Το πείραμα της διπλής σχισμής είναι το πιο διάσημο και πιθανότατα το πιο σημαντικό πείραμα στην κβαντική φυσική: μεμονωμένα σωματίδια κινούνται προς ένα πέτασμα με δύο ανοίγματα, πίσω από το οποίο ένας ανιχνευτής καταγράφει το πού καταλήγουν. Το πείραμα δείχνει ότι τα σωματίδια δεν κινούνται κατά μήκος μιας συγκεκριμένης διαδρομής, όπως θα έκαναν τα αντικείμενα με τα οποία είμαστε εξοικειωμένοι, αλλά κατά μήκος πολλών μονοπατιών ταυτόχρονα: Κάθε σωματίδιο διέρχεται και από τα δύο. Και από το αριστερό και από το δεξιό άνοιγμα.
Κανονικά, ωστόσο, το παραπάνω μπορεί να αποδειχθεί μόνο αν εκτελέσουμε αρκετές φορές το πείραμα και αξιολογήσουμε, στο τέλος, τα αποτελέσματα της ανίχνευσης πολλών σωματιδίων. Οι ερευνητές στο TU Wien, ανέπτυξαν μια νέα παραλλαγή που μπορεί να διορθώσει αυτό το πειραματκό “ψεγάδι”: Γίνεται καταγραφή της θέσης ενός μεμονωμένου νετρονίου και, λόγω της εξελιγμένης διάταξης μέτρησης, η μοναδική αυτή μέτρηση αποδεικνύει ότι το σωματίδιο κινήθηκε κατά μήκος δύο διαφορετικών μονοπατιών ταυτόχρονα. Επιπροσθέτως, είναι εφικτό να προσδιοριστεί η αναλογία με την οποία το νετρόνιο κατανεμήθηκε μεταξύ των δύο διαδρομών. Έτσι, το φαινόμενο της κβαντικής υπέρθεσης μπορεί να αποδειχθεί χωρίς να χρειάζεται να καταφύγουμε σε αξιολόγηση στατιστικής φύσης. Τα αποτελέσματα αυτά έχουν δημοσιευθεί στο περιοδικό Physical Review Research.
Το πείραμα της διπλής σχισμής
«Στο κλασσικό πείραμα διπλής σχισμής, πίσω από αυτήν δημιουργείται ένα μοτίβο συμβολής», εξηγεί ο Stephan Sponar από το Atomic Institute στο TU Wien. “Τα σωματίδια κινούνται ως κύμα μέσα από τα δύο ανοίγματα ταυτόχρονα και τα δύο επιμέρους κύματα στη συνέχεια συμβάλλουν μεταξύ τους. Σε ορισμένα σημεία αλληλοενισχύονται (ενισχυτική συμβολή), σε άλλα σημεία αλληλοεξουδετερώνονται (αποσβεστική συμβολή).”
Η πιθανότητα να βρούμε το σωματιδιο σε μια πολύ συγκεκριμένη θέση, πίσω από τη διπλή σχισμή, εξαρτάται από αυτό το μοτίβο συμβολής: εκεί όπου το κβαντικό κύμα ενισχύεται, η πιθανότητα να ανιχνεύσουμε το σωματιδιο είναι υψηλή. Εκεί όπου το κβαντικό κύμα ακυρώνεται, η πιθανότητα είναι μικρή. Βέβαια, κοιτάζοντας ένα μόνο σωματίδιο, δεν μπορεί να γίνει ορατή αυτή η κυματική κατανομή. Μόνο όταν επαναλάβουμε πολλές φορές το πείραμα, διακρίνεται όλο και περισσότερο αυτό το κυματικό μοτίβο, σημείο προς σημείο και σωματίδιο προς σωματίδιο.
«Έτσι, η συμπεριφορά μεμονωμένων σωματιδίων εξηγείται βάσει αποτελεσμάτων, τα οποία γίνονται ορατά μόνο μέσω της στατιστικής μελέτης πολλών σωματιδίων», λέει ο Holger Hofmann από το Πανεπιστήμιο της Χιροσίμα, ο οποίος ανέπτυξε τη θεωρία που αφορά στο πείραμα. «Φυσικά, αυτό δεν είναι απολύτως ικανοποιητικό. Ως εκ τούτου, εξετάσαμε πώς μπορεί να αποδειχθεί το φαινόμενο της συμβολής διπλού μονοπατιού, στηριζόμενοι στην ανίχνευση ενός μόνο σωματιδίου.
Περιστρέφοντας το νετρόνιο
Αυτό κατέστη δυνατό με τη βοήθεια νετρονίων από την πηγή νετρονίων του ILL στη Γκρενόμπλ: Τα νετρόνια οδηγούνται σε έναν κρύσταλλο ο οποίος διασπά το κβαντικό κύμα του νετρονίου σε δύο επιμέρους κύματα, αρκετά παρόμοια με το κλασικό πείραμα διπλής σχισμής. Τα δύο επιμέρους κύματα νετρονίων κινούνται κατά μήκος δύο διαφορετικών μονοπατιών και επανασυνδέονται. Συμβάλουν και στην συνέχεια μετρώνται.
Ωστόσο, αξιοποιείται μια ακόμη ιδιότητα του νετρονίου: το σπιν του —η ιδιοστροφορμή του σωματιδίου- το οποίο μπορεί να επηρεαστεί από μαγνητικά πεδία, με αποτέλεσμα να αλλάζει προσανατολισμό. Εάν το σπιν του νετρονίου περιστραφεί μόνο σε μία από τις δύο διαδρομές, καθίσταται δυνατό να προσδιοριστεί ποια διαδρομή έχει ακολουθήσει. Έτσι, όμως, το μοτίβο συμβολής εξαφανίζεται, ως συνέπεια της αρχής της συμπληρωματικότητας της κβαντομηχανικής.
«Επομενως, περιστρέφουμε ελάχιστα μόνο, το σπιν του νετρονίου», εξηγεί ο Hartmut Lemmel, ο πρώτος συγγραφέας αυτής της δημοσίευσης. «Τότε το μοτίβο συμβολής εξακολουθεί να υφίσταται, επειδή μπορούμε να λάβουμε ελάχιστες μόνο πληροφορίες για τη διαδρομή. Στα συμβατικά πειράματα, πρέπει να επαναλαμβάνεται πολλές φορές αυτή η “ασθενής” μέτρηση, έτσι ώστε να εξακολουθήσουν να λαμβάνονται ακριβείς πληροφορίες για την διαδρομή. Όμως, σε αυτές τις περιπτώσεις λαμβάνεται μόνο μια στατιστική εκδήλωση του συνόλου των νετρονίων και ελάχιστα συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν για το κάθε μεμονωμένο νετρόνιο.»
Αντιστρέφοντας την περιστροφή
Η κατάσταση είναι διαφορετική εάν, μετά τη συγχώνευση των δύο επί μέρους κυμάτων νετρονίου, γίνει χρήση ενός άλλου μαγνητικού πεδίου, έτσι ώστε το σπίν να επανέλθει. Με την μέθοδο της δοκιμής και του λάθους (trial and error), μπορεί κάποιος να προσδιορίσει την γωνία περιστροφής που είναι απαραίτητη για να επιστρέψει το σπιν της κατάστασης υπέρθεσης ξανά στον αρχικό προσανατολισμό. Ο βαθμός της περιστροφής που απαιτείται αποτελεί μέτρο του βαθμού παρουσίας του νετρονίου σε κάθε διαδρομή. Εάν αυτό είχε ακολουθήσει μόνο το μονοπάτι στο οποίο είχε περιστραφεί το σπιν, τότε θα ήταν απαραίτητη η πλήρης γωνία περιστροφής για να επιστρέψει στην αρχική διεύθυνση. Αν είχε ακολουθήσει μόνο το άλλο μονοπάτι, τότε δεν θα χρειαζόταν να περιστραφεί, εκ νέου, καθόλου. Στο πείραμα που εκτελέστηκε με τη χρήση ειδικού ασύμμετρου διαχωριστή δέσμης, αποδείχθηκε ότι τα νετρόνια ήταν παρόντα κατά ένα τρίτο στη μία διαδρομή και κατά δύο τρίτα στην άλλη.
Η ομάδα, μέσω λεπτομερών υπολογισμών, μπόρεσε να δείξει ότι: Με αυτό το πείραμα, δεν ανιχνεύεται, απλά, μια μέση τιμή επάνω στο σύνολο όλων των μετρούμενων νετρονίων, αλλά το αποτέλεσμα ισχύει για κάθε μεμονωμένο νετρόνιο. Μπορεί να χρειάζονται πολλά νετρόνια για να προσδιοριστεί η βέλτιστη γωνία περιστροφής, αλλά από την στιγμή που θα βρεθεί, η παρουσία ανά μονοπάτι, που καθορίζεται από αυτήν, ισχύει για κάθε μεμονωμένο νετρόνιο που ανιχνεύεται.
«Τα αποτελέσματα των μετρήσεών μας υποστηρίζουν την κλασική κβαντική θεωρία», δηλώνει ο Stephan Sponar. «Η καινοτομία είναι ότι δεν χρειάζεται να καταφύγει κανείς σε μη ικανοποιητικά επιχειρήματα στατιστικής φύσης: Το πείραμά μας, όταν μετράμε ένα μεμονωμένο σωματίδιο, δείχνει ότι αυτό έχει ακολουθήσει ταυτόχρονα δύο μονοπάτια και την ίδια στιγμή ποσοτικοποιεί τις αντίστοιχες αναλογίες χωρίς αμφιβολία.» Το γεγονός αυτό αποκλείει τις όποιες εναλλακτικές ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής που επιχειρούν να εξηγήσουν το πείραμα της διπλής σχισμής με εντοπισμένα σωματίδια.
Πηγή: https://phys.org
