler ("másoló") elnevezések egyébként tetszőlegesen felcserélhetőek lennének, tekintve, hogy az összefonódott ikerpárok között nincs, és nem is lehet különbség; csupán arra kell vigyáznunk, hogyha egyszer elneveztük őket, akkor következetesen ragaszkodjunk az elnevezéseikhez a kísérlet során.

A kísérleti apparátusnak a kép felső részén látható elemeinek a megértése egyszerűbb, ezért kezdjük a folyamat értelmezését is ezzel. Itt azt láthatjuk, hogy egy lencse segítségével a vörös és kék virtuális útvonalú (szignál) fotonokat egy lencse segítségével rekombináljuk, majd egy detektor-képernyőre vetítjük; volatképpen egy feltétel nélküli kvantumradírt hozunk így létre, amely eltörli a "melyik-rés" útvonal-információját. Így a kísérleti apparátus ezen része önmagában meghagyja a hullámfügvény teljes szabadságát, és ha semmi ettől eltérőnem történik a részecskék ikertestvéreivel (az idlerekkel, vagyis a "másoló" fotonokkal) az apparátus többi részében, akkor a detektor-ernyőn interferencia-kép kialakulására számíthatunk.

Másképp fogalmazva, ha az idler ("másoló") ikertestvéreket is rekombináljuk egymással, és nem próbáljuk meg kitalálni azok útvonalát, akkor a szignál fotonok találkozási helyén mindenképpen tiszta és zavartalan interferencia-képet kell, hogy kapjunk. Ez kísérletileg igazoltan pontosan így is történik; ha a kép alsó részén található tükör-rendszer úgy lenne kialakítva, hogy soha ne lehessen ott sem eldönteni, melyik útvonalon érkezett az észlelt foton, akkor felül mindig meg is maradna a hullámzó interferencia.

Ha viszont a képen alsó tükör-rendszer úgy lenne kialakítva, hogy a "melyik-útvonal" (melyik-rés) információ mindig kinyerhető lenne az ott lévő detektorok segítségével, akkor az törvényszerűen összeomlasztaná felül is a "szignál" fotonok interferencia-képét - mivel a szignál fotonok kényszerkapcsolatban vannak idler ("másoló") ikertestvéreikkel, és ha az ő útvonalukat megismerjük, az nyilván azt jelenti, hogy a szignálok útvonalát is megtujuk abban a pillanatban.

 

Úgy is fogalmazhatunk, hogy a felső detektor-ernyőn megjelenő (vagy összeomló) interferencia-kép épsége kizárólag attól függ, hogy mit csinálunk, vagy mi történik a másoló (idler) ikertestvéreikkel az apparátus további részeiben.

A kísérleti apparátus alsó része kicsit bonyolultabbnak tűnik, de valójában igen egyszerű. Van benne egy prizma, két fix tükör (Ma és Mb, ezek nem csinálnak semmit, csak visszatükrözik a fotonokat), van benne 3 darab félig áteresztő tükör (Beamsplitter - BSa, BSb, BSc - ezek teljesen véletlenszerűen vagy átengedik, vagy visszatükrözik a fotonokat, 50-50%-os eséllyel), és van négy detektor-ernyő.

A legegyszerűbben úgy tudjuk megérteni az apparátus működését, ha végigkövetjük a másoló (idler) foton-ikerpárok útját. Először is, egy prizma szétválasztja a vörös és kék jelzésű, párhuzamosan egymás mellett haladó másoló (idler) fotonokat, hogy más-más utat járhassanak be.

 

 

A vörössel jelzett fotonok ezután a BSb félig áteresztő tükör segítségével 50-50 %-os eséllyel vagy rögtön a D4 detektor-ernyőre vetülnek, vagy továbbhaladnak, és az Mb tükörről a BSc félig áteresztő tükörre vetülve megint 50-50 %-os eséllyel juthatnak a D1 vagy a D2 detektor-ernyőre.

A kékkel jelzett fotonok ugyanekkor a BSa félig áteresztőtükör segítségével 50-50 %-os eséllyel vagy rögtön a D3 detektor-ernyőre vetülnek, vagy továbbhaladnak, és az Ma tükörről a BSc félig áteresztő tükörre vetülve szintén 50-50 %-os eséllyel juthatnak a D1 vagy a D2 detektor-ernyőre.

Amennyiben a D3 vagy a D4 detektor-ernyőn érzékelünk egy fotont, akkor ezzel egyértelműen megismertük az eredeti foton útját is (tehát, hogy az alsó vagy a felső résen lépett be eredetileg) - és mivel a másoló fotonok kényszerkapcsolatban vannak a szignál ikerpárjaikkal, ez törvényszerűen összeomlasztja a kép felső részén a D0 detektor-ernyőn is az interferenciaképet.

Ha viszont a D1 vagy D2 detekor-ernyőn tapasztaljuk a foton beérkezését, akkor az égvilágon semmit nem tudtunk meg az eredeti foton útjáról - hiszen a D1, ill. a D2 detektor-ernyőre mindkét nyílásból (résből) származó foton éppúgy érkezhetett a tükrök útvonal-kialakítása miatt. Másképp fogalmazva, a D1 ill. D2 detektor-ernyő nem árulja el a "melyik-út" információt; azt a tükrök trükkös elrendezése " eltörölte". Így a kísérleti apparátus alsó része is "kvantumradírként" funkcionál, mindek követkztében a felső, "szignál" interferencia-kép érintetlen marad.

A kép jobb szélén található az "Egybeesési számláló", ami voltaképpen összepárosítja egymással az egyes deketor-ernyőkön érzékelt fotonok megjelenését és pozícióját, hogy a végén - sok száz, vagy sokezer ismétlés után - statisztikailag ki lehessen értékelni a kísérletet.

Mire számítunk az eddigiek alapján?

Arra, hogy ha külön-külön megvizsgáljuk a D0 detektor-ernyő által rögzített fotonok képét külön-külön kigyűjtve és összegezve a becsapódások helyét mind a 4 lehetőségre nézve (tehát különválasztva azon 4 esetet, amikor a másoló, "idler" fotonpárok a kép alsó részén a D1, D2, D3 vagy D4 detektor-ernyők valamelyikére vetültek), akkor a D1-es és D2-es ernyőn történő idler-észlelések esetbén D0 ernyőn interferencia-képet kapunk (hiszen ha D1-ben vagy D2-ben észleltük a foton-pár ikertestvérét, akkor ebből nem tudtuk meg az útvonal-információt), míg a D3 és D4-es ernyőn történő idler-észlelések esetén összeomlott interferencia-képet kell hogy lássunk (hullámzó csíkok nélkül, hiszen "megtudtuk" az eredeti foton útját, így az elvesztette hullámfüggvényének szabadságát). Erre számítunk tehát, ez a matematikai predikció.

Szemléletesen -

És pontosan ez történik. Nem is ez az igazán érdekes ebben a kísérletben, és nem is ezért építették meg ezt a bonyolultnak tűnőapparátust. Van egy rejtett, direkt trükk, amit elsőre talán nem vettünk észre, pedig szándékosan alakították így ki az elrendezést a kutatók.

Ami igazán figyelemre méltó, és lenyűgöző is egyben, hogy a szignál, és az őket másoló ("idler") ikertestvéreik optikailag nem azonos hosszúságú utat kell, hogy megtegyenek, mielőtt a detektor-ernyőiket elérik. Sőt - a "szignál" fotonok, amelyek a D0 (vizsgált) detektor-ernyőre vetülnek, sokkal előbb kell, hogy odaérjenek végcéljukhoz, mint az őket másoló, velük összefonódott ikertestvéreik, a másoló "idlerek".

Vagyis a szignál fotonok már réges-régen becsapódtak a D0 képernyőbe, amikor az idler-ek még el sem kezdték csapongó útjukat az alsó részben található tükrök labirintusában.

Most kell, hogy észrevegyük a látszólagos paradaxont - A D0 detektor-képernyőn kialakuló mintázat attól függ, hogy mi történik a másoló (idler) párokkal jóval később. Dehát a D0 ernyőn már megtörtént az észlelés! Hogyan befolyásolhatná egy későbbi esemény a D0 ernyőn már jól meghatározható helyen rögzített becsapódás pozícióját?

Ráadásul semmi sem akadályozza meg azt, hogy a kép alsó részén található teljes tükörrendszert a detektorokkal együtt nagyon-nagyon messzire (akár üvegszálas, optikai kábelen a Föld másik felére, a Holdra vagy a Marsra, vagy a világűr egy távoli pontjára) elvigyük. Az eredmény mégis ugyanaz lesz, és ez tényleg nem kevésbé elképesztő.

Úgy tűnik, hogy egy későbbi esemény befolyásolja azt, ami már korábban megtörténik - és ez, valljuk be, igencsak paradox és észbontó felismerés is egyben. Lehetséges ez? Mármint, azon kívül, hogy bizonyítottan megtörténik?

A válasz vélhetően az, hogy igen - már csak azért is mert a kísérlet megismételhető, és sokan meg is ismételték. A következtetés elkerülhetetlennek tűnik - ez az (észbontó)kísérlet a jövőbe (lagalábbis a saját jövőjébe)lát.

 

 

Igaz, hogy csak néhány milliárdod másodperccel előre; és az is, hogy a jövőnek csak egy nagyon erősen behatárolható részébe tekinthet bele (a fénykúp hiperfelszínén zajló eseményekbe), de mégis, az elv megvalósul. És hogy miért nem ismerték ezt fel a döbbenetes tényt a tudósok, akik a kísérletet végezték? És miért nem lett ez azonnal világszenzáció?

 

Nos, a tudósok felismerték. Világszenzáció azért nem lett, mert a kísérletet végzők azt is bemutatták, hogy - legalábbis ebben az elrendezésben - a D0 ernyőn megjelenő, a jövőre vonatkozó információt az össze-vissza becsapódó fotonok kvantum-zajából csak akkor lehet kiszűrni, ha előbb kielemezzük az "egybeesési számláló" adatait, azt viszont csak utólag tehetjük meg. Másképp fogalmazva - az információ a jövőről megjelenik ugyan, de a kvantum-káosz megfejthetetlenül bonyolult mintázataiba rejtőzik előlünk.

Megjegyzés- A kísérlettel kapcsolatos félreértések többségét az okozza, hogy nagyon sokan úgy értelmezik a történteket, hogy a jövőbeli esemény (az idler fotonok jövője) visszamenőleg megváltoztatja a múltat (vagyis a D0 ernyőn már megtörtént és rögzített szignál fotonok becsapódás helyét). Rendkívül fontos még egyszer kihangsúlyoznunk, hogy nem ez történik. A jövő nem megváltoztatja, hanem a jelennel együtt befolyásolja és alakítja ki hogy mi történhet a D0 ernyőn és a másoló (idler) fotonnal, amelyek egymás ikerpárjaiként kényszerkapcsolatban vannak; téren és időn át, a dimenzionális távolságoktól teljesen függetlenül. Talán csak annyit kell finomítanunk az értelmezésen, mint amennyit a Wheeler-féle intergalaktikus késleltetett kvantumradír-kísérletnél is tettünk; Ahelyett, hogy kijelentenénk, hogy a jövő okozza a múltat (amit paradox retrokauzalitásnak is hiheténk), inkább úgy fogalmazunk, hogy a jelenből éppúgy következik a jövő, mint fordítva; implikáció helyett ekvivalenciával állunk szemben.

Ez tehát nem paradaxon, mégis egy rendkívüli következményekkel járó felismerés, melynek világképükre gyakorolt hatása ma még szinte fel sem mérhető. Mindazonáltal szinte határtalan lehetőségekkel kecsegtet a távérzékelés, és a fénysebességnél gyorsabb kommunikáció megvalósítása terén. Mindezekre építve a következő, saját kísérleteket javasoljuk nemzetközi megjelenésre szánt, angol nylvű cikkünkben is. A lényeget természetesen (képletektől, bonyolult kvantumfizikai hivatkozásoktól és rövidítésektől menetesen) magyarul is összefoglaljuk érdeklődő olvasóink számára. (Az ábrákat csak angolul készítettük el, így azokat külön feliratozzuk a képek alatt)