Το κβαντικό πείραμα στο διάστημα επιβεβαιώνει ότι η πραγματικότητα είναι αυτό που τη φτιάχνεις

Ένα περίεργο διαστημικό πείραμα επιβεβαίωσε ότι, όπως λέει η κβαντομηχανική, η πραγματικότητα είναι αυτό που επιλέγετε να είναι. Οι φυσικοί γνώριζαν από καιρό ότι ένα κβάντο φωτός, ή φωτόνιο, θα συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο ή κύμα ανάλογα με το πώς το μετρούν. Τώρα, αναπηδώντας φωτόνια από δορυφόρους, μια ομάδα επιβεβαίωσε ότι ένας παρατηρητής μπορεί να λάβει αυτή την απόφαση ακόμα και αφού ένα φωτόνιο έχει περάσει σχεδόν πλήρως από το πείραμα - φαινομενικά πέρα ​​από το σημείο στο οποίο θα γινόταν είτε κύμα είτε σωματίδιο. Τέτοια πειράματα καθυστερημένης επιλογής θα μπορούσαν κάποια μέρα να διερευνήσουν τα ασαφή σύνορα μεταξύ κβαντικής θεωρίας και σχετικότητας, λένε οι ερευνητές.

Άλλοι ερευνητές έχουν επιδείξει το ίδιο αντίθετο αποτέλεσμα στο εργαστήριο. Αλλά η νέα εργασία δείχνει ότι η φύση ενός φωτονίου παραμένει απροσδιόριστη ακόμη και σε χιλιάδες χιλιόμετρα, λέει ο Philippe Grangier, φυσικός στο Ινστιτούτο Οπτικής στο Palaiseau της Γαλλίας, ο οποίος συνεργάστηκε σε μια προηγούμενη δοκιμή. "Είναι ένα πολύ ωραίο πείραμα που δείχνει την ικανότητά τους να κάνουν κβαντική φυσική στο διάστημα."

Ένα φωτόνιο μπορεί να λειτουργήσει σαν ένα σωματίδιο σαν σφαίρα ή ένα κυματιστικό κύμα - αλλά όχι και τα δύο ταυτόχρονα - ανάλογα με το πώς οι πειραματιστές αποφασίζουν να το μετρήσουν. Στα τέλη της δεκαετίας του 1970, ο διάσημος θεωρητικός John Archibald Wheeler συνειδητοποίησε ότι οι πειραματιστές μπορούσαν ακόμη και να καθυστερήσουν την επιλογή έως ότου το φωτόνιο είχε περάσει σχεδόν εντελώς μέσα από μια συσκευή ρυθμισμένη να τονίζει τη μία ή την άλλη ιδιότητα, αποδεικνύοντας έτσι ότι η συμπεριφορά του φωτονίου δεν είναι προκαθορισμένη.

Ο Wheeler φαντάστηκε ότι στέλνει φωτόνια ένα-ένα μέσω ενός λεγόμενου συμβολόμετρου Mach-Zehnder, το οποίο τονίζει την κυματική φύση του φωτός. Χρησιμοποιώντας έναν «διαιρέτη δέσμης» που μοιάζει με καθρέφτη, το συμβολόμετρο χωρίζει το κβαντικό κύμα του εισερχόμενου φωτονίου στη μέση και στέλνει τα δύο κύματα σε διαφορετικά μονοπάτια, όπως οι άνθρωποι που περπατούν αντίθετα γύρω από το μπλοκ. Στη συνέχεια, ένας δεύτερος διαχωριστής δέσμης ανασυνδυάζει τα κύματα, τα οποία παρεμβαίνουν μεταξύ τους για να μετατρέψουν το φωτόνιο προς έναν από τους δύο ανιχνευτές. Το ποιος ανιχνευτής ενεργοποιείται εξαρτάται από τη διαφορά στα μήκη των δύο διαδρομών, όπως αναμένεται για τα παρεμβαλλόμενα κύματα.

Αφαιρέστε τον δεύτερο διαχωριστή δέσμης και η παρεμβολή καθίσταται αδύνατη. Αντίθετα, ο πρώτος διαχωριστής δέσμης στέλνει το φωτόνιο στη μία ή στην άλλη διαδρομή, σαν ένα σωματίδιο. Καθώς οι διαδρομές διασταυρώνονται εκεί όπου θα ήταν ο δεύτερος διαχωριστής δέσμης, οι ανιχνευτές κάνουν κλικ με ίσες πιθανότητες ανεξάρτητα από το μήκος των μονοπατιών. Ο Wheeler συνειδητοποίησε ότι οι πειραματιστές μπορούσαν ακόμη και να περιμένουν να αφαιρέσουν τον δεύτερο διαχωριστή δέσμης μέχρι να περάσει το φωτόνιο από τον πρώτο διαχωριστή δέσμης. Αυτός ο ισχυρισμός υποδηλώνει, παραδόξως, ότι μια απόφαση στο παρόν καθορίζει ένα γεγονός στο παρελθόν:εάν το φωτόνιο διασπάστηκε σαν κύμα ή πήρε ένα μονοπάτι σαν σωματίδιο. Η κβαντική θεωρία αποφεύγει το ζήτημα υποθέτοντας ότι, μέχρι να μετρηθεί, το φωτόνιο παραμένει και τα δύο ένα σωματίδιο και ένα κύμα.

Τώρα, μια ομάδα με επικεφαλής τον Francesco Vedovato και τον Paolo Villoresi του Πανεπιστημίου της Πάντοβας στην Ιταλία πραγματοποίησε μια έκδοση του πειράματος χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο 1,5 μέτρου στο Matera Laser Ranging Observatory στη νότια Ιταλία για να αναπηδήσει φωτόνια από δορυφόρους χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά. Σε τέτοιες αποστάσεις, οι φυσικοί δεν μπορούν να κάνουν το φως να πάρει δύο παράλληλες διαδρομές, σημειώνει ο Villoresi, καθώς οι διασκορπισμένες δέσμες θα επικαλύπτονταν και θα συγχωνεύονταν. Αντίθετα, στέλνουν ένα φωτόνιο μέσω ενός συμβολόμετρου Mach-Zehnder στη Γη που έχει μονοπάτια πολύ διαφορετικού μήκους. Η διαφορά στα μήκη διαδρομής χωρίζει τον μεμονωμένο παλμό σε δύο, χωρισμένους σε χρόνο κατά 3,5 νανοδευτερόλεπτα, τα οποία στη συνέχεια το τηλεσκόπιο εκτοξεύει προς τον ουρανό.

Μόλις επιστρέψουν οι παλμοί, οι πειραματιστές τους περνούν πίσω μέσω του συμβολόμετρου. Η συσκευή μπορεί είτε να αναιρέσει τη χρονική μετατόπιση έτσι ώστε οι δύο παλμοί να επικαλύπτονται και να παρεμβάλλονται σαν κύματα είτε να την διπλασιάσει, ώστε να μην είναι δυνατή η παρεμβολή. Φυσικά, οι φυσικοί πρέπει να επιλέξουν τι θα συμβεί. Όταν οι παλμοί φεύγουν για πρώτη φορά από το συμβολόμετρο, έχουν διαφορετικές πολώσεις. Για να αναιρέσετε τη χρονική μετατόπιση, οι φυσικοί πρέπει πρώτα να χρησιμοποιήσουν μια πολύ γρήγορη ηλεκτρονική πόλωση για να αλλάξουν την πόλωσή τους με συγκεκριμένο τρόπο. Για να διπλασιάσουν τη χρονική μετατόπιση, απλώς αφήνουν τις πολώσεις τους ήσυχες.

Όταν οι πειραματιστές κάνουν τους παλμούς να επικαλύπτονται, το φωτόνιο ενεργοποιεί τον έναν ή τον άλλο ανιχνευτή με πιθανότητα που εξαρτάται από την ταχύτητα ύφεσης του δορυφόρου, όπως αναμένεται για τα παρεμβαλλόμενα κύματα. Όταν οι παλμοί δεν μπορούν να παρεμβαίνουν, τότε το φωτόνιο, όπως ένα σωματίδιο, καταλήγει σε οποιονδήποτε ανιχνευτή με πιθανότητα 50-50 ανεξάρτητα από την ταχύτητα του δορυφόρου. Το σημαντικότερο είναι ότι οι φυσικοί επιλέγουν ποια μέτρηση θα κάνουν αφού το φως χτυπήσει από τον δορυφόρο στα μισά της διαδρομής μετ' επιστροφής των 10 χιλιοστών του δευτερολέπτου, αναφέρουν στις 25 Οκτωβρίου στο Πρόοδος της Επιστήμης . Και πάλι, η καθυστερημένη απόφαση φαίνεται να γυρίζει πίσω στο χρόνο, καθορίζοντας πώς συμπεριφέρθηκε το φωτόνιο αφού έφυγε από τον πρώτο διαχωριστή δέσμης.

Το πείραμα δεν είναι η πιο αυστηρή δοκιμή της ιδέας του Wheeler, σημειώνει ο Jean-François Roch, ένας φυσικός στην École Normale Supérieure στο Παρίσι, ο οποίος το 2007 οδήγησε σε μια πιο πιστή δοκιμασία. Για παράδειγμα, για να δουν το φως σε τόσο μεγάλες αποστάσεις, ο Villoresi και οι συνεργάτες του πρέπει να πυροδοτήσουν παλμούς που περιέχουν πολλά φωτόνια, αντί για τα μεμονωμένα φωτόνια που καθόρισε ο Wheeler. Ωστόσο, λέει ο Roch, το πείραμα είναι ένα αξιοσημείωτο παράδειγμα εξαγωγής της «κβαντικής οπτικής» από το εργαστήριο και στο διάστημα. Τον Μάιο, φυσικοί στην Κίνα χρησιμοποίησαν έναν δορυφόρο για να δημιουργήσουν μια περίεργη κβαντική σύνδεση που ονομάζεται εμπλοκή μεταξύ δύο φωτονίων που αποστέλλονται σε ευρέως διαχωρισμένες πόλεις.

Τα πειράματα καθυστερημένης επιλογής θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ανίχνευση του ορίου μεταξύ της σχετικότητας - η οποία απαιτεί να προηγείται του αποτελέσματος - και της κβαντικής θεωρίας, λέει ο Roch. Παρόλο που, αυστηρά μιλώντας, το αποτέλεσμα δεν παραβιάζει την αιτιότητα, εξακολουθεί να προκαλεί ένταση υποδηλώνοντας ότι μια μέτρηση στο παρόν διαμορφώνει αυτό που μπορεί να συναχθεί για το παρελθόν. "Αυτή η περιοχή όπου αναμειγνύετε την κβαντική μηχανική και τη σχετικότητα είναι ακόμα σχετικά ανεξερεύνητη", λέει ο Roch, "και αυτό είναι το είδος του πειράματος που έθεσε την πιθανότητα να διερευνηθεί η σύνδεση" μεταξύ των δύο.