Fizyka kwantowa przyzwyczaiła nas już do tego, że chociaż jest szalona, to jednak bardzo użyteczna, bo bez wynikających z niej efektów nie mogłaby działać większość urządzeń niezbędnych dla naszej współczesnej cywilizacji, od układów scalonych, przez tomografy, lasery aż po komputery kwantowe oraz kwantową kryptografię.
Od dekad stanowi ona już tylko przedmiot zainteresowania wąskiej grupy akademików, też element powszechnej technologii i kultury. Nie dziwi nas już zatem niedeterministyczne zachowanie kwantowych układów, czy dwoista korpuskularno-falowa natura fotonów. Co jakiś czas pojawiają się jednak pomysły kolejnych eksperymentów, które dobitnie pokazują, że postrzegana z poziomu mikrocząstek rzeczywistość nie istnieje w sposób, w jaki przyzwyczailiśmy się myśleć na temat jabłek, szklanek i książek, i że cały świat może nie być tak naprawdę wcale tym, za co go bierzemy.
Pomiar bezdotykowy i pomiar bezkontaktowy
Jednym z problemów każdego pomiaru jest fakt, że miernik narusza zawsze w jakimś stopniu stan mierzonego obiektu. Dzieje się tak zarówno w makroświecie, czego dobrym przykładem jest stopniowe zużywanie i niszczenie klasycznych winylowych płyt muzycznych, jak też i zmora badaczy cząstek elementarnych, czyli fakt, że chcąc dowiedzieć się czegoś na temat ich położenia i prędkości, musimy uderzyć w nią jakąś inną cząstką, co siłą rzeczy zmienić musi właśnie jej położenie lub prędkość. W skali makro udało nam się ten problem w dużej mierze rozwiązać za pomocą pomiarów bezdotykowych, zastępując duże, mechaniczne czujniki pakietem fotonów. Istnieją jednak również takie konteksty, w których nawet badanie przeprowadzone za pomocą fotonów nie pozostaje bez wpływu na badany przedmiot lub osobę. Z sytuacją taką mamy do czynienia na przykład w przypadku prześwietleń rentgenowskich, które chociaż są ogromnym wsparciem dla diagnostyki medycznej, to stanowią jednocześnie potencjalne zagrożenie dla zdrowia pacjenta i muszą być stosowane z umiarem.
Czy dałoby się zatem przeprowadzić pomiar prawdziwie bezkontaktowy, bez jakiejkolwiek ingerencji w badany układ, a jednocześnie przynoszący nam informację na temat jego stanu? Okazuje się, że tak, a w każdym razie da się taki pomiar przeprowadzić (jak to zwykle bywa w przypadku fizyki kwantowej) z pewnym statystycznie określonym prawdopodobieństwem.
Zobaczyć bez patrzenia
Avshalom Elitzur oraz Lev Vaidman przedstawili w roku 1991 teoretyczny pomysł eksperymentu, który kilka lat później został praktycznie przeprowadzony przez innych badaczy. Ich oryginalny koncept brzmi nieco zabawnie, przedstawia bowiem metodę testowania sprawności zbioru bomb, których wybuch inicjowany jest za pomocą czujnika optycznego. Wadliwe bomby pozbawione są takiego czujnika, nie będą zatem w żaden sposób zakłócać sposobu poruszania się fotonów. Zaprojektowany do tego celu układ pomiarowy pozwala na wykrycie obecności czujnika stojącego na drodze cząstki za pomocą fotonu, który nie tylko nie wchodzi w fizyczną interakcję z przeszkodą, ale nawet nie porusza się po trajektorii przebiegającej w jej pobliżu. W praktyce stanowi on pewną wariację klasycznego eksperymentu ze światłem przechodzącym przez dwie szczeliny, które tworzy następnie na ekranie za przeszkodą prążki interferencyjne, które powstawać będą nawet, jeśli każdy z fotonów wypuszczać będziemy pojedynczo oraz zanikną, jeśli zasłonimy jedną ze szczelin.
W omawianym przez nas „testerze bomb” foton przechodzi jednak przez zwierciadło półprzepuszczalne, następnie zaś przez system luster, by następnie interferować samemu ze sobą na kolejnym zwierciadle półprzepuszczalnym, zaś ostateczny efekt owej interferencji rejestrowany jest przez układ detektorów. W swojej oryginalnej postaci system taki dawał 33% szans, na wykrycie obecności sprawnej bomby przez foton, który na lustrze półprzepuszczalnym wybierze tą z dwóch możliwych dróg lotu, na której nie znajduje się żadna bomba (a zatem nie aktywuje jej wyzwalacza), następnie zaś dostarczy nam informacji o tym, iż ma ona sprawny wyzwalacz, dzięki temu, że stanął on na drodze fali prawdopodobieństwa, powodując, iż finalna autointerferencja fotonu nie mogła nastąpić. Skuteczność na poziomie 33% nie robi być może wielkiego wrażenia, wynika ona jednak z demonstracyjnej natury układu, który miał być prosty i czytelnie prezentować określone zjawisko. Zaproponowano jednak również takie, znacznie bardziej złożone, wersje całego systemu, w których skuteczność pomiarów bezkontaktowych dochodzi niemal do 100%.
Układ taki pozwalałby przykładowo badać stan ludzkich tkanek za pomocą niebezpiecznych fotonów gamma, z których jednak prawie żaden nie przelatywałby faktycznie przez nasz organizm. Prześwietlenie takie byłoby równie skuteczne, wywoływałoby jednak nieporównywalnie mniejsze szkody.
Interpretacyjna klęska urodzaju
Problemem (jak w całej fizyce kwantowej) pozostaje jednak interpretacja całego zjawiska. Czy fala prawdopodobieństwa istnieje fizycznie czy stanowi jedynie użyteczną koncepcję matematyczną? A może prawdę stanowi nadświetlna fala pilotująca cząstki zaproponowana przez Louisa de Broglie? Albo jeszcze bardziej szalona koncepcja rozgałęziających się wieloświatów Hugha Everetta? Prawda jest taka, że chociaż potrafimy obliczyć i statystycznie przewidzieć zachowanie cząstki na opisanym tu stole badawczym, to nie mamy pojęcia, co tak naprawdę się na nim dzieje.
Mira Żmijewska
