Wśród tajemnic światła(2). W świetle nie ma czasoprzestrzeni.

Optyka klasyczna opisuje światło, jako falowanie pola elektromagnetycznego w naszej czasoprzestrzeni, czyli w czasie i przestrzeni ,których obecność rejestrują nasze zmysły.Mówienie w optyce klasycznej o wewnętrznych własnościach światła ,natychmiast wprowadza nas w elektrodynamikę klasyczną, dla której czas i przestrzeń oczywiście istnieją ,ale są relatywistyczne. 

Optyka kwantowa ze swoim fundamentalnym pojęciem fotonu/kwantu[*],mówi o świetle w naszej czasoprzestrzeni , raz tylko jeden : wtedy gdy światło oddziałuje z materią/substancją w aktach emisji i absorpcji fotonu/kwantu, przez atomy, lub molekuły, tworzące substancję.Poza tymi aktami, fotony/kwanty są nieuchwytne,a więc - w ogóle niewiadomo, czy istnieją w naszej czasoprzestrzeni.

Optyka kwantowa odsłania nam świat wewnętrzny światła dzięki laserom,wielu fizyków posługuje się nawet terminem fizyka laserowa i twierdzi,że już niedługo tylko taka fizyka będzie znana i stosowana.

 .Tym, który przeczuł pojawienie się fizyki laserowej, był John Archibald Wheeler i już w latach 70-tych ub.w. roku - wzorując się na Albercie Einsteinie w SR(Special Relativity) - rozpoczął studyjne opracowanie "eksperymentów pomyślanych" (Gedanken Experimente-GE) w optyce kwantowej.

J.A.Wheeler (1911-2008),źródło:wiki.eng.

Pierwszym był (w roku 1978)jego "eksperyment z opóźnionym wyborem" (Wheeler's delayed-choice experiment ),który pokazał zaskoczonym fizykom, że w kwantowym świecie czas ma inne własności, niż w świecie makroskopowym]1].

 Schemat ideowy tego GE przedstawiony jest na rys.1.Przyrządem jest niepełny interferometr Macha-Zehendera z jednym tylko zwierciadłem półprzepuszczalnym BS1.BS2 koloru zielonego nie ma.

rys.1 źródło:wiki.eng

I faza eksperymentu.

 Źródło z lewej strony, emituje pojedyncze fotony. Foton pada na zwierciadło BS1 i z jednakowym prawdopodobieństwem wybiera jedną z dwóch dróg [ path1,path2 ], trafiając na koniec, na jeden z dwóch detektorów [detectors],którymi mogą być np.fotopowielacze .

II faza eksperymentu.

Gdy foton już wybrał jedną z dróg na zwierciadle półprzepuszczalnym BS1 [pierwszym] i jest w drodze do któregoś detektora, wstawiamy drugie zwierciadło półprzepuszczalne BS2(prostokąt zielony), w miejscu gdzie spotykają się tory prawdopodobne fotonu. I co się okazuje?Teraz detektory wykazują interferencję ,czyli falową naturę fotonu, co świadczy, iż po wyjściu ze zwierciadła BS1 foton rozdzielił się na dwie części("paczki falowe"), które biegły dwiema drogami jednocześnie, czyli foton interferuje sam z sobą!.

"Opóźniony wybór"( delayed-choice experiment), polega na tym, że zwierciadło BS2 wstawiamy dużo później w stosunku do przejścia fotonu przez zwierciadło BS1.Foton już dawno wybrał jedną tylko drogę jako cząstka, a my wstawiając dopiero teraz zwierciadło BS2, powodujemy zmianę tego wyboru drogi ,działając w jego minionej przeszłości zwierciadłem półprzepuszczalnym BS2 !

Pomiar w teraźniejszości za pomocą BS2 zmienia przeszłość wydarzenia na BS1 !To tak, jakby przeszłość mogła być organizowana przez przyszłość. Jedna z wielu paradoksalnych własności fotonu: w jego wewnętrznej strukturze przeszłość i przyszłość są tożsame. Czas,oraz upływ czasu są poza światłem !W świetle tego nie ma !

J.A.Wheeler podał również wersję “ kosmiczną” eksperymentu z “opóźnionym wyborem”.Rzekomo dwa różne świecące obiekty na niebie zaobserwowane przez astronomów, oznakowane przez: QSO 0957 + 561 i nazywane "Kwazarami-Bliźniakami", okazały się być dwoma obrazami jednego i tego samego kwazara. Podwójny obraz jednego kwazara ,powstaje na skutek ugięcia światła biegnącego od kwazara , w pobliżu masywnej galaktyki, znajdującej się między kwazarem a Ziemią(rys.2).

rys.2  źródło: wiki.eng

 Jest to efekt przewidziany przez ogólną teorię względności Alberta Einsteina i opisałem go szczegółowo w jednym z dawnych artykułów pod tytułem: ”Podwójny pierścień Einsteina”.

Powstają dwa ugięte promienie, czyli fotony biegną po dwóch różnych drogach do Ziemi. Każdy foton po opuszczeniu kwazara i trafiający na przestrzeń w pobliżu masywnej galaktyki ,wybiera z jednakowym prawdopodobieństwem ugięcie i obejście galaktyki z jednej, lub z drugiej strony.Wheeler zauważył, że jest to identyczna sytuacja jaka występuje w fazie I w aparaturze M-Z z jednym zwierciadłem BS1.

rys.3 źródło: wiki.eng

Jeżeli teraz wstawimy przed okularem teleskopu na Ziemi(rys.3),zwierciadło BS2, to spowodujemy, że fotony, które opuściły kwazara i biegły obok masywnej galaktyki miliardy lat temu, będą przebiegać, po dwóch drogach naraz jako paczki falowe i po przybyciu na Ziemię dają interferencję.Oznacza to ,że jesteśmy w stanie wpływać dzisiaj na to, co działo się miliardy lat temu !

Wheeler napisał:

“jest błędem twierdzić ,że przeszłość już istnieje ,raz na zawsze w każdym szczególe. Przeszłość jest teorią. Przeszłość nie istnieje jeśli nie została zarejestrowana w teraźniejszości .przez wybór takiego a nie innego pomiaru i aparatury dzisiaj, decydujemy o tym co się wydarzyło w przeszłości. Zjawiska wywołane dzisiaj ,rozciągają się wstecz w czasie w zakresie swych konsekwencji”.

Eksperyment z “ opóźnionym wyborem”, którego schemat opracował J.A.Wheeler, jako pierwszy w historii fizyki, wynika logicznie z równania falowego E.Schroedingera.Równanie to, podobnie jak równanie falowe elektrodynamiki lub mechaniki klasycznej, jest symetryczne względem przekształcenia zwanego odwróceniem czasu. Ewolucja układu kwantowego w czasie, od dowolnego momentu o wartość "t" do przodu ,będzie równoważna ewolucji układu od tego momentu wstecz, o tę samą wartość "t".

Eksperyment z opóźnionym wyborem pokazuje, że sens pojęć przeszłość, teraźniejszość i przyszłość w mechanice kwantowej jest inny niż w fizyce klasycznej. Rzeczywistość kwantowa jest mieszanką możliwości w każdym czasie, a odpowiednia obserwacja wybiera taką, czy inną historię.

Wheelera eksperyment pomyślany, został kilkakrotnie zrealizowany technicznie, w różnych laboratoriach świata. Pierwszym,który go zrealizował, był zespół na uniwersytecie w Rochester (Anglia) kierowany przez L.Mandela w roku 1989[2],oraz ostatnim w roku 2006 w słynnym paryskim laboratorium optyki kwantowej Aspecta [3].Wyniki całej serii eksperymentów tego typu, oraz zacięte spory interpretacyjne(przypominające znane dyskusje nad Einsteina GE z dylatacją czasu lub skróceniem długości) opisane są w publikacji [4].

Ponad 40 lat prowadzonej dyskusji nad interpretacją "Wheelers delayed-choice experiment"skłania mnie nie do twierdzenia, że czas w świetle nie ma innych własności,lecz , że czasu w świetle nie ma !   Wcześniej Einstein udowodnił,że zegar umieszczony w promieniu światła (mający więc prędkość "c") nie wskazuje upływu czasu,nie oscyluje,nie mierzy czasu( bo tego czasu nie ma !).J

Jeżeli czasu nie ma ,to nie ma w promieniu światła ruchu,a w konsekwencji - przemieszczenia.Foton nie tylko nie doświadcza upływu czasu,także nie zmienia miejsca pobytu.Jest wszędzie,w każdym miejscu wszechświata, bo przestrzeń nie jest parametrem jego wewnętrznych procesów.

Kiedy fotony światła padającego na twoją dłoń, są absorbowane przez atomy substancji tworzących skórę,to występuje wówczas proces kontaktu dwóch wszechświatów:naszego wszechświata czasoprzestrzennego, z wszechświatem świetlnym bez czasoprzestrzeni. Jednak przejścia między nimi nie ma:obiekty zrodzone w jednym wszechświecie-giną w drugim.

___________

[*] Tekst dotyczy fotonów rzeczywistych i nie ma żadnej korelacji z fotonami wirtualnymi,które są konstruktami czysto matematycznymi teorii pól kwantowych.

Literatura

[1]J. A. Wheeler,The “Past” and the “Delayed-Choice” Experiment,In A. R. Marlow (ed.), Mathematical Foundations of Quantum Theory. Academic Press. pp. 30 (1978)

[2]Z.Y.Ou,L.Mandel,Further Evidence of Nonclassical Behavior in Optical Interference,Phys.Rev.Lett.62,291,1989

[3]Vincent Jacques and all,Experimental Realization of Wheeler's Delayed-Choice Gedanken Experiment, Science 16 Feb 2007, arXiv:quant-ph/0610241v1

[4] Delayed choice experiments and the Bohr-Einstein dialog,Conf.Amer.Phil.Soc. and Roy.Soc.,London,1980