Kvanteverdenens virkelighed
Einstein
mente, at kvantemekaniske beskrivelser af fysiske systemer er
ufuldstændige. Laboratorieprøver viser, at han sikkert tog fejl;
kvanteverdenens bizarre natur må accepteres
Abner Shimony*
Indledning
Bells teorem
Alain Aspects eksperiment
Det forsinkede valgs eksperiment
Makroskopisk ubestemthed
Vi lever i en bemærkelsesværdig æra, i hvilken eksperimentelle
resultater er begyndt at belyse filosofiske spørgsmål. På
intet område har resultaterne været så dramatiske, som
indenfor kvantemekanik. Teorien er blevet glimrende bekræftet siden
1920'erne, da dens forudsigelser om atomare, molekylære, optiske,
faststof og elementarpartikel fænomener blev vist at være
nøjagtige. På trods af disse succes'er har kvantemekanikkens
bizarre og uforstilbare karakter ført nogle forskere, deriblandt
Einstein, til at tro, at den kvantemekaniske beskrivelse af fysiske systemer
er ufuldstændig og kræver en udbygning. Nylige eksperimenter
viser, at dette synspunkt sandsynligvis er forkert. De eksperimentelle
resultater afslører tydeligere end nogensinde, at vi lever i en
mærkelig "kvanteverden", som afviser komfortabel, fornuftig
tolkning.
Her er nogle få af de mange ny opdagelser, som
vi må begynde at acceptere. For det første kan to ting, der er
adskilt med mange meter og som ikke har nogen måder at kommunikere med
hinanden på, ikke desto mindre være "viklet sammen": de
kan fremvise slående korrelationer i deres opførsel sådan,
at en måling udført på den ene ting synes
øjeblikkeligt at have indflydelse på resultatet af en
måling på den anden. Opdagelsen kan ikke forklares ud fra et
klassisk synspunkt, men det stemmer fuldstændigt med kvantemekanikken.
For det andet kan en foton, lysets grundlæggende enhed, opføre
sig som enten en partikel eller en bølge og den kan befinde sig i en
ubestemt tilstand indtil en måling udføres. Hvis man måler
en partikellignende egenskab, opfører den sig som en partikel og hvis
man måler en bølgelignende egenskab opfører fotonen sig
som en bølge. Hvorvidt fotonen er partikelagtig eller
bølgeagtig er ubestemt, indtil det eksperimentelle arrangement
angives. Endelig er forestillingen om ubestemthed ikke længere
begrænset til de atomare eller subatomare områder. Forskere har
opdaget, at et makroskopisk system under nogle omstændigheder kan
befinde sig i en tilstand, hvor en makroskopisk observabel har en ubestemt værdi.
Hver af disse opdagelser ændrer på dramatisk måde den
måde, vi opfatter verden på.
En forståelse af disse eksperimenter og deres
filosofiske betydninger kræver nogen kendskab til kvantemekanikkens
grundlæggende ideer. Essentielt i enhver diskussion af teorien er
begrebet om kvantetilstanden, eller bølgefunktionen. Kvantetilstanden
angiver alle et fysisk systems mængder i den udstrækning, det er
muligt at gøre det. Advarslen i slutningen af den foregående
sætning er afgørende, for ifølge kvantemekanikken har
ikke alle et systems mængder samtidigt bestemte værdier. Det
velkendte Heisenberg ubestemthedsprincip, som fastslår, at en partikels
position og bevægelsesmængde ikke samtidigt er bestemte, er
måske det bedst kendte tilfælde af dette princip.
Det, som et systems kvantetilstand eksakt forsyner os
med, er sandsynligheden for hver af de mulige resultater af ethvert
eksperiment, der kan udføres på systemet. Hvis sandsynligheden
er 1, er det sikkert, at resultatet hænder; hvis sandsynligheden er 0,
er det sikkert, at resultatet ikke hænder. Hvis sandsynligheden
imidlertid er et tal mellem nul og 1, kan man ikke i hver enkelt individuelt
tilfælde sige, hvad resultatet vil blive. Alt hvad man kan sige er,
hvad det gennemsnitlige resultat af et angivet eksperiment, som
udføres på ens systemer, vil være.
Lad os forestille os, at målingerne
udføres på en foton. Fotonens kvantetilstand er fastsat, hvis
man kender tre mængder: fotonens retning, dens frekvens og dens
lineære polarisation (retningen af det elektriske felt, der er
associeret med fotonen). Et stykke polariserende film er velegnet til at
måle polarisation. Filmen er indrettet sådan, at den
transmitterer alt lys, der falder ind på den i en ret vinkel, hvis
lyset er lineært polariseret langs en bestemt retning i filmen, som
kaldes transmissionsaksen. Filmen blokerer for alt lys, der falder ind
på den i en ret vinkel, hvis lyset er lineært polariseret
vinkelret på transmissionsaksen.
Forskellige eksperimenter kan udføres ved at
rotere den polariserende film på forskellige måder. Hvis fotonen
er lineært polariseret langs transmissionsaksen, er sandsynligheden 1
for, at den vil blive transmitteret. Hvis fotonen er lineært
polariseret vinkelret på transmissionsaksen, er sandsynligheden for, at
den vil blive transmitteret, 0. Udover hvad der er nævnt indtil nu, er
en yderligere følge af kvantemekanikken, at hvis fotonen er
lineært polariseret i en vinkel til transmissionsaksen på mellem
0 og 90 grader, er sandsynligheden for transmission et tal mellem 0 og 1
(specifikt kvadratet på cosinus til den bestemte vinkel). Hvis vi
f.eks. siger, at sandsynligheden er en-halv, så vil, ud af 100 fotoner
der er lineært polariseret i den tilsvarende vinkel til
transmissionsaksen, 50 i gennemsnit blive transmitteret .(Se Fig.1).
Fig.1. Et kvantesystems ubestemthed
illustreret for en foton. Et stykke polariserende film transmitterer alt lys,
der falder ind på det i en ret vinkel, hvis lyset er polariseret langs
en bestemt retning i filmen, der kaldes transmissionsaksen (skravering).
Denne polarisationstilstand af fotonen er repræsenteret af den farvede
bølgelinie øverst. Filmen blokerer alt lys, der falder
vinkelret ind på den, hvis lyset er lineært polariseret vinkelret
på transmissionsaksen (den grå bølgelinie øverst).
Antag nu, at en foton er lineært polariseret med en vinkel til
transmissionsaksen mellem nul og 90 grader (nederst). Så er det
ubestemt om fotonen vil blive transmitteret eller ej; sandsynligheden for
transmission er et tal mellem nul og 1 (kvadratet på cosinus til
vinklen).
En anden af kvantemekanikkens grundlæggende ideer er
superpositionsprincippet, som fastslår, at der kan dannes yderligere
tilstande ud fra hvilke som helst to af et kvantesystems tilstande ved at
overlejre dem. Fysisk svarer fremgangsmåden til at danne en ny
tilstand, som "overlapper" hver af de tilstande, den dannes af.
Ideen kan illustreres ved at tænke på en fotons to
kvantetilstande, hvori fotonens polarisationsretning i den første
tilstand er vinkelret på fotonens polarisationsretning i den anden.
Så kan der dannes et hvilket som helst antal tilstande, i hvilke
fotonens polarisation peger i en vinkel mellem de to vinkelrette retninger.
Alene ud fra disse to grundlæggende ideer -
ubestemthed og superpositionsprincippet - burde det allerede være
klart, at kvantemekanikken er i skarp modsætning til almindelig sund
fornuft. Hvis et systems kvantetilstand er en fuldstændig beskrivelse
af systemet, så er en mængde, der har en ubestemt værdi i
den kvantetilstand, objektivt ubestemt: dens værdi er ikke bare ukendt
for forskeren, som søger at beskrive systemet. Da resultatet af en
måling af en objektivt ubestemt mængde endvidere ikke er bestemt
af kvantetilstanden og kvantetilstanden alligevel er den fuldstændige
bærer af information om systemet, er resultatet udelukkende et
spørgsmål om objektiv tilfældighed - ikke bare et
spørgsmål om tilfældighed forstået som
uforudsigelighed af forskeren. Endelig, sandsynligheden for hvert muligt
resultat af målingen er en objektiv sandsynlighed. Klassisk fysik var
ikke i konflikt med almindelig sund fornuft på disse grundlæggende
måder.
Hvis systemet består af to korrelerede dele,
frembringer kvantemekanikken endnu mere forbavsende konsekvenser. Antag, at
to fotoner flyver fra hinanden i modsatte retninger. En mulig kvantetilstand
for fotonparret er tilstanden, hvor begge fotoner er lineært polariseret
langs en lodret akse. En anden mulig tilstand er den, hvor de begge er
lineært polariseret langs en vandret akse. Der er intet særligt
mærkeligt eller overraskende ved disse to-foton kvantetilstande, udover
særhederne ved de enkelt-foton tilstande, som blev nævnt ovenfor.
Men hvis superpositionsprincippet indføres, kan der forekomme
mærkelige virkninger.
Ved at bruge superpositionsprincippet kan man
især danne en kvantetilstand, som indeholder ens mængder af den
lodret polariserede tilstand og den vandret polariserede tilstand. Denne ny
tilstand vil spille en fremtrædende rolle i det følgende og
derfor vil vi give den et navn  (da det
græske bogstav psi almindeligvis bruges til at repræsentere en
kvantetilstand). 's egenskaber er i
sandhed meget specielle. Antag for eksempel, at man indsætter
polariserende film med lodret orienterede transmissionsakser i fotonernes
baner. Fordi indeholder ens mængder
af de lodret og vandret polariserede tilstande, er der en sandsynlighed
på en halv for, at begge fotoner vil blive transmitteret gennem deres
respektive film og en sandsynlighed på en halv for at begge vil blive
blokeret. Det der ikke kan ske er, at en foton bliver transmitteret og den
anden bliver blokeret. Med andre ord er resultatet af de lineære
polarisationseksperimenter på de to fotoner strengt korrelerede.
Fig.2.
Korrelationer mellem to fotoner sker, når fotonerne er i en speciel
tilstand kaldet (efter
bogstavet psi i det græske alfabet). Tilstanden kan dannes ved at
overlejre den tilstand, hvori begge fotoner er lineært polariseret
langs en lodret akse med den tilstand, hvori de begge er lineært
polariseret langs en vandret akse. Tilstanden indeholder ens mængder af
den lodret polariserede tilstand og den vandret polariserede tilstand. Antag
nu, at der indsættes polariserende film med horisontale
transmissionsakser i fotonernes ruter. Da indeholder ens mængder af de
to tilstande, er der en 50 procents sandsynlighed for, at begge fotoner vil
blive transmitteret gennem deres respektive film og en 50 procents
sandsynlighed for, at begge vil blive blokeret. Det der ikke kan ske er, at
en foton vil blive transmitteret og den anden blive blokeret: resultaterne af
de lineære polarisations eksperimenter er strengt korrelerede. Faktisk
er det ligegyldigt, hvilken retning filmene har, blot de svarer til hinanden;
på en eller anden måde "ved" den anden foton i parret,
om den skal passere gennem sin polariserede film for at stemme med passagen
eller ikke-passagen af den første foton, selv om der er stor afstand
mellem fotonerne.
Resultatet vil være det samme, hvis de polariserende film er
orienteret med en vinkel på 45 grader i forhold til vandret: enten vil
begge fotoner blive transmitteret eller begge vil blive blokeret. Det kan
simpelthen ikke forekomme, at en foton transmitteres og den anden blokeres. I
virkeligheden er filmenes retning underordnet, bare de stemmer overens;
resultaterne af de lineære polarisationseksperimenter er strengt
korrelerede for en uendelig mængde mulige eksperimenter. (Naturligvis
kan kun et af eksperimenterne udføres i virkeligheden). På en
eller anden måde "ved" den anden foton i parret, om den skal
passere gennem den polariserende film for at stemme overens med den
første fotons passage eller ej, selv om de to fotoner er langt adskilt
og ingen af dem har en mekanisme til at informere den anden om sin
opførsel. Så i denne situation udfordrer kvantemekanikken det
relativistiske begreb om lokalitet, som siger, at en begivenhed ikke kan have
virkninger, der udbreder sig hurtigere end lyset (og, især,
øjeblikkelige virkninger på afstand).(Se Fig.2).
Det skal understreges, at alle de særlige
konsekvenser, der er blevet fremdraget indtil nu - objektiv ubestemthed,
objektiv tilfældighed, objektiv sandsynlighed og ikke-lokalitet -,
afgjort afhænger af den forudsætning, at en kvantetilstand er en
komplet beskrivelse af systemet. Et antal teoretikere har imidlertid
fastholdt, at kvantetilstanden kun beskriver en samling systemer, som er
forberedt på ens måde og at det er derfor, gode forudsigelser kan
gøres om det samme eksperiments statistiske resultater, når det
udføres på alle systemets enheder. Samtidig, lyder argumentet,
adskiller de forskellige enheder i systemet sig fra hinanden på måder,
som ikke nævnes af kvantetilstanden og dette er grunden til, at
resultaterne af de individuelle eksperimenter er forskellige. De individuelle
systemers egenskaber, som ikke angives af kvantetilstanden, omtales som
skjulte variabler.
Hvis skjult-variabel teoretikerne har ret, findes der
ingen objektiv ubestemthed. Der findes kun uvidenhed, fra forskerens side,
angående værdien af de skjulte variabler, som karakteriserer et
individuelt system af interesse. Endvidere findes der ingen objektiv
tilfældighed og der er ingen objektive sandsynligheder. Allervigtigst
er det, at kvantekorrelationerne ikke er mere overraskende end
overensstemmelsen mellem to aviser, der er trykt i den samme presse og postet
til to forskellige byer.
I 1964 viste John S. Bell fra CERN, det europæiske laboratorium for
partikelfysik, at de lokale skjulte-variabel modeller er i uoverensstemmelse
med kvantemekanikkens forudsigelser. Overvejelser over nogle skjulte-variabel
modeller af David Bohm fra Birkbeck College i London og Louis de Broglie førte
Bell til at bevise det berømte teorem, at ingen model, som er lokal (i
en omhyggeligt angivet forstand), kan stemme overens med alle
kvantemekanikkens statistiske forudsigelser. Med andre ord findes der fysiske
situationer, i hvilke kvantemekanikkens forudsigelser ikke stemmer overens
med enhver skjult-variabel model. [Se "The Quantum Theory and Reality," by Bernard d'Espagnat;
Scientific American, November, 1979], [Kvanteteorien og virkeligheden].
Ideen med Bells teorem kan forstås, i
hvert fald delvist, ved at vende tilbage og betragte kvantetilstanden . Som bemærket ovenfor skal resultaterne
af lineære polarisations-eksperimenter være strengt korrelerede,
når vinklen mellem de to polariserende films transmissionsakser er 0
grader (som den er, når begge akser er rettet lodret op). Det burde
derfor ikke komme som en overraskelse at opdage, at for tilstanden er der altid i det mindste en delvis
korrelation mellem resultaterne, ligegyldigt hvad vinklen er mellem
transmissionsakserne. (Specifikt, hvis en af fotonerne transmitteres gennem
sin polariserende film, så er sandsynligheden, for at den anden foton
vil blive transmitteret gennem sin film, kvadratet på cosinus til
vinklen mellem de to transmissionsakser).
Som konsekvens heraf skal en skjult-variabel teori,
som stemmer overens med alle kvantemekanikkens statistiske forudsigelser, omhyggeligt
tildele værdier til hver af sættets fotonpar for at garantere de
strenge eller delvise korrelationer ved hver vinkel mellem akserne. Men
kravet om lokalitet kræver, at de værdier, der tildeles hver
foton i et par, skal være uafhængige af retningen af den
polariserende film, som den anden foton rammer og uafhængige af den
anden fotons passage eller ikke-passage. Det er dette krav om lokalitet, der
helt umuliggør de omhyggelige justeringer, som ville være
nødvendige for at reproducere alle korrelationerne, strenge og
delvise, som følger af .
Bells teorem viser, at man i princippet kan bestemme
eksperimentelt, hvad der er korrekt: kvantemekanikken eller de lokale
skjult-variabel modeller. Det var vigtigt at udføre en sådan
prøve, for til trods for den utrolige mængde bekræftende
vidnesbyrd for kvantemekanikken på det tidspunkt, hvor Bell beviste sit
teorem, var selve de punkter, hvor kvantemekanikken uden tvivl ikke stemmer
med almindelig sund fornuft, ikke endnu blevet undersøgt.
I 1969 foreslog John F. Clauser, da fra Colombia
University, Michael A. Horne fra Boston University, Richard A. Holt, da fra
Harvard University og jeg en konstruktion til den nødvendige
prøve. Fotonpar med korrelerede lineære polarisationer skulle
fremstilles ved at anslå atomer til en passende starttilstand;
efterfølgende ville atomerne vende tilbage til den ikke anslåede
tilstand ved at udsende to fotoner. Filtre og linser ville sikre, at
når fotonerne fløj bort i modsatte eller næsten modsatte
retninger, ville en foton ramme en polariserende analysator og den anden
ville ramme en anden polariserende analysator. Ved at skifte mellem to
retninger for hver analysator og notere det antal fotonpar der blev
transmitteret i hver af de fire mulige kombinationer af retninger for de to
analysatorer, kunne man måle korrelationerne ved transmissionerne af et
fotonpar.
Vi foreslog, at enten calcite krystaller eller
stablede glasplader kunne bruges som polarisations-analysatorer, da de begge
er meget mere effektive end en polariserende film til at blokere fotoner, der
er polariseret vinkelret på transmissionsaksen. Fotodetektorer anbragt
bag analysatorerne ville detektere en bestemt brøkdel af de fotoner,
der passerede gennem analysatorerne. Hvis to fotoner, en ved hver detektor,
blev registreret indenfor 20 nanosekunder (milliarddele af et sekund) af
hinanden, ville sandsynligheden for, at de blev udsendt af det samme atom,
være temmelig stor. Da linserne ville samle de to fotoner indenfor en
bestemt vinkel, ville kvantetilstanden ikke eksakt være den tilstand, som vi diskuterede ovenfor, men en
modificeret tilstand  , som også
fører til korrelationer, der ikke kan reproduceres af nogen lokal
skjult-variabel model.
Fig.3.
Eftersøgningen af korrelationer mellem medlemmer af fotonpar blev
udført i 1970'erne af et antal forskere. Fotonparrene blev udsendt i
overgange mellem energitilstande i kalcium- og kviksølvatomer; hver
foton ramte en polarisationsanalysator. Kvantemekanikken forudsiger, at der
skal være omhyggelige korrelationer i passagen og ikke-passagen af
fotonerne gennem deres analysatorer, selv om fotonerne tilsyneladende ikke
har nogen måde at kommunikere med hinanden på. Eksperimenterne
bekræftede hovedsagelig kvantemekanikken, men de havde et smuthul: de
to analysatorers retning var fastsat før fotonerne blev udsendt.
Derfor var det en mulighed, at der på en eller anden måde blev
udvekslet information mellem analysatorerne.
Eksperimentet blev udført af Stuart J. Freedman og Clauser på
University of California at Berkeley i 1972, af Edward S. Fry og Randall C.
Thompson på Texas A.&M. University i 1975 og efterfølgende
af andre grupper. De fleste af de eksperimentelle resultater stemmer med
kvantemekanikkens korrelationsforudsigelser og stemmer ikke med
skjult-variabel modellerne(Se Fig.3). Desuden er pålideligheden af de
eksperimenter, der ikke stemmer med kvantemekanikken, tvivlsom på grund
af spidsfindige svagheder i deres konstruktion.
Men indtil fornylig havde alle eksperimenterne et smuthul, som tillod alle
trofaste forsvarere af skjult-variabel modellerne at holde fast ved deres
forhåbninger: polarisationsanalysatorerne blev fastholdt i deres
respektive retninger i intervaller på omkring et minut, hvilket er
rigelig tid til udveksling af information mellem analysatorerne gennem en
eller anden hypotetisk mekanisme. Som resultat kunne forsvarerne fastholde,
at den specielle relativitetsteori ikke medførte, at
lokalitets-betingelsen i Bells teorem var gældende i eksperimenternes
fysiske situation. Men så kunne disse eksperimenter ikke tjene som
afgørende prøver mellem kvantemekanik og lokale skjult-variabel
modeller.
For at lukke dette smuthul udførte Alain
Aspect, Jean Dalibard og Gérard Roger fra Institute of Optics ved
University of Paris et strålende eksperiment, i hvilket valget mellem
de polariserende analysatorer udføres med optiske kontakter, mens
fotonerne er på vej. I deres eksperiment, som krævede otte
års arbejde og først blev fuldført i 1982, er hver
kontakt en lille beholder med vand, hvori stående bølger
periodisk frembringes ultrasonisk. Bølgerne tjener som
diffraktionsriller, der kan afbøje en indfaldende foton med stor
effektivitet. Hvis de stående bølger er slået til, vil
fotonen blive afbøjet til en analysator, som er rettet én vej;
hvis de stående bølger er slukket, vil fotonen bevæge sig
ligeud til en analysator, som er rettet en anden vej.
Skiftet mellem retningerne tager omkring 10
nanosekunder. Generatorerne, der driver de to kontakter, virker
uafhængigt, selvom driften(uheldigt for eksperimentets
fuldstændige bestemthed) er periodisk i stedet for tilfældig.
Afstanden mellem analysatorerne er 13 meter, således at et signal, der
bevæger sig med lysets hastighed (den højeste hastighed, der
tillades af den specielle relativitetsteori), bruger 40 nanosekunder for at
bevæge sig mellem dem. Derfor burde valget af retning for den
første polariserende analysator ikke have indflydelse på
transmissionen af den anden foton gennem den anden analysator og valget af
retning for den anden analysator burde ikke indvirke på transmissionen
af den første foton gennem den første analysator. Det
eksperimentelle arrangement forventes således at opfylde Bells
lokalitetskrav. Heraf følger - ifølge Bells teorem - at der
skulle være nogle overtrædelser af de kvantemekaniske
forudsigelser om korrelationerne i det eksperimentelle resultat.
Faktisk gav eksperimentet lige det modsatte resultat.
Korrelationsdata stemmer indenfor eksperimentets fejlmargin med de
kvantemekaniske forudsigelser, som beregnes på basis af
kvantetilstanden . Desuden afviger
data med mere end fem standardafvigelser fra de ekstreme grænser, der
ifølge Bells teoremer tilladt af enhver af de skjulte variable
modeller.
Fig.
4. Hurtigt skift mellem polarisations-analysatorernes retninger mens
fotonerne fløj, var kendetegnet ved det eksperiment, der blev
udført af Aspect og hans kolleger i 1982. Når en kontakt var
"tændt", blev en foton afbøjet til en analysator, som
var rettet én vej; når kontakten var "slukket", rejste
fotonen direkte til en analysator, som var rettet en anden vej. Tiden, der
krævedes for lys til at rejse mellem analysatorerne, var større
end den tid, der krævedes for at skifte mellem retningerne,
således at valg af retning for hver analysator ikke kunne påvirke
observationen, der blev gjort ved den anden analysator. (Uheldigvis var
eksperimentet ikke fuldstændig definitivt, da skiftet var periodisk i
stedet for tilfældigt). Eksperimentet bekræftede
kvantemekanikken; det ser ud til at teoriens mærkværdige konsekvenser
må accepteres.
Selv om Aspects og hans kollegers eksperiment ikke er fuldstændigt
afgørende, tror de fleste, at udsigten til at forkaste resultaterne
gennem fremtidige eksperimenter er yderst ringe. Det forekommer usandsynligt,
at familien af lokale skjult-variabel modeller kan reddes. Kvanteverdenens
mærkelige egenskaber - objektiv ubestemthed, objektiv
tilfældighed, objektiv sandsynlighed og ikke-lokalitet - forekommer at
være permanent inkorporeret i fysikteori.
En af de mærkeligste egenskaber ved
kvanteverdenen er ikke-lokalitet. Kan det faktum, at en måling på
en foton under visse omstændigheder tilsyneladende øjeblikkeligt
påvirker resultatet af en måling på en anden foton,
udmøntes til, at man kan sende et budskab hurtigere end lysets
hastighed? Heldigt for den specielle relativitetsteori er svaret på
spørgsmålet nej. En underliggende antagelse i den teori - at
intet signal kan rejse hurtigere end lyset - er bevaret.
Her er et kort argument, der viser hvorfor. Antag at
to personer ønsker at kommunikere ved hjælp af et apparat som
det, der blev brugt til at afprøve lokale skjulte-variabler modeller.
Mellem observatørerne udsender en kilde par af korrelerede fotoner.
Hver observatør er udstyret med en polarisationsanalysator og en
fotodetektor. Det står observatørerne frit at dreje deres
analysatorers transmissionsakser, hvilken vej de ønsker.
Antag, at observatørerne enes om at rette
transmissionsakserne lodret. Hver gang der udsendes et par fotoner, vil der
så være en streng korrelation i resultatet: enten vil begge
fotoner passere gennem analysatorerne eller begge vil blive blokeret. Men den
strenge korrelation er ikke af nogen værdi for hver observatør
isoleret fra den anden. Den første observatør vil
bemærke, at fotonerne passerer gennem den første analysator halvdelen
af gangene, i gennemsnit, og halvdelen af gangene blokeres de. Den anden
observatør vil bemærke det samme for den anden analysator. Med
andre ord ser hver observatør i isolation kun et tilfældigt
mønster af transmissioner og blokader.
Forestil Dig nu at den første
observatør prøver at kode noget information og sende det til
den anden observatør ved at ændre retningen af den første
polarisationsanalysator. Afhængig af den analysators retning vil der
være enten en streng eller delvis korrelation mellem begivenhedernes
resultat i hver detektor. Endnu en gang vil hver observatør imidlertid
bemærke, at i gennemsnit passerer fotoner igennem halvdelen af tiden og
halvdelen af tiden blokeres de. Alment, uanset hvad analysatorernes retning er,
ser hver observatør i isolation kun et tilfældigt (og statistisk
identisk) mønster af transmissioner og blokader. Kvantekorrelationerne
mellem fotonerne kan kun checkes ved at sammenligne data, som er indsamlet
ved de to detektorer. Derfor kan forsøget på at udnytte kvantekorrelationerne
til at sende budskaber hurtigere end lyset ikke lykkes.
I denne forstand er der en fredelig sameksistens
mellem kvantemekanik og relativitetsteori til trods for den kvantemekaniske
ikke-lokalitet. Af denne grund ville det være vildledende (og forkert)
at sige, at ikke-lokaliteten i den kvantemekaniske forstand er en
tilbagevenden til virkning på afstand, som i Newtons
før-relativistiske tyngdeteori. Det er fristende at karakterisere
kvantemekanisk ikke-lokalitet som "følelse på afstand",
ikke under foregivende af at give en forklaring på de mærkelige
korrelationer, men kun for at understrege, at korrelationerne ikke kan
benyttes til at udøve en kontrolleret indflydelse hurtigere end et
lyssignal kan sendes.
En anden test, kaldet det forsinkede valgs eksperiment, som blev
foreslået i 1978 af John Archibald Wheeler, som da var på
Princeton University, afslører også den mærkelige
kvanteverden. Eksperimentets grundlæggende apparatur er et
interferometer, hvori en lysstråle kan deles og sættes sammen
igen. En lysimpuls fra en laser affyres mod stråledeleren (beam
splitter), som er drejet på en sådan måde, at halvdelen af
lyset passerer gennem deleren og halvdelen reflekteres i rette vinkler
på den indfaldende impuls. Hvis lyset fra de to baner
efterfølgende rekombineres, kan man detektere et
interferensmønster, hvilket demonstrerer lysets bølgeagtige
kvalitet.
Antag nu, at laserimpulsens lys dæmpes så
meget, at der på et hvilket som helst tidspunkt kun er en foton i
interferometeret. I denne situation kan man stille to forskellige
spørgsmål om fotonen. Tager fotonen en bestemt rute, så
den enten transmitteres eller reflekteres af stråledeleren og derved
udviser partikelagtige egenskaber? Eller transmitteres og reflekteres fotonen
i en vis forstand samtidigt således, at den interfererer med sig selv
og derved udviser bølgeagtige egenskaber?
Et svar blev fornyligt leveret af Carroll O. Alley,
Oleg G. Jakubowicz og William C. Wickes fra University of Maryland at College
Park og uafhængigt af T. Hellmuth, H. Walther og Arthur G. Zajonc fra
University of Munich. Begge grupper fandt, at en foton opfører sig som
en partikel, når man måler partikelagtige egenskaber og at den
opfører sig som en bølge, når man måler
bølgeagtige egenskaber. Den bemærkelsesværdige nyskabelse
ved resultaterne er, at eksperimentet var arrangeret således, at
beslutningen om at måle partikelagtige eller bølgeagtige
egenskaber blev gjort efter, at hver foton havde vekselvirket med
stråledeleren. Derfor kunne fotonen ikke være
"informeret" på det afgørende øjeblik ved
vekselvirkningen med stråledeleren, om den skulle opføre sig som
en partikel og tage en bestemt rute eller om den skulle opføre sig som
en bølge og udbrede sig ad to ruter.
Længden af begge ruter i interferometeret var
omkring 4,3 meter, som en foton kan rejse på ca. 14,5 nanosekunder. Det
er indlysende, at dette ikke giver tid nok til, at et mekanisk apparat kan
skifte mellem at måle partikel- og bølgelignende egenskaber.
Opgaven blev muliggjort af en kontakt, kaldet en Pockets celle, som kan
aktiveres på ni nanosekunder eller mindre. En Pockets celle indeholder
et krystal, der bliver birefrangibelt, når en spænding
påføres over det: lys polariseret langs én krystalakse udbredes
med en hastighed, som er forskellig fra dén, som det lys, der er
polariseret vinkelret herpå, udbredes med. Givet, at valget af
spænding og opstillingens geometri er korrekt, så vil lys, der er
polariseret i en retning, når det indtræder i cellen, fremkomme
polariseret i den vinkelrette retning. Pockets cellen blev indsat i en af de
to ruter, fotonen kunne tage efter at have vekselvirket med
stråledeleren. (se Fig. 5, nedenfor).
Fig.
5. Forsinket valg eksperimentet er en anden prøve, som
afslører kvanteverdenens mærkværdighed. En foton rammer en
stråledeler (beam splitter). Man kan stille to spørgsmål
om fotonen. Tager fotonen en bestemt rute, således at den enten
transmitteres eller reflekteres af stråledeleren og dermed viser en
partikelagtig opførsel? Eller bliver fotonen i en vis forstand både
transmitteret og reflekteret således, at den interfererer med sig selv
og viser en bølgeagtig opførsel? For at finde ud af det,
placeres en kontakt i en af de to ruter fotonen kan tage efter at have
vekselvirket med stråledeleren (her rute A). Hvis kontakten er tændt,
afbøjes lyset ind i en fotodetektor (rute B) og svarer dermed på
spørgsmålet om hvilken rute og bekræfter fotonens
partikelagtige egenskaber. Hvis kontakten er slukket, har fotonen mulighed
for at interferere med sig selv (ruterne A og A') og danne et interferensmønster,
som viser fotonens bølgeagtige egenskaber. Resultater fra
eksperimentet viser, at en foton opfører sig som en bølge,
når man måler bølgeagtige egenskaber og opfører sig
som en partikel, når man måler partikelagtige egenskaber. Det er
bemærkelsesværdigt, at kontakten blev aktiveret efter, at fotonen
havde vekselvirket med stråledeleren, så fotonen ikke kunne
være blevet informeret om, hvorvidt den skulle opføre sig som en
partikel og tage en bestemt rute eller om den skulle opføre sig som en
bølge og udbrede sig samtidig langs to ruter.
Et stykke polariserende film var det andet væsentlige element, som
var nødvendigt for at skifte mellem målinger af partikel- og
bølgelignende egenskaber. Lys, der kom ud af Pockets cellen, faldt ind
på filmen. Hvis cellen var "tændt", var lysets
polarisation sådan, at den polariserende film reflekterede lyset ind i
en fotodetektor og derved besvarede spørgsmålet om hvilken rute
og bekræftede fotonens partikellignende egenskaber. Hvis cellen var
"slukket" var lysets polarisation sådan, at den polariserende
film transmitterede lyset, som så blev kombineret med bidraget, der kom
fra den anden rute; interferensvirkninger bekræftede lysets
bølgelignende natur.
Begge grupper forskere har rapporteret resultater,
som er i glimrende overensstemmelse med kvantemekanikken. Deres arbejde
viser, at valget mellem de to spørgsmål kan gøres efter,
at en individuel foton har vekselvirket med et interferometers
stråledeler.
Hvordan skal man tolke resultaterne fra det
forsinkede valgs eksperiment? Det er værd først at afvise en
ekstravagant tolkning, som sommetider er blevet fremført: at
kvantemekanikken tillader en slags "rækken ind i fortiden".
Kvantemekanikken forårsager ikke, at der sker noget, som ikke var sket
før. Specifikt, i det forsinkede valgs eksperiment, forårsager
kvantemekanikken ikke, at fotonen tager en bestemt rute ved tid 0, hvis
Pockets cellen 12 nanosekunder senere tændes og den forårsager
ikke, at fotonen tager begge ruter, på bølgeagtig måde,
hvis kontakten er slukket.
En mere naturlig tolkning er, at fotonens objektive
tilstand i interferometeret efterlader mange egenskaber ubestemte. Hvis
kvantetilstanden giver en komplet beskrivelse af fotonen, så er
konklusionen ikke overraskende, da der i hver kvantetilstand er egenskaber,
der er ubestemte. Men konklusionen rejser et yderligere
spørgsmål: Hvordan og hvornår bliver en ubestemt egenskab
bestemt? Wheelers svar er, at "intet elementært
kvantefænomen er et fænomen, før det er et registreret
fænomen". Med andre ord, overgangen fra ubestemthed til bestemthed
er ikke fuldstændig, før en "irreversibel
forstærkningshandling", som sværtningen af et korn
fotografisk emulsion, finder sted. Imidlertid er forskere i kvantemekanikkens
grundlag uenige om tilstrækkeligheden af Wheelers svar. Det næste
eksperiment viser, hvorfor spørgsmålet stadig står
åbent.
I 1935 foreslog Erwin Schrödinger et berømt tankeeksperiment.
En foton rammer ind på et spejl, der er halvt belagt med sølv.
Fotonen har en sandsynlighed på en halv for at passere gennem spejlet
og en sandsynlighed på en halv for at blive reflekteret. Hvis fotonen
passerer gennem spejlet, detekteres den og detektionen aktiverer en
anordning, som knuser en flaske cyangas, som derefter dræber en kat i
en kasse. Det kan ikke afgøres om katten er levende eller død,
før kassen åbnes.
Der ville ikke være noget paradoksalt i denne
tingenes tilstand, hvis fotonens passage gennem spejlet var objektivt bestemt
men bare ukendt før observationen. Fotonens passage er, imidlertid,
objektivt ubestemt. Derfor er knusningen af flasken objektivt ubestemt og det
samme er kattens lebendighed. Med andre ord, katten svæver mellem liv
og død, indtil den bliver observeret. Konklusionen er paradoksal, men
det drejer sig i det mindste kun om et tankeeksperiment.
Det er nu mere vanskeligt at afvise konklusionens
paradoksale natur, fordi noget, der ligner Schrödingers
tankeeksperiment, fornylig er blevet opnået af et antal grupper af
forskere, deriblandt Richard F. Voss og Richard A. Webb fra IBM Thomas J.
Watson Research Center i Yorktown Heights, Lawrence D. Jackel fra AT&T
Bell Laboratories, Michael H. Devoret fra Berkeley og Daniel B. Schwartz fra
State University of New York at Stony Brook. Deres arbejde har i en vis udstrækning
været funderet på beregninger, som blev udført af Anthony
J. Leggett fra University of Illinois at Urbana-Champaign og Sudip
Chakravarty på Stony Brook blandt andre forskere.
Det eksperimentelle apparatur består af en
næsten lukket superledende ring. En tynd skive isolerende materiale
(kaldet en Josephson junction) afbryder ringen, men en elektrisk strøm
kan cirkulere rundt i ringen p.g.a. "tunnelering" gennem
isolatoren. Strømmen frembringer et magnetisk felt.
Den mængde, der er af interesse i systemet, er
den magnetiske flux gennem ringen, som (når feltet er ensartet) er lig
med ringens areal ganget med komponenten af den magnetiske flux, der er
vinkelret på ringens plan. Hvis ringen var ubrudt, ville fluxen
være fanget indeni ringen, men isolatoren tillader fluxen at skifte fra
en værdi til en anden. Med moderne magnetometre kan fluxens værdi
måles med fantastisk nøjagtighed. Det faktum, at fluxen stammer
fra bevægelsen af enorme antal elektroner (i størrelsesordenen
1023) i den superledende ring, retfærdiggør talen om,
at fluxen er en makroskopisk mængde. Der er nu gode vidnesbyrd om, at
den superledende rings tilstande kan tilberedes sådan, at fluxen ikke
har en bestemt værdi - en kvantemekanisk egenskab, som tidligere kun
var etableret for mikroskopiske systemers observabler.
For at forstå hvordan denne ubestemthed
demonstreres eksperimentelt, er det nødvendigt at vide, at for hver
værdi af fluxen har ringen en bestemt potentiel energi. Almindeligvis
ville man ikke forvente, at fluxen gennem ringen kunne skifte spontant fra en
værdi til en anden, fordi en potentiel energibarriere adskiller
fluxværdier, der ligger ved siden af hinanden. Klassisk fysik forbyder
overgangen mellem to sådanne fluxværdier, medmindre en eller anden
ydre energi, typisk termisk, tilføres for at overvinde barrieren
mellem dem. I kvantemekanik kan der på den anden side tunneleres gennem
barrieren uden nogen ydre energikilde. De ovennævnte grupper forskere
har vist, at fluxen skifter mellem to værdier og at der ikke kan redegøres
for skiftet udelukkende termisk; den observerede tunnelering må
være i det mindste delvist kvantemekanisk, især ved meget lave
temperaturer. Men kvantemekanisk tunnelering hviler essentielt på
fluxens ubestemthed, som således ikke kan lokaliseres bestemt på
eller tæt på en eller anden værdi.(Se Fig.6, nedenfor).
Fig.6.
Et makroskopisk system kan under visse omstændigheder eksistere i en
tilstand, hvori en makroskopisk variabel har en ubestemt værdi;
ubestemthed er ikke begrænset til mikroskopiske systemer, som fotonen.
Systemet vist her, er en superledende ring, som ikke bøjer helt
tilbage i sig selv. En tynd skive isolerende materiale adskiller ringens to
ender fra hinanden og en elektrisk strøm bringes til at cirkulere
rundt i ringen ved "tunnelering" gennem isolatoren. Strømmen
skaber et magnetfelt. Hvis ringen var ubrudt, ville den magnetiske flux
gennem ringen (ringens areal ganget med den del af magnetfeltet, der er
vinkelret på ringens plan) være af en bestemt størrelse,
men isolatoren tillader fluxen at smutte fra en værdi til en anden.
Overraskende nok har fluxen ikke en bestemt værdi.
Den eksperimentelle demonstration af kvante ubestemthed i en makroskopisk
variabel modsiger ikke uvægerligt Wheelers erklæring citeret
ovenfor, men den viser, at forstærkningen fra et mikroskopisk til et
makroskopisk niveau ikke i sig selv uddriver kvantemekanisk ubestemthed.
Eftertrykket i Wheelers udtalelse om en "irreversibel
forstærkningshandling" skal lægges på ordet
"irreversibel". Betingelserne for at en irreversibel proces er
sket, er langt fra fastlagt i moderne teoretisk fysik. Nogle af dem, der
studerer emnet (inklusive mig) tror, at nye fysiske principper skal opdages,
før vi kan forstå den særlige slags irreversibilitet, der
finder sted, når en ubestemt observabel bliver bestemt i løbet
af en måling.
Fig.
7. Ubestemtheden i systemet på Fig. 6 vist skematisk. Hver
værdi af fluxen gennem den superledende ring har en bestemt potentiel
energi associeret. Almindeligvis ville man ikke forvente, at fluxen gennem
ringen spontant ville ændre sig fra en værdi til en anden, fordi
en potentiel-energi barriere adskiller de værdier af fluxen, som ligger
ved siden af hinanden. Man kan forestille sig barriererne som bakker og den
tilstand systemet er i, kan repræsenteres af en bold, der ligger i en
dal mellem bakkerne. Ifølge klassisk fysik kræver et skift
mellem to værdier, der er adskilt af en barriere, ydre energi (til at
skubbe bolden over bakken). Kvantemekanisk kan barrieren imidlertid
gennemtunneleres uden nogen ydre energikilde. Tunnelering er essentielt en
manifestation af fluxens ubestemthed.
Kvanteverdenens mærkværdigheder er under fortsat udforskning.
Andre eksperimenter er fornylig blevet udført eller er nu på
vej; to klasser af disse eksperimenter bør nævnes her, selv om
der ikke er plads til at diskutere dem i detaljer. I Helmut Rauch og Anton
Zeilinger, fra Atomic Institute of the Austrian Universities og Samuel A.
Werner fra University of Missouri at Colombia og Clifford G. Shull fra Massachusetts
Institute of Technology og deres associeredes eksperimenter, deles en
neutrons bølgefunktion af en skive krystal og rekombineres af en eller
to andre skiver. Interferensvirkningerne, der viser sig i rekombinationen,
demonstrerer et antal bemærkelsesværdige egenskaber, inkluderende
ubestemtheden ved neutronens rute gennem interferometeret.
Endelig har R.G. Chambers fra University of Bristol,
G. Möllenstedt fra University of Tübingen og Akira Tonomura fra
Hitachi, Ltd. gennem elektroninterferometri bekræftet den
bemærkelsesværdige Aharonov-Bohm virkning, hvori en elektron
"mærker" tilstedeværelsen af et magnetisk felt, som er
i et område, hvor der er nul sandsynlighed for at finde elektronen.
Dette er en slående demonstration af en type ikke-lokalitet, som er
forskellig fra, skønt fjernt beslægtet med, den ikke-lokalitet,
der udvises af korrelerede foton par. En grundig forståelse af
forholdet mellem de to slags ikke-lokalitet såvel som mange andre
forvirrende spørgsmål, der rejses gennem eksperimenter, som
udforsker kvanteverdenens egenskaber, afventer yderligere arbejde.
* Abner Shimony er professor i filosofi og fysik ved Boston
University. Han modtog en B.A. (1947) og en Ph.D. i filosofi (1953) fra Yale
University og en Ph.D. i fysik (1962) fra Princeton University. Han
underviste på Massachusetts Institute of Technology indtil 1968 og har
haft besøgsstillinger ved Paris University (Orsay), Mount Holyoke
College og Swiss Institute of Technology i Zurich. Shimony specialiserer sig
i kvantemekanikkens grundlag og er særlig interesseret i konstruktionen
af eksperimenter, der afprøver filosofisk motiverede
spørgsmål. Han er aktiv i fredsbevægelsen og skriver digte
og skuespil, nogle af dem relevante for fysik.
Oversat fra The
Reality of the Quantum World, Scientific American, January 1988, pp. 36-43.
8. april, 2000.
Indhold
Kvantekosmologi og universets skabelse :Én sti: Den bevidste
oplevelses gåde
Index
|