MERENJA I ČESTIČNO-TALASNA DUALNOST
U praksi, čestična svojstva kvantne čestice se određuju njenom detekcijom dok se talasna svojstva
očitavaju iz nasumične prirode posmatranih čestica. Na primer u eksperimentu sa dva proreza, čestičnu
prirodu utvrđujemo kada vidimo tačku na ekranu zastora, dok talasnu prirodu vidimo kao iznenađujuću
sveukupnu sliku koju vidimo na ekranu, zbog koje nam se nameće zaključak da čestica nekako prolazi
kroz obadva proreza. Međutim izvedena svojstva kvantne čestice zavise od merenja koja mogu biti
izvedena u ovom eksperimentu. Da bi ilustrovali subjektivne karakteristike kvantnih čestica, poslužićemo
se modifikovanim eksperimentom sa dva proreza, u kome ćemo ekranu na zastoru ili fiksirati poziciju ili
mu dozvoliti da se kreće kao na slici 13.07.
Slika 13.07. Modifikovani eksperiment sa dva proreza
Kada ubacimo pin u položaj da fiksira ekran, na ekranu ćemo zabeležiti precizne lokacije udara čestica
kao i šare čija udaljenost zavisi od
. Kada pin prebacimo u drugi položaj pa se ekran počne kretati,
tj postane mobilni detekcioni sistem, on postaje osetljiv na impuls
kojim čestice pogađaju
ekran. Ekran se pokrene kada čestica stigne do njega i možemo veoma precizno izmeriti koliki je taj trzaj
mereći vertikalni impuls čestice otkrivene na ekranu, a time možemo i posredno odrediti kroz koji prorez
je došla ova čestica. Na primer u blizini centra ekrana, čestica iz gornjeg proreza ima impuls naniže
, a čestica iz donjeg proreza ima isti taj impuls ali naviše. Generalno, razlika vertikalnih impulsa
čestica iz dva proreza je aproksimativno :
. Dakle impuls pokretnog ekrana se meri sa
tačnošću
, pomoću koje možemo odrediti odakle potiče čestica. Kada je to slučaj, prolazak kvantne čestice kroz
obadva proreza nije moguć i ne bi trebalo da na ekranu nastane dobro poznata interferencijska slika.
Ova konstatacija može da se razmotri u svetlu neodređenosti koja je uključena u sam proces merenja.
Ekran je regulisan Hajzenbergovim principom neodređenosti i precizno merenje njegovog impulsa je
moguće samo na račun nepreciznosti merenja njegovog položaja. Ako je neodređenost vertikalnog
impulsa ekrana
, takva da možemo da identifikujemo prorez kroz koji prolaze čestice, onda
minimalna neodređenost u položaju ekrana je :
Ova neodređenost položaja može biti izražena i preko talasne dužine čestice. Koristeći
dobijamo :
,
Treba primetiti da bi ova neodređenost u vertikalnom položaju ekrana sprala interferencijsku sliku čije
su šare razdvojene za
. Dakle, oslobađanjem ekrana da se može pomerati vertikalno izgubićemo
interferencijsku sliku a samim tim i zaključke koji govore o talasnoj prirodi čestica. Ovaj eksperiment
ilustruje kako koncept merenja i princip neodređenosti mogu biti iskorišćeni za obezbeđivanje logički
konzistentnog opisa talasne prirode kvantnih čestica. Dodatno, eksperiment pokazuje da ako uspemo da
odredimo putanju čestice, onda gubimo talasna svojstva i interferencijsku sliku. U stvari, bolje rečeno
talasna svojstva kvantne čestice su uvek sakrivena. Za razliku od klasičnog elektromagnetnog talasa,
talas koji opisuje kvantnu česticu ne može biti direktno posmatran. Možda bi bilo dobro i da se spomene
još jedna varijacija ovog eksperimenta koju je izveo Viler 1978 godine. U ovoj varijaciji zamislimo da
odluku da li ćemo da oslobodimo ili ostavimo fiksiranim ekran odložimo do trenutka kada čestica prođe
proreze. Alternativno, zamislimo da neposredno pre udara čestice u ekran oslobađamo ekran da bi se
moglo odrediti iz kog proreza je stigla čestica. U ovom slučaju izgleda da smo prevarili česticu i da će
morati da formira interferencijsku sliku a da ipak odredimo odakle je došla. Međutim, ipak nismo dorasli
prirodi ! Nekako, čestica ipak sazna za naš pokušaj prevare i uredno napravi sliku kakva bi bila i da je
ekran u startu bio pokretan. Dakle nema interferencijske slike. Ovo je veoma čudna pojava jer hteli ne
hteli moramo pomisliti da postoji neka čudna povezanost u obrnutom smeru od onoga na koji smo
navikli. Najlogičnija pomisao je da ono što se dešava u sadašnjosti ili što se dešavalo u prošlosti utiče i na
neki način određuje budućnost. Međutim ovde izgleda kao da budućnost utiče na prošlost, tj kao da naš
odloženi izbor koji je definitivno budućnost za česticu koja tek kreće iz izvora ipak nekako postaje pozata
čestici koja onda zna kako da se ponaša. Da li da prođe kroz obadva proreza ili samo kroz jedan. Znam da
izgleda ludo ali ovaj eksperiment je toliko moćan da ne ostavlja mnogo drugih mogućnosti. Pre nego što
odbacimo ovo kao nešto što je nemoguće, dobro bi se bilo pristetiti da ovde nemamo posla sa istorijom
klasične čestice već da je ovo istorija kvantne čestice. Čestice o kojima je ovde reč nisu klasične čestice
koje prolaze kroz jedan ili drugi prorez niti samo talasi koji prolaze kroz obadva proreza. Ovaj
eksperiment je utvdio da se kvantne čestice ponašaju dvojako ali u zavisnosti od postavke eksperimenta
može se utvrditi samo jedan od dva načina ponašanja.
MERENJA I NELOKALNOST
Najvažnija implikacija ove diskusije o merenjima je ta da merenjima u kvanntoj mehanici saznajemo
samo ono što znamo o svetu. Na primer pošto ne možemo da precizno znamo položaj i impuls čestice,
ne možemo ni precizno opisati ni svet u kome elektron ima i jedno i drugo svojstvo. U standardnoj
interpretaciji kvantne mehanike precizna pozicija ili impuls čestice se mogu izmeriti ali se ne pokušava
objasniti kako do ovoga dolazi. Ove osobine koje se manifestuju samo merenjima ne mogu se ograničiti
samo na položaj i impuls. Ovo važi i za druge osobine kvantnih čestica koje se posmatraju.
Najneverovatnija osobina kvantnih čestica je to da merenja nad jednom česticom na jednoj lokaciji
izazivaju identična ponašanja druge isprepletene čestice na drugoj lokaciji. Drugim rečima, merenja
mogu imati nelokalni uticaj na naše znanje o svetu. Nelokalnost kvantnomehaničkih merenja možemo
najbolje ilustrovati ako uzmemo u obzir posebnu situaciju emisije dva fotona jednog pobuđenog atoma.
Ovi fotoni se mogu usmeriti u suprotnim smerovima sa istom polarizacijom u smislu toga da su im
spinovi (cirkularne polarizacije) usmereni na isti način. Primećeno je prilikom merenja da ako se utvrdi
da foton koji je otišao levo i ima levi spin, da foton koji je otišao desno će imati isti takav spin. Kao da
merenje spina fotona na jednoj strani utiče na foton na drugoj strani da zauzme isti spin. Ovakvo
ponašanje ne bi bilo upadljivo da leva i desna polarizacija predstavljaju dve alternative koje nastaju
prilikom generisanja fotona. Međutim to nije slučaj. U trenutku generisanja ovi fotoni su prepleteni i
mogu imati i jedan i drugi spin, ali meranje ih prisiljava da zauzmu jedan definitivan spin i to uvek na
način da taj spin bude isti, bez obzira na kojoj udaljenosti se nalaze. Teško je utvrditi razloge za ovakvo
ponašanje fotona ali postoje kvantnomehanička objašnjenje :
-
Inicijalni status čestica može biti neka vrsta superpozicije levog i desnog spina slično kao što su
to istovremena čestična i talasna svojstva, pa tek merenjima čestica zauzima definitivno stanje
Merenje ne remeti samo ono što se meri, već i dovodi u pitanje i šta se konkretno meri
Iako je u ovo veoma teško poverovati ipak ono čini deo jedne konzistentne teorije koja je potvrđena
eksperimentima.
Download

(PDF, 471KB)