Wprawdzie są fizycy ,całkiem poważni ,którzy powątpiewają czy fotony naprawdę istnieją, to jednak zarówno im , jak i pozostałym, a zwłaszcza fizykom - doświadczalnikom, nie przeszkadza to wcale zajmować się fotonami, a nawet czerpać niezłe zyski z tego zajęcia.
Niedawno wpadła mi do rąk fascynująca książka ,w której kilkudziesięciu niezłych optyków kwantowych ,zatrudnionych w laboratoriach o światowej renomie, po ostrej dyskusji nad naturą fotonów (pokłosie światowego kongresu) zgodnie jednak oświadczyło ,że ogromne sukcesy techniczne w tej dziedzinie dowodzą, iż coś takiego jak fotonowa (kwantowa ) teoria światła, to bardzo dobrze zweryfikowana teoria fizyki [1].
Wobec tego opiszę pierwszy eksperyment dotyczący natury fotonu nie mający nic wspólnego z fotoefektem, zjawiskiem znanym od 100 lat i wałkowanym w każdej szkole średniej.Dowodzić, za pomocą fotoefektu, że światło ma naturę kwantową, to poruszać się w fizyce sprzed 100 laty !
Posłuchajmy, co opowiada współczesna dziedzina nauki będąca splotem informatyki kwantowej i optyki kwantowej o fotonach ,paradoksalnych i zagadkowych obiektach, w świecie których wszystko jest zanurzone. Wszak “wszechświat jest utkany ze światła” (W.Bragg).
Użyjemy prostego instrumentu: półprzepuszczalnego lustra. Patrząc w takie lustro widzimy własny ,odbity obraz twarzy i to, co jest za lustrem.
Wiązka światła padająca na półprzepuszczalne lusterko rozdziela się na dwie: jedną odbitą i drugą przepuszczoną. Mają one jednakowe natężenie.
Rys.1.
Na rys. 1 źródłem fotonu jest pojedyncza emisja atomowa. Dwa fotopowielacze P(1) oraz P(2) będą rejestrowały obecność fotonu. Wynik eksperymentu:
Obydwa fotopowielacze nigdy nie zadziałają jednocześnie !
Zachowują się więc tak jakby cały foton, albo przechodził ,albo odbijał się od lustra SST.
Z punktu widzenia falowej natury światła wynik jest absurdalny ! Albowiem część energii fali padającej na SST, a dokładnie połowa, powinna ulec odbiciu i pobiec drogą r, a druga połowa energii fali powinna pobiec drogą t i obydwie części jednocześnie powinny być zarejestrowane przez obydwa fotopowielacze.
Jednak powyższe, w takim urządzeniu, nigdy nie jest potwierdzone eksperymentalnie !
Foton jest bytem niepodzielnym podczas padania na lustro półprzepuszczalne!
Zjawisko z fotonami padającymi na lustro półprzepuszczalne jest podobne do rzutu monetą: zawsze otrzymujemy, albo reszkę albo orła a nie: trochę orła i trochę reszki, lub zawsze orła albo zawsze reszkę.
Powtarzając ten eksperyment wiele razy zauważymy, że mniej więcej połowa fotonów się odbije, a połowa zostanie przepuszczona. Tak więc:
Zachowanie każdego pojedynczego fotonu jest przypadkowe !
Możemy jedynie określić prawdopodobieństwo tych zdarzeń (jest równe w tym przypadku).Zabawa z fotonem jest zabawą jednobitową. Podobnie jak rzut monetą: do opisania danego rezultatu wystarcza nam jedna cyfra np. 1 lub 0.
Grę statystyczną “orzeł-reszka (wygrywa lub przegrywa) możemy skomplikować i pokazać grę w dwie monety, czyli w dwa fotony.
Na rys 2. pokazano jak zrobić, by na lustro półprzepuszczalne jednocześnie padały dwa fotony.
Rys.2.
Źródło KFP emituje jednocześnie dwa jednakowe (co do energii) fotony które padają jednocześnie na dwa zwierciadła M(1) ,M(2) ,odbijają się od nich i jednocześnie trafiają na lustro półprzepuszczalne M(3).Każdy foton ma 50% szans na przejście i tyle samo szans na odbicie. Fotony mogą osiągnąć detektor na cztery różne sposoby:
-obydwa mogą być przepuszczone
-obydwa mogą być odbite, oraz
-dwa sposoby, w których jeden foton zostaje odbity a drugi przepuszczony.
Po raz pierwszy taki eksperyment wykonano w Rochester (USA) w 1987 roku, wynik był szokujący:
Nie stwierdzono jednocześnie pojedynczego fotonu w każdym z detektorów !
Gdybyśmy coś takiego stwierdzili podczas jednoczesnego rzutu dwoma monetami ,zażądalibyśmy zbadanie monet, albo w ogóle zakwestionowalibyśmy rzetelność tej gry.
Tymczasem gdy wyrzucamy jednocześnie dwa fotony, to dzieje się coś dziwnego !
QM wyjaśnia: z każdym fotonem związana jest fala prawdopodobieństwa “psi”. Kwadrat amplitudy tej fali “psi” daje prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia w detektorze (obecność fotonu/nieobecność fotonu).Amplitudy prawdopodobieństw – w przeciwieństwie do samych prawdopodobieństw – nie muszą być liczbami dodatnimi.
Amplitudę prawdopodobieństwa dla odbicia możemy określić jako ½ ,to amplituda zjawiska przeciwnego – przejście, będzie wynosiła
– ½.Wprowadzamy więc ujemne prawdopodobieństwo ,czego w statystyce matematycznej nie ma ! W QM nie dodajemy prawdopodobieństw tylko amplitudy, czyli mogą one czasami się znosić(gdy są równe a różnią się tylko znakiem).
W kwantowej grze dwoma fotonami występują tylko dwa prawdopodobne wyniki: OO, RR (dwa orły, dwie reszki).Ta gra jest dwubitowa : do opisania danego rezultatu potrzebne są dwie cyfry.
Dla zaznaczenia tej różnicy, w informatyce kwantowej wprowadza się określenie “qubit”, oznacza on rezultat kwantowego (a nie – klasycznego)zdarzenia losowego.
Przejdę teraz do trochę innego eksperymentu z głębokim przeświadczeniem , iż światło to na pewno fotony. Trwajmy przy nim uparcie.Namawiam.
Rys.3
Na rys 3. wiązka światła (rój fotonów) pada na półprzepuszczalne lustro SST i rozdziela się na dwie części: odbita pod drodze r dociera do S(2),i odbija się. Druga część przepuszczona dociera do S(1) i odbija się. Odbite ponownie przechodzą przez SST i połówki(czyli teraz już ćwiartki wejściowego natężenia) docierają do detektora P i jeśli jest tam klisza fotograficzna, to otrzymujemy obraz interferencyjny !
Są miejsca gdzie w ogóle nie ma światła(czarne prążki) i miejsca gdzie intensywność światła była maksymalna (jasne prążki). Gdzie więc podziały się fotony? Interferencji podlegają tylko fale.
A jeśli strzelimy pojedynczymi fotonami lub nawet jednym fotonem, to umieszczony w P fotopowielacz rejestruje pojedyncze fotony w tych miejscach, gdzie występowały interferencyjne prążki jasne ! Nie będzie fotonu tam gdzie brak było jasnego prążka.
Pojedynczy foton interferuje sam z sobą !
Podsumujmy.
W przyrządzie pokazanym na rys.1 foton jest bytem nie podzielnym .
W przyrządzie pokazanym na rys. 3 ,foton dzieli się na części i interferuje sam z sobą !
Eksperymenty fizyczne to pytania postawione przyrodzie. Nasze pytanie brzmi:
Na czym polega oddziaływanie pojedynczego fotonu z lustrem półprzepuszczalnym ?
Dostajemy dwie odpowiedzi:
- foton jest zawsze cały odbity lub cały przepuszczony(rys.1)
- foton jest w części odbity i w części przepuszczony( rys.3).
Te dwie odpowiedzi, sprzeczne ze sobą, są istotą dualności natury światła.
Ta dualność zaprowadzi nas w obszary jeszcze bardziej niesamowitych zagadek z fotonami, gdy połączymy obydwa zestawy eksperymentalne w jeden przyrząd.
Dostajemy w ten sposób interferometr Macha-Zehndera (rys.4),podstawowy instrument optyki kwantowej, oraz informatyki kwantowej.
Rys.4.
Lewa część interferometru M-Z, jeśli nie wstawimy w obszar RSR lustra półprzepuszczalnego SST(2) wypuszcza fotony jako byty odrębne, a prawa część interferometru [po wstawieniu SST(2) ] wypuszcza interferujące fale świetlne.
W obszarze AB (środek czworokąta) mamy fotony, w obszarze zaś pomiędzy P(1) i P(2) mamy fale. Jeśli wstawimy SST(2) to foton zachowuje się jak fala, jeśli nie wstawimy- to jako cząstka.
Jeśli odległość pomiędzy SST(1) i SST(2) wynosi np. kilka kilometrów (eksperyment zrealizowany przez zespół Zeilnigera)), to wstawienie SST(2) powoduje zmianę tego, co się stało w przeszłości na SST(1)!
Obszar gdzie działa SST(1) był wypełniony fotonami ,a gdy my w czasie ich lotu od SST(1) do obszaru RSR wstawiamy lustro SST(2),to zmieniamy fotony na fale !
W czasoprzestrzeni objętej energią świetlną może nastąpić odwrócenie stosunku pomiędzy przyczyną, a skutkiem. To co realnie zaistniało ze światłem w przeszłości ,może być zmienione przez wybór czegoś w teraźniejszości lub dalekiej przyszłości.
W oceanie światła, w cielesności zwanej energią promienistą aktualny stan układu fizycznego może zależeć od przyszłych pomiarów!
Przyszłość w świetle ,decyduje o dniu dzisiejszym lub o dniu wczorajszym w świetle!
Lub jeszcze inaczej:
w polu energii świetlnej sekwencja czasowa traci sens jednoznaczności.
“Żadne zjawisko kwantowe nie jest zjawiskiem, zanim nie stanie się zjawiskiem zarejestrowanym(zaobserwowanym)”.[J.Wheeler]
Nauka mierzalna, nauka trzymająca się twardego gruntu racjonalności i empirycznej weryfikalności ,jaką jest fizyka ,w swym oszałamiającym rozwoju dotarła do tego miejsca ,w którym od dawna, to jest od czasów szkoły Chartres, lub doświadczeń mistycznych Hildegardy z Bingen, jest teologia światła, jako fenomenu duchowego.
Literatura
[1] C. Roychoudhuri, A. F. Kracklauer, and K. Creath (eds.), The Nature of Light. What is a Photon?,London,2008
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Kultura
