A kétréses-kísérletről szóló cikksorozat 5. része
A két rés kísérlet legkülönösebb része nem ott kezdődik, amikor két nyílást készítünk a lemezre. A klasszikus részecskekép már egyetlen résnél problémába ütközik. Ha egy fotont apró golyóként képzelnénk el, amely a forrásból egy meghatározott irányban indul el, áthalad a nyíláson, majd ugyanazon az egyenes pályán folytatja útját, akkor a rés mögött egy viszonylag keskeny találati tartományt várnánk. A fotonoknak nagyjából a nyílás geometriai vetületének megfelelő területen kellene megjelenniük, miközben a távolabbi részeken alig vagy egyáltalán nem számítanánk találatokra.
A kísérletben azonban nem ez történik. Ha csak egyetlen keskeny rést hagyunk nyitva, a fotonok jóval szélesebb területen jelennek meg a detektoron. Középen sok találat gyűlik össze, attól távolodva pedig egyre kevesebb, és megfelelően keskeny rés esetén jellegzetes diffrakciós eloszlás alakul ki. A fotonokat tehát olyan irányokban is észleljük, amelyek nem felelnek meg annak az egyszerű képnek, amelyben egy apró részecske egyenes vonalban átrepül a nyíláson.
Klasszikus hullámok esetén ez nem okoz problémát. Egy keskeny nyíláson áthaladó hullám szétterül, vagyis elhajlik. A vízhullámokkal ugyanez megfigyelhető: ha egy hullámfront egy keskeny nyíláson jut át, a túloldalon nem egy ugyanolyan szélességű, egyenes hullámsáv halad tovább, hanem a hullám újra szétterjed. A fény klasszikus hullámelmélete ugyanezt jósolja, és a diffrakció matematikája pontosan megadja, milyen intenzitáseloszlást kell kapnunk.
A kvantumkísérletben azonban a detektor nem szétterült fotondarabokat érzékel. Minden foton egyetlen lokalizált eseményként jelenik meg. Az egyik a középső tartományban érkezik, egy másik távolabb, egy harmadik még távolabb. Sok ezer vagy millió esemény után ezek a különálló pontok kirajzolják ugyanazt a diffrakciós eloszlást, amelyet a hullámoptika alapján várnánk.
Ez azért fontos, mert megmutatja, hogy a furcsaságot nem maga a második rés hozza létre. Már egyetlen rés esetében is olyan eloszlást kapunk, amelyet nem lehet egy egyszerű, előre meghatározott egyenes pályán haladó klasszikus fénygolyó képével leírni. A rés szélessége ráadásul közvetlenül befolyásolja a szétterülést: minél keskenyebbre vesszük a nyílást, annál szélesebb lesz a mögötte kialakuló diffrakciós eloszlás. Ez szoros kapcsolatban áll a hely és az impulzus Heisenberg-féle határozatlansági relációjával is. Ha a rés segítségével egyre pontosabban korlátozzuk a foton keresztirányú helyét, akkor a keresztirányú impulzusának lehetséges értékei szélesebb tartományt fednek le, így a fotonok nagyobb szögtartományban jelenhetnek meg a detektoron.
Most nyissuk ki a második rést is. Ekkor következik az a jelenség, amely még az egy résnél tapasztalt diffrakciónál is erősebben szembemegy a klasszikus részecskeképpel. Ha külön-külön megmérjük az A és a B rés mögötti eloszlást, azt találjuk, hogy mindkét rés képes fotonokat juttatni a detektor számos azonos területére. Vagyis léteznek olyan pontok, ahová nyitott A rés mellett érkezhet foton, és nyitott B rés mellett szintén érkezhet foton.
A klasszikus logika ezek után nagyon egyszerű eredményt jósolna. Ha mindkét rést kinyitjuk, a két eloszlást össze kellene adnunk. Egy adott helyre az A résen keresztül érkező részecskékhez hozzáadódnának a B résen keresztül érkezők. Több nyitott út legfeljebb növelhetné a találatok számát. A kísérlet azonban nem ezt mutatja. Amikor mindkét rés nyitva van, bizonyos helyeken valóban több fotont találunk, más helyeken azonban kevesebbet, és vannak olyan interferenciaminimumok, ahol ideális körülmények között a találatok valószínűsége nullához közelíthet. Ez azt jelenti, hogy olyan terület is létezhet, ahová az A rés önmagában fotonokat juttat, a B rés önmagában szintén fotonokat juttat, amikor viszont mindkettőt egyszerre nyitjuk ki, a fotonok szinte eltűnnek onnan.
Éppen ez az a részlet, amelyet az egyszerű „a foton vagy az egyik, vagy a másik résen ment át, csak nem tudjuk, melyiken” elképzelés nem képes megmagyarázni. Ha valóban két egymástól független klasszikus lehetőségről lenne szó, akkor a két rés megnyitása után a valószínűségeknek össze kellene adódniuk. Egy új út megnyitása nem csökkenthetné annak esélyét, hogy a részecske egy olyan helyre érkezzen, ahová korábban eljuthatott.
A kvantummechanikában azonban nem a két út klasszikus valószínűségét adjuk össze. Amíg nem áll rendelkezésre információ arról, melyik út valósult meg, az A és B lehetőséghez tartozó valószínűségi amplitúdókat kell összeadnunk. Ezeknek az amplitúdóknak fázisuk van, ezért erősíthetik és gyengíthetik egymást. Ahol az amplitúdók azonos fázisban találkoznak, megnő a detektálás valószínűsége, ahol pedig ellentétes fázisban érkeznek, részben vagy teljesen kiolthatják egymást.
Ezért alakulnak ki a sötét sávok. Nem arról van szó, hogy valamilyen erő eltéríti a fotonokat ezektől a területektől, és nincs ott láthatatlan akadály sem. A kvantumelmélet szerint az adott helyhez vezető alternatívák amplitúdói úgy adódnak össze, hogy a végső detektálási valószínűség nagyon kicsivé válik. A sötét sáv tehát nem egyszerűen olyan hely, ahová „nem jutott fény”, hanem olyan hely, ahová külön-külön mindkét út hozzájárulhatna, az utak kvantummechanikai kombinációja azonban elnyomja a detektálás valószínűségét.
Innen adódik a következő, szinte elkerülhetetlen kérdés. Mi történik akkor, ha mégis megpróbáljuk kideríteni, melyik résen haladt át a foton?
A kérdés egyszerűnek hangzik, a megvalósítása azonban már sokkal kevésbé az. Nem tehetünk egyszerűen egy fényképezőgépet a rés mellé, amely valamilyen kölcsönhatás nélkül „ránéz” a fotonra. Ahhoz, hogy egy fizikai rendszer állapotáról információt szerezzünk, annak valamilyen módon kölcsönhatásba kell lépnie egy másik fizikai rendszerrel. A mérés a kvantummechanikában ezért nem passzív megfigyelés, hanem fizikai folyamat.
A legegyszerűbb gondolatkísérletben elképzelhetjük, hogy mindkét réshez olyan eszközt helyezünk, amely eltérő jelölést kapcsol a fotonhoz. Nem szükséges feltétlenül elnyelnünk a fotont. Elég, ha az A résen áthaladó foton valamilyen tulajdonsága másképpen változik meg, mint a B résen áthaladóé, és ezt a különbséget később elvileg ki lehet olvasni. A jelölés történhet például polarizációval vagy egy másik kvantumrendszerrel létrejövő korreláció segítségével.
Tegyük fel, hogy az A réshez olyan eszközt helyezünk, amely az ott áthaladó fotont egy bizonyos polarizációs állapotba hozza, a B résnél pedig egy ettől megkülönböztethető polarizációs állapotot hozunk létre. Ekkor a foton útja és polarizációja összekapcsolódik. Ha később megmérjük a polarizációt, következtethetünk arra, melyik úthoz tartozott az esemény. És ekkor az interferencia csökkenhet vagy teljesen eltűnhet.
Ez a jelenség sok népszerű magyarázatban úgy szerepel, hogy „amikor megfigyeljük a fotont, részecskévé változik”, vagy hogy „a foton tudja, hogy figyelik”. Ezek a mondatok inkább a szenzáció felé terelik a fizikai folyamatokat. A kísérlethez nincs szükség emberi szemre, tudatos megfigyelőre vagy arra, hogy valaki ténylegesen megnézze a mérési adatot. A lényeg az, hogy az útinformáció fizikailag kódolódott a rendszer egy másik szabadsági fokába vagy a környezet valamely állapotába.
Ha az A és B út olyan különböző állapotokat hagy maga után, amelyek elvileg megkülönböztethetők, akkor a két alternatíva már nem ugyanúgy interferál, mint korábban. A foton útja összefonódhat a mérőberendezés vagy egy másik kvantumrendszer állapotával. Ha csak a foton becsapódási helyét vizsgáljuk, és a hozzá kapcsolódó másik rendszert figyelmen kívül hagyjuk, az interferenciáért felelős koherencia részben vagy teljesen eltűnhet a megfigyelt eloszlásból.
Ez egyben azt is megmagyarázza, miért félrevezető az a gyakori állítás, hogy „a mérés azért tünteti el az interferenciát, mert megváltoztatja a foton útját”, mintha meglökné azt. Bizonyos mérési módszereknél valóban felléphet ilyen mechanikai zavarás, de nem ez a jelenség általános magyarázata. Olyan kísérleti elrendezések is létrehozhatók, amelyekben az útinformációt a foton egy másik tulajdonságában kódolják. A döntő tényező az utak megkülönböztethetősége és a koherencia.
Ráadásul az interferencia elvesztése nem feltétlenül egy mindent vagy semmit jellegű folyamat. Ha a két út csak részben különböztethető meg, az interferenciasávok sem feltétlenül tűnnek el teljesen. A kontrasztjuk fokozatosan csökken. Minél pontosabban lehet megállapítani, melyik úthoz tartozott a foton, annál gyengébb lehet az interferencia; minél kevésbé megkülönböztethetők az utak, annál határozottabbak lehetnek a sávok. Az útinformáció és az interferencia láthatósága között tehát mérhető kapcsolat van.
Ez sokkal mélyebb állítás annál, hogy egy mérőműszer egyszerűen megzavarja a kísérletet. A kvantummechanika azt mutatja, hogy az interferencia létrejötte szorosan összefügg azzal, hogy a lehetséges alternatívák fizikailag megkülönböztethetők-e. Ha nincs olyan nyom a világban, amely alapján az A és B út elkülöníthető lenne, az amplitúdók interferálhatnak. Ha az útinformáció megbízhatóan hozzáférhetővé válik, az interferencia eltűnhet a közvetlenül megfigyelt eloszlásból.
És itt születik meg egy újabb kérdés, amely a történetet a két rés kísérletnél is furcsább területre viszi. Ha az interferencia azért vész el, mert rendelkezésre áll a „melyik út?” információ, akkor mi történik, ha ezt az információt úgy tesszük hozzáférhetetlenné, hogy többé ne lehessen megkülönböztetni a két lehetőséget? Visszatérhet az interferencia?
A válasz megfelelő kísérleti feltételek között igen, de nagyon fontos megérteni, hogy pontosan milyen értelemben. Nem arról van szó, hogy egy korábban lefényképezett, interferencia nélküli képernyő fizikailag átrendeződik, és a már becsapódott fotonok visszamennek megváltoztatni a helyüket. A jelenség ennél azért egy fokkal érzékenyebb: megfelelő méréssel és az események korrelációk szerinti szétválogatásával olyan részhalmazok jelenhetnek meg, amelyekben interferenciamintázatok figyelhetők meg.
Ez lesz a kvantumradír alapgondolata, és ebből nő ki annak késleltetett választású változata is, amely miatt később megszületett a meghökkentő állítás, hogy egy jövőben elvégzett mérés képes megváltoztatni azt, amit a foton korábban tett.
Mielőtt azonban eljutunk ehhez a kísérlethez, még egy fontos lépést meg kell tennünk. Meg kell értenünk, hogy mit jelent valójában az, amikor azt mondjuk: egy foton „önmagával interferál”, hogyan írja le ezt a hullámfüggvény, és mi az, ami ténylegesen hullámzik a kvantummechanikában. Enélkül a kvantumradír könnyen valamiféle időutazásnak látszana, holott a valódi jelenség egészen másról szól.
Erről a következő részben lesz szó.
