Čudni su putovi svjetlosti

Nedavno sam gostovao na tribini s prijateljem, uvaženim saborskim zastupnikom, koji je u mladosti bio odličan matematičar i natjecatelj na državnom natjecanju iz tog predmeta u bivšoj državi. Opisao mi je trenutak koji ga je najviše zbunio u nastavi fizike te je na koncu odustao od prirodoslovlja, matematike i tehnike i završio Filozofski fakultet. Bilo je to kad mu je nastavnica fizike tumačila da svjetlost može istovremeno biti i val i čestica.

Prije 250 godina i koji tjedan rodio se Thomas Young, polihistor, znanstvenik s doprinosima u poljima od fizike do egiptologije.

Thomas Young inicirao je raspravu o svjetlosti
koja i danas traje / Izvor Wikipedia

Njegovo najtrajnije nasljeđe je što je dokazao da je Isaac Newton bio u krivu u vezi sa svjetlosti i time inicirao raspravu o prirodi svjetlosti koja još traje. Kraljevskom društvu u Londonu govorio je 1803. o eksperimentima koji se mogu jednostavno ponavljati svakoga sunčanog dana.

U jednostavnom, modernom obliku, Youngov eksperiment s „dvjema pukotinama“ uključuje puštanje svjetla jedne frekvencije (recimo, iz crvenog lasera) kroz dva fina, paralelna otvora udaljena manje od desetog dijela milimetra, na ekran iza tog postava. Kad bi svjetlost bila sastavljena od tokova čestica, kao što je pretpostavio Newton, očekivali biste dvije različite pruge svjetlosti na ekranu, gdje se čestice gomilaju nakon što prođu kroz jednu od dvije pukotine. Ali to nije ono što se događa. Umjesto toga, vidite mnogo pruga svjetla i tame, nanizane u prugama poput barkoda: interferencijski uzorak.

Interferencija je moguća samo ako se svjetlost ponaša kao val koji pogađa obje pukotine odjednom i ogiba se kroz svaki, stvarajući dva skupa valova s ​​druge strane pukotine koji se šire prema ekranu. Tamo gdje se brijeg jednog vala preklapa s brijegom drugog dobivate konstruktivnu interferenciju i svijetlu prugu, a tamo gdje se brijeg susreće s dolom, dobivate destruktivnu interferenciju i tamnu prugu.

Teško je previše naglasiti koliko je to otkriće bilo čudno fizičarima u Youngovo vrijeme, no čuđenje je uistinu počelo kada su Max Planck i Albert Einstein početkom dvadesetog stoljeća postavili temelje kvantne mehanike. Prilično rano postalo je jasno da to implicira da se svjetlost sastoji od nedjeljivih jedinica energije koje se nazivaju fotoni – zapravo čestica. Količina energije koju nosi svaki foton razmjerna je frekvenciji svjetlosti. Neki od fotona nose dovoljno energije za izbacivanje elektrona iz atoma metala, dajući nam fotoelektrični učinak koji omogućuje današnje solarne ćelije. (Upravo je proučavanje tog učinka dovelo Einsteina do njegovih zaključaka o čestičnoj prirodi svjetlosti.)

S pojavom kvantne mehanike ideja svjetlosti kao vala suočila se s izazovom. Daljnji testovi kvantne teorije s pomoću eksperimenta s dvjema pukotinama samo su produbili misterij koji još nije riješen pa nije ni čudo što naš saborski zastupnik s početka priče teško prihvaća tu realnost.

Zamislite sada da vaš izvor svjetlosti može ispaliti pojedinačne fotone crvenog svjetla na dvije pukotine, istovremeno jamčeći da samo jedan foton prolazi kroz aparat u bilo kojem trenutku. Fotografska ploča s druge strane bilježi gdje fotoni padaju. Klasična intuicija kaže da svaki foton može proći kroz samo jednu ili drugu pukotinu. Dakle, ovaj put trebali bismo vidjeti fotone koji se nakupljaju tijekom vremena i formiraju dvije pruge svjetlosti na fotografskoj ploči. Ipak, matematika kvantne teorije implicirala je da će interferencijski uzorak opstati.

Prošlo je nekoliko desetljeća prije nego što je bilo moguće eksperimentalno potvrditi ta predviđanja.

Kada je riječ o eksperimentu s dvjema pukotinama, kvantna mehanika kao da priča neku vrstu priče. Kaže da je položaj fotona opisan matematičkom apstrakcijom koja se zove valna funkcija – koja se, kao što ime sugerira, ponaša poput vala. Ta valna funkcija, matematički govoreći, pogađa dvije pukotine, ogiba se u dva skupa valova i rekombinira kako bi stvorila interferencijski uzorak. Vrijednost valne funkcije na bilo kojem mjestu na fotografskoj ploči omogućuje vam izračunavanje vjerojatnosti pronalaska fotona tamo. Vjerojatnost je vrlo visoka u područjima konstruktivnih interferencija, a vrlo mala u područjima destruktivnih interferencija.

U određenom smislu, dakle, foton ili bilo koji drugi kvantni objekt ponaša se i kao čestica i kao val. Ta „dualnost čestica-val“ utjelovljuje mnoge od središnjih konceptualnih misterija kvantne mehanike koji su do danas neriješeni. Čak i kad biste mogli znati sve o početnom stanju fotona, ne postoji način da se točno odredi gdje će pasti na detektor. Morate govoriti u terminima vjerojatnosti koje daje valna funkcija. Te se vjerojatnosti potvrđuju tek kada se tisuće ili deset tisuća fotona pošalju kroz dvije pukotine, jedan po jedan.

Prije mjerenja – u ovom slučaju, detekcije fotografskom pločom – matematika kaže da čestica postoji u superpoziciji stanja: u određenom smislu, prošla je oba puta, kroz desnu i lijevu pukotinu. Standardna kvantna mehanika kaže da valna funkcija „kolabira“ kada se mjeri i da čin promatranja na neki način ubrzava taj kolaps. Prije toga foton ima konačnu vjerojatnost da će se naći u mnogim različitim regijama, ali pri mjerenju valna funkcija doseže vrhunac na mjestu na kojem se foton pojavljuje i poništava se svagdje drugdje.

Stvar postaje još čudnija ako možete odrediti kojim je putem foton krenuo na svom putu do detektora (recimo da detektirate kroz koju pukotinu je prošao). U tom slučaju interferencijski uzorak nestaje, a ako ne možete prikupiti tu informaciju, foton se ponaša poput vala.

Sve u svemu priroda se ponaša čudno i moramo paziti kako pitanje postavljamo jer ako ga postavljamo čestično i znamo kuda je čestica prošla dobit ćemo čestični odgovor (nema interferencije). Podsjeća to dosta na to postavljamo li pitanje na znanstveni način pa na njega možemo dobiti odgovor dohvatljiv znanosti ili pitanje izlazi iz okvira znanosti kao što je pitanje smisla pa onda moramo odgovore tražiti mnogo šire.