Zvětšit obrázek

Urbasi Sinha, University of Waterloo / Gregor Weihs Universität Innsbruck

Když proud částic, například paprsek fotonů nebo elektronů, narazí na neprůchodnou folii s dvěma úzkými štěrbinami, procházejí jimi tak, že na stínidle kam dopadají, vytváří inferenční obrazec odpovídající pravidlům lomu a sčítání vln – difrakci a interferenci. K stejnému výsledku se dopracujeme, když namísto souvislého paprsku budeme ostřelovat otvory elektrony (fotony) postupně, jeden odděleně od druhého. I když tyto částice se nemůžou navzájem ovlivňovat a podle logiky našimi smysly vnímatelného světa prochází každá z nich buď jednou, nebo druhou štěrbinou, na stínidle dostaneme opět stejný interferenční obrazec jako u souvislého proudu elektronů. Je to absurdní, ale podle kvantové teorie každý elektron (foton) prochází oběma štěrbinami současně a chová se podobně jako rovinná vlna, která narazí na překážku se dvěma otvory. Ty se pak na druhé straně překážky jeví jako bodové zdroje a obě vlny, které se v nich tvoří, spolu interferují. To platí jenom do okamžiku, kdy se rozhodneme vystopovat kudy konkretně ten-který elektron (foton) prochází. Jeho chování se tím úplně změní. Bude jako hozený míček prolétat buď jednou, nebo druhou štěrbinou a žádné sčítání vln na stínítku neuvidíme ani po bilionté špehované částici. Pozorováním způsobujeme kolaps její vlnové funkce. (Fyzikální zákulisí dvojštěrbinového (Youngova) experimentu roztomile přibližuje video pod článkem. Průvodní slovo je v angličtině, ale animace je tak názorná, že při troše soustředění bude srozumitelná i beze slov.)

Interferenční obrazec u dvojštěrbinového experimentu je důsledkem Bornova pravidla, které definuje pravděpodobnost výskytu kvantového objektu na konkrétním místě a v konkrétním čase jako druhou mocninu jeho vlnové funkce (součtu jeho vlnových funkcí při dvou štěrbinách, kterými se „provlní“).

Zvětšit obrázek

Při dostatečném množství částic (elektronů, fotonů) by u tříštěrbinového experimentu měl výsledný obrazec na stínidle odpovídat spodnímu třetímu grafu na obrázku vpravo. Jde o teoreticky vypočtenou křivku intensity záření, které prošlo třemi štěrbinami. Za nimi došlo k ohybu paprsků (k difrakci) a k jejich skládaní (interferenci).

Obrázek vpravo: Když rovinná vlna (světlo z dostatečně vzdáleného zdroje) narazí na překážku s otvorem, ten se (díky ohybu světla) stane na druhé straně překážky bodovým zdrojem sekundárního vlnění. Když jsou otvory dva... tři... pět, dochází ke vzájemné interferenci vln z těchto jednotlivých zdrojů a jejich amplituda (u štěrbinových experimentů míra pravděpodobnosti dopadu částice na dané místo stínidla) má průběh odpovídající znázorněným teoretickým křivkám. Všimněte si, že všechny křivky se nacházejí ve stejné obálce (tečkovaná obalová křivka). Podle hyperphysics.

Zvětšit obrázek

Kovová malá tabulka s třemi otvory a krycí folie, kterou je možné zastínit libovolnou jejich kombinaci. Kredit: U. Sinha et al. Science 26. 7. 2010

 

Dokázat experimentálně tento předpoklad se rozhodl rakousko – kanadský tým fyziků, kterému veleli Gregor Weihs z Universität Innsbruck za Rakušany a Urbasi Sinha z University of Waterloo za Kanaďany. Výzkum se uskutečnil v Ústavu pro kvantové výpočty University of Waterloo v kanadském Ontariu, kde vědci sestrojili technicky důmyslný systém. Měli k dispozici dva zdroje světla - pro vysílání jednotlivých fotonů (jako když střílí samopal) a laser s regulovatelným výkonem. Překážkou v cestě letícím fotonům byly dvě tenké kovové folie. V první, menší, byly tři stejné štěrbiny s rozměry 0,03 x 0,3 mm, vzdálené od sebe 0,1 mm. Druhá, stínící folie, měla vyřezané trochu větší otvory tak, aby mohly překrýt různé kombinace tří štěrbin menší destičky: všechny, nebo jenom některou, nějakou dvojici, nebo žádnou (obrázek vlevo). A samozřejmě koncovým článkem systému byl citlivý detektor, registrující ve vzdálenosti 18 cm od folie každý foton, kterému se jako vlně podařilo překonat štěrbinovou překážku.

Vědci provedli celou sérii experimentů se zdrojem „vystřelujícím“ fotony frekvencí 40 tisíc za sekundu na folii s otvory odkrytými v různých kombinacích (žádný, jeden, různé dvojice a všechny tři) a pak to samé s laserem vyzařujícím spojitý paprsek světla.

Výsledky nepovedou k přepisování učebnic, protože odpovídají teoretickým předpokladům. I nadále se tedy kvantová pravděpodobnost bude počítat podle pravidla, které formuloval v roce 1926 Max Born. V roce 1954 byl oceněn Nobelovou cenou a zde je jeho „nobelovská“ přednáška.

Zvětšit obrázek

„Existence interferenčních vztahů třetího řádu by měla obrovské teoretické důsledky a zatřásla by jádrem celé kvantové mechaniky,“ vysvětluje Gregor Weihs. Podnětem pro celý pokus byla prý možnost, že kdyby se přece jenom podařilo zpochybnit základní pravidlo kvantové pravděpodobnosti, otevřelo by to tunel pro sjednocení dvou základních fyzikálních teorií – pro kvantovou mechaniku a gravitaci. Obě si zatím urputně chrání svojí nezávislost. „Náš experiment opět tuto snahu maří,“ dodává v koutku duše možná trochu zklamaný Weith. Zpochybnění by přineslo větší popularitu, než potvrzení.

 

Obrázek vpravo: Porovnání experimentálního výsledku s teoretickou křivkou. Horní obrázek znázorňuje výsledky tříštěrbinového experimentu pro souvislé světlo laseru (modré body) a „rychlopalbu“ jednotlivými fotony (červené body). Spodní křivka je deformace teoretické křivky tak, aby umístění štěrbin odpovídalo naměřeným maximám. Kredit: U. Sinha et al. Science 26. 7. 2010/ hyperphysics