Experimentul alegerii întârziate al lui Wheeler în mecanica cuantică

Experimentul alegerii întârziate al lui Wheeler constă de fapt din mai multe experimente de gândire în fizica cuantică, propuse de John Archibald Wheeler, cel mai proeminent dintre ele apărând în 1978 și 1984. Aceste experimente sunt încercări de a decide dacă lumina ”simte” cumva aparatul experimental în experimentul cu fantă dublă prin care se va deplasa, și dacă își ajustează comportamentul pentru a se încadra prin asumarea unei stări determinate adecvate pentru aceasta sau dacă lumina rămâne într-o stare nedeterminată, nici undă, nici particulă, până când se măsoară.

Intenția comună a acestor mai multe tipuri de experimente este aceea de a face mai întâi ceva care, după unele interpretări ale teoriei, ar face ca fiecare foton să „decidă” dacă se va comporta ca o particulă sau ca undă și apoi, înainte ca foton să fi avut timp să ajungă la dispozitivul de detectare, să creeze o altă schimbare în sistem care să facă să pară că fotonul a „ales” să se comporte în mod opus. Unii interpreți ai acestor experimente susțin că un foton este fie o undă, fie o particulă, și că nu poate fi ambele în același timp. Intenția lui Wheeler a fost de a investiga condițiile legate de timp în care un foton face această tranziție între presupuse stări de stare. Opera sa a stat la baza multor experimente revelatoare. El afirmă următoarele:

”Ceea ce determină oamenii să argumenteze când și cum fotonul află că aparatul experimental este într-o anumită configurație și apoi se schimbă din undă în particulă pentru a se potrivi cerințelor configurației experimentului este presupunerea că un foton ar avea o formă fizică înainte ca astronomii să îl fi observat. Indiferent dacă a fost o undă sau o particulă; indiferent dacă a mers pe ambele căi în jurul galaxiei sau doar într-o singură direcție. De fapt, fenomenele cuantice nu sunt nici unde, nici particule, ci sunt intrinsec nedefinite până în momentul în care sunt măsurate.”

Această linie de experimentare s-a dovedit foarte greu de realizat atunci când a fost concepută pentru prima oară. Cu toate acestea, s-a dovedit a fi foarte valoroasă de-a lungul timpului, deoarece a determinat cercetătorii să ofere „demonstrații din ce în ce mai sofisticate ale dualității undă-particulă ale cuantei unice”. După cum explică un experimentator, „comportamentul de undă și de particulă poate coexista simultan”.

Introducere

Multe dintre experimente sunt discutate în articolul lui Wheeler din 1978, „The ‘Past’ and the ‘Delayed-Choice’ Double-Slit Experiment“, care a fost reprodusă în cartea lui A. R. Marlow, Mathematical Foundations of Quantum Theory, pp. 9–48.

Conform principiului complementarității, un foton poate manifesta proprietăți ale unei particule sau ale unei unde, dar nu simultan. Caracteristica manifestată depinde de faptul dacă experimentatorii folosesc un dispozitiv destinat observării particulelor sau observării undelor. Atunci când această afirmație este aplicată foarte strict, se poate argumenta că prin determinarea tipului de detector se poate forța fotonul să se manifeste doar ca o particulă sau doar ca o undă. Detectarea unui foton este un proces distructiv deoarece un foton nu poate fi văzut niciodată în deplasare. Când un foton este detectat, acesta apare „prin consecințele dispariției sale, de exemplu, fiind absorbit de un electron într-un fotomultiplicator care preia energia sa, care este apoi utilizată pentru declanșarea cascadei de evenimente care produc un „declic” pe acel dispozitiv . Un foton apare întotdeauna în un punct foarte localizat în spațiu și timp. În aparatele care detectează fotoni, locațiile de pe ecranul de detectare care indică recepția fotonului dau o indicație a faptului dacă își manifestă sau nu natura ondulatorie în timpul deplasării sale de la sursa de fotoni la dispozitivul de detecție. Prin urmare, se spune că într-un experiment cu fantă dublă, un foton își manifestă natura ondulatorie atunci când trece prin ambele fante și apare ca o zonă umbrită slabă a iluminării pe ecranul de detecție, și își manifestă natura de particulă când trece numai prin o fantă și apare pe ecran ca o scintilație foarte localizată.

Având în vedere interpretarea fizicii cuantice care spune că un foton este fie sub formă de undă, fie sub formă de particulă, apare întrebarea: Când fotonul decide dacă se va deplasa ca o undă sau ca o particulă? Să presupunem că este pregătit un experiment tradițional cu două fante, astfel încât oricare dintre fante să poată fi blocată. Dacă ambele fante sunt deschise și o serie de fotoni sunt emise de un laser, atunci pe ecranul de detecție va apărea rapid un model de interferență. Modelul de interferență poate fi explicat doar ca o consecință a fenomenului de undă, astfel încât experimenatorii pot concluziona că fiecare foton „decide” să se deplaseze ca undă de îndată ce este emis. Dacă este disponibilă doar o singură fantă, atunci nu va exista niciun model de interferență, astfel încât experimenatorii pot concluziona că fiecare foton „decide” să se deplaseze ca particulă imediat ce este emis.

Versiunea fantei duble

(Aparatul cu două fante al lui Wheeler.)

Un tip de experiment seamănă cu experimentul obișnuit cu două fante. Diagrama schematică a acestui experiment arată că o lentilă din partea cea mai îndepărtată a fantelor duble face ca traseul din fiecare fantă să se alinieze ușor cu celălalt după ce se trec reciproc destul aproapiate de lentila respectivă. Rezultatul este că cele două funcții de undă pentru fiecare foton vor fi suprapuse pe o distanță destul de mică față de fantele duble și dacă un ecran de detecție este interpus în regiunea în care funcțiile de undă sunt suprapuse, atunci vor fi văzute modele de interferențe. Nu există nicio modalitate prin care un foton dat să fi putut fi determinat că a sosit de la una sau alta din cele două fante. Cu toate acestea, în cazul în care ecranul de detectare este eliminat, funcțiile de undă pentru fiecare cale se vor suprapune pe regiuni de amplitudini inferioare, iar valorile lor de probabilitate combinate vor fi mult mai mici decât valorile de probabilitate necombinate în centrul fiecărei căi. Când telescoapele au ca scop interceptarea centrului celor două căi, vor exista probabilități egale de aproape 50% ca un foton să apară în unul dintre ele. Când un foton este detectat de telescopul 1, cercetătorii pot asocia acest foton cu funcția de undă care a ieșit din fanta inferioară. Când este detectat în telescopul 2, cercetătorii pot asocia acest foton cu funcția de undă care a ieșit din fanta superioară. Explicația care susține această interpretare a rezultatelor experimentale este că un foton a ieșit din una din fante, și acesta este sfârșitul problemei. Un foton trebuie să fi pornit de la laser, să treacă printr-una din fante și să ajungă printr-o singură linie dreaptă la telescopul corespunzător.

Explicația retrocauzală, pe care Wheeler nu o acceptă, spune că atunci când se interpune ecranul de detecție, interferența trebuie să se manifeste. Pentru ca interferențele să se manifeste, trebuie să apară o undă de lumină din fiecare dintre cele două fante. Prin urmare, un singur foton la intrarea în diafragma cu dublă fantă trebuie să „decidă” că trebuie să treacă prin ambele fante pentru a putea interfera cu el însuși pe ecranul de detecție. Pentru ca niciun fel de interferență să nu se manifeste, un singur foton care intră în diafragma cu două fante trebuie să „decidă” să treacă printr-o singură fantă, pentru că a face ca acesta să apară la detecție în un singur telescop corespunzător.

În acest experiment de gândire, telescoapele sunt întotdeauna prezente, dar experimentul poate începe cu ecranul de detectare fiind prezent, dar apoi îndepărtat imediat după ce fotonul părăsește diafragma cu dublă fantă, sau experimentul poate începe cu ecranul de detectare absent și apoi inserat imediat după ce fotonul a părăsit diafragma. Unii teoreticieni avertizează că inserarea sau scoaterea ecranului în mijlocul experimentului poate forța un foton să decidă retroactiv să treacă prin fantele duble ca particulă atunci când a trecut anterior ca undă, sau invers. Wheeler nu acceptă această interpretare.

”Experimentul cu fantă dublă, la fel ca și celelalte experimente idealizate propuse, impune o alegere între modurile complementare de observare. În fiecare experiment am găsit o modalitate de a întârzia alegerea tipului de fenomen care trebuie căutat până la stadiul final al dezvoltării fenomenului și să depindă de tipul de dispozitiv de detectare pe care îl fixăm ulterior. Această întârziere nu face nicio diferență în predicțiile experimentale. În acest sens, tot ce am găsit a fost prevestit în acea teză solitară și prolifică a lui Bohr, „… nu … nu se poate face nicio deosebire, în ceea ce privește efectele observabile obținute printr-un aranjament experimental definit, dacă planurile noastre de construire sau manipulare a instrumentelor sunt fixate în prealabil sau dacă preferăm să amânăm finalizarea planificării noastre până la un moment ulterior, când particula se află deja pe calea sa de la un instrument la altul”.

Detalii experimentale

Discuția inițială a lui John Wheeler despre posibilitatea unei alegeri întârziate cuantice a apărut într-un eseu intitulat „Legea fără lege”, care a fost publicat într-o carte pe care el și Wojciech Hubert Zurek au editat-o, numită Teoria și măsurarea cuantică, pp. 182-213. El și-a prezentat remarcile reluând argumentul dintre Albert Einstein, care voia o realitate inteligibilă, și Niels Bohr, care considera că conceptul lui Einstein de realitate era prea restrâns. Wheeler indică faptul că Einstein și Bohr au explorat consecințele experimentului de laborator care va fi discutat mai jos, una în care lumina își poate găsi drumul dintr-un colț al unei suprafețe rectangulare de oglinzi semi-argintate și complet argintate spre celălalt colț, și apoi să fie făcută să se dezvăluie nu numai că a mers jumătate de drum în jurul perimetrului printr-o singură cale și apoi a ieșit, dar și că a mers în ambele sensuri în jurul perimetrului și apoi a „făcut o alegere” pentru a ieși printr-un colț sau celălalt. Nu numai că acest rezultat se menține pentru fascicule de lumină, dar și pentru fotoni singulari de lumină. Wheeler a remarcat:

”Experimentul sub forma unui interferometru, discutat de Einstein și Bohr, ar putea fi folosit teoretic pentru a investiga dacă un foton se deplasează uneori pe o singură cale, întotdeauna urmează două căi dar uneori face uz de una sau alta, sau dacă se întîmplă cu totul altceva. Oricum, ar fi fost mai ușor să spunem: „În timpul rulărilor aleatorii ale experimentului, vom introduce oglinda pe jumătate argintată chiar înainte ca fotonul să ajungă acolo”, decât să găsim o modalitate de a face o astfel de rapidă substituţie. Viteza luminii este prea rapidă pentru a permite unui dispozitiv mecanic să facă acest lucru, cel puțin în limitele unui laborator. A fost necesară o mare ingeniozitate pentru a rezolva această problemă.”

După publicarea mai multor experimente de susținere, Jacques și colab. au afirmat că un experiment al lor urmează pe deplin schema originală propusă de Wheeler. Experimentul lor complicat se bazează pe interferometrul Mach-Zender, care implică un generator de fotoni declanșat din centrul de culoare N-V al unui diamant, polarizare, și un modulator electro-optic care acționează ca un divizor cu fascicul comutabil. Măsurarea într-o configurație închisă a arătat interferențe, în timp ce măsurarea într-o configurație deschisă a permis determinarea căii particulei, ceea ce a făcut imposibilă interferența.

”În astfel de experimente, a susținut Einstein inițial, nu este rezonabil ca un singur foton să călătorească simultan pe două căi. Scoateți oglinda pe jumătate argintată [în partea de sus dreapta], și veți descoperi că unul sau celălalt din contoare devine inactiv. Astfel, fotonul a parcurs doar un singur traseu. Se deplasează doar pe un singur traseu, dar se deplasează pe ambele trasee; se deplasează pe ambele trasee, dar se deplasează numai pe un traseu. Ce nonsens! Cât de evident este că teoria cuantică este inconsecventă!”

Fantele duble în laborator și în cosmos

(Se înlocuie divizorul de flux prin înregistrarea imaginilor telescopice proiectate pe un ecran comun de detecție.)

Versiunea lui Wheeler a experimentului cu fantă dublă este aranjată astfel încât același foton care iese din două fante poate fi detectat în două moduri. Primul mod permite ca cele două căi să se unească, să se suprapună cele două copii ale funcției de undă, și să interfereze. În al doilea mod se deplasează mai departe de sursa de fotoni într-o poziție în care distanța dintre cele două copii ale funcției de undă este prea mare pentru a arăta efectele de interferență. Problema tehnică din laborator este cum să inserați un ecran de detecție într-un punct adecvat pentru a observa efectele de interferență sau pentru a elimina ecranul pentru a revela detectoarele fotonice care pot fi limitate la recepția fotonilor din regiunile înguste ale spațiului în care se găsesc fantele. O modalitate de a îndeplini această sarcină ar fi să se folosească oglinzile electrice comutabile recent dezvoltate și pur și simplu să se schimbe direcțiile celor două căi din fantă prin comutarea sau dezactivarea unei oglinzi. Din 2014 nu a fost anunțat niciun astfel de experiment.

Experimentul cosmic descris de Wheeler are și alte probleme, dar direcționarea copiilor funcțiilor de undă în un loc sau altul, după ce fotonul implicat s-a presupus că „a decis” să fie undă sau particulă, nu necesită deloc o viteză mare. Are aproximativ un miliard de ani la îndemână pentru a face aceasta.

Versiunea cosmică a experimentului cu interferometru ar putea fi ușor adaptată pentru a funcționa ca un dispozitiv cosmic cu două fante, așa cum este indicat în ilustrație. Wheeler pare să nu fi luat în considerare această posibilitate. Cu toate acestea, ea a fost discutată de alți cercetători.

Concluzii

Ma, Zeilinger și colab. au rezumat ceea ce poate fi cunoscut ca rezultat al experimentelor care au apărut din propunerile lui Wheeler. Ei afirmă:

”Orice explicație a ceea ce se întâmplă într-o observație individuală specifică a unui foton trebuie să țină cont de întregul aparat experimental al stării totale cuantice constând din ambii fotoni și poate avea sens numai după ce s-au înregistrat toate informațiile referitoare la variabilele complementare. Rezultatele noastre demonstrează că punctul de vedere că fotonul sistemului se comportă fie ca o undă, fie ca o particulă, ar necesita o comunicare mai rapidă decât lumina. Deoarece acest lucru ar fi într-o puternică contradicție cu teoria specială a relativității, noi credem că la un astfel de punct de vedere ar trebui să se renunțe în întregime.”