Wymazywacz kwantowy
Nie sposób objaśnić na kilku stronach tę absolutną niesamowitość mechaniki kwantowej. Dość powiedzieć, że mocno wierzę, iż dzięki tej gałęzi nauki zajmującej się badaniem zachowania się materii i energii na poziomie subatomowym osiągnęliśmy istotny punkt zwrotny. Po raz pierwszy natknęliśmy się na obszar Wszechświata, do którego zrozumienia nasze mózgi nie są po prostu odpowiednio wyposażone. Nawet jeśli potrafimy przewidzieć wyniki doświadczeń z dokładnością do dziesiątek miejsc po przecinku, nie możemy sobie wyobrazić, co dzieje się we wnętrzu atomu. Dla większości ludzi (nie wyłączając mnie) stanowi to nieco niepokojący stan rzeczy. I, muszę to z przykrością stwierdzić, pewne eksperymenty, jakie rysują się na horyzoncie, mogą stan ten jeszcze pogorszyć.
Trochę podstaw. W naszym codziennym świecie przyzwyczajeni jesteśmy do rzeczy będących albo cząstkami (jak piłki do tenisa), albo falami (fale morskie na plaży). Przyzwyczajeni jesteśmy do rzeczy mających określone położenie – one tam są albo ich tam nie ma. Lecz zasady te nie obowiązują w świecie kwantowym. Podręcznikowym sposobem na wyjaśnienie tego jest opowiadanie o czymś zwanym „doświadczeniem z dwiema szczelinami”. Wyobraźmy sobie ściankę z dwiema równoległymi poziomymi szczelinami. Jeżeli w ściankę uderzać będą cząstki, niektóre z nich zaczną gromadzić się za szczelinami w kopczyki. Gdy na ścianę padną fale, ujrzymy za ścianą występujące na przemian obszary wysokiej fali i obszary zupełnie bez fal, powstające w wyniku przejścia przez obie szczeliny fal, które albo się wzmocniły, albo wygasiły nawzajem. Zatem w naszym codziennym świecie łatwo można odróżnić cząstki od fal – wystarczy rzucić coś na podwójną szczelinę i zobaczyć, co się stanie. Jeśli otrzymamy wzór w paski – są to fale. Jeżeli coś innego – są to cząstki.
Opowiem teraz, co dzieje się w świecie kwantowym. Załóżmy, że oświetlamy podwójną szczelinę wiązką elektronów w taki sposób, że naraz przechodzi tylko jeden elektron. Każdy elektron będzie trafiał w określone miejsce po drugiej stronie szczelin, tak jak piłka tenisowa. Lecz jeśli operację wypuszczania pojedynczych elektronów przez szczeliny i rejestrowania miejsca trafień powtórzymy wiele razy, odkryjemy, że elektrony zbierają się w paski odpowiadające wzmocnionym falom i żaden elektron nie trafia w miejsca wzajemnego wygaszania się fal.
Nie próbujmy wyobrażać sobie, jak to się dzieje w pojęciach zwyczajnych obiektów – to do niczego dobrego nie prowadzi. Trzeba po prostu uwierzyć na słowo, że mechanika kwantowa przewiduje ten wynik dokładnie, bez potrzeby niepokojenia się o to, skąd elektron „wie”, co zrobią inne elektrony, gdy przejdą przez szczeliny. Mamy tu do czynienia z faktem, że obiekty na poziomie kwantowym nie są ani cząstkami, ani falami w sensie klasycznym, lecz czymś innym, co ma własności obydwu. W tym doświadczeniu elektrony ukazują swoje cechy falowe, „wyczuwając” obydwie szczeliny w tym samym czasie, natomiast własności cząstek – pojawiając się w określonym miejscu po drugiej stronie. Jeśli jednak w pobliżu szczelin umieścimy detektory, chcąc dowiedzieć się, przez którą szczelinę przeszedł elektron, odkryjemy, że ta czynność zmienia jego zachowanie i paskowany wzór znika.
Chociaż doświadczenia te wykonywane były dziesiątki lat temu, ciągle dręczy nas myśl o tym, że świat kwantowy jest tak odmienny od naszego. I właśnie teraz grupa naukowców z Monachium przygotowuje wysoce zaawansowaną technicznie wersję doświadczenia z dwiema szczelinami, z którym naszej intuicji będzie się jeszcze trudniej zgodzić. Będziemy tu mieć do czynienia nie z elektronami, lecz z atomami, a przed każdą szczeliną umieszczone będą laser i pudełko. Laser „połaskocze” atom w ten sposób, że spowoduje przestawienie jego elektronów, ale nie zmieni właściwości falowo-cząstkowych atomu jako całości. W wyniku tego atom pozostawi po sobie w pudełku pewną ilość promieniowania mikrofalowego znaczącego jego drogę, a następnie przejdzie przez szczelinę i pojawi się po drugiej stronie.
Przewidywane przez mechanikę kwantową wyniki są następujące: jeśli doświadczenie zostanie wykonane z wyłączonymi laserami, zobaczymy falową strukturę paskową opisanego rodzaju, jeżeli zaś wykonane będzie z włączonymi laserami, tak że będziemy mogli stwierdzić, przez którą szczelinę atom przeszedł, struktura paskowa zniknie i ujrzymy wzór charakterystyczny dla cząstek. W rezultacie fakt, że atomy pozostawiły mikrofalowe wizytówki i my je zmierzyliśmy, „zamraża” atom w jego „cząstkopodobnym” stanie. Lecz tu niespodzianka. Załóżmy, że robimy to doświadczenie atom po atomie, ale po przejściu każdego z nich przez szczelinę otwieramy barierki między dwoma pudełkami tak, aby promieniowanie mikrofalowe mogło się znaleźć w dowolnym z nich. Innymi słowy, przyjmijmy, że „kasujemy” zapis informujący nas, przez którą szczelinę przeszedł atom. Wówczas mechanika kwantowa przewiduje, że otrzymamy paskową strukturę charakterystyczną dla fal nawet wtedy, gdy otworzymy barierkę dla każdego atomu już po tym, gdy atom dotarł na drugą stronę szczelin i został zarejestrowany!
Przewidywanie to jest tak absurdalne, że niektórzy fizycy denerwują się, mówiąc o tym („czarna magia” jest jednym z łagodniejszych epitetów, jakie słyszałem). Dlaczego reagują oni tak gwałtownie? Dlaczego natura powinna robić wrażenie „racjonalnej”? Czy nie jesteśmy mimo wszystko jedynie naczelnymi, które przyszły na gotowe do Wszechświata istniejącego już od miliardów lat, zanim nasi przodkowie zeszli z drzew w Afryce? Natura nie jest ani racjonalna, ani nieracjonalna – ona po prostu jest. I spodziewam się, że w następnej dekadzie kwantowy wymazywacz utrze nam w tym względzie nosa jeszcze nieraz.