Egy hónap sajnos kiesett az előző posztom után, ahol is beígértem azt a kísérletet, ahol látványosan megmutatkozik, hogy valami nem kóser az ok-okozat törvénnyel.

Ez az úgynevezett "Késleltetett kvantum választás" kísérlet, angolul Delayed Choice Quantum Eraser Experiment. Ez a kísérlet a korábbi részben általam ismertetett kétrés kísérlet továbbfejlesztett változata. A módosítás lényege, hogy itt fényt (fotonokat) használunk elektronok helyett, méghozzá azért, mert a fotonokat egy úgynevezett "nemlineáris" kristály segítségével ketté lehet hasítani két kvantumosan összefonódott fotonná.

Most elég rendesen megbombáztam a kedves olvasót technológiai kifejezésekkel, úgyhogy el is kezdem tisztázni, miről is van itt szó. Ami a nemlineáris kristályt illeti, kiindulásképpen képzeljünk magunk elé egy teljesen normális átlagos kristályt. Ezekről tudjuk, hogy megtörik a fényt, magyarán ha egy fénysugár ferdén rájuk esik, akkor irányt vált ott, ahol belép a kristályba, és ott is, ahol kilép belőle.

Namost egy nemlineáris kristály abban különbözik a normál kristálytól, hogy az irányváltás szöge függ a fény intenzitásától. Ez merőben szokatlan viselkedés egy kristálytól, de ami még fontosabb, ezeknél a kristályoknál az is előfordul, hogy egy-egy foton néha kettéhasad. Ami konkrétan azt jelenti, hogy egy foton helyett egyszercsak kettő lesz, amelyek széttartanak.  Mindkettőnek fele annyi energiája lesz, mint az eredetinek, és ha minden időpillanatban összekötjük őket, akkor a köztük húzott egyenesek felezőpontjai pont azt a pályát írják le, amelyen az eredeti foton haladt volna, ha nem hasad szét a kristályban. Emellett a két foton polarizációja is osztozik az eredetin, ami például azt jelent, hogy ha az eredeti foton nem volt polarizált, akkor a két utódja ellentétesen lesz polarizálva, s a kettőt összeadva kijön az eredeti nempolrizált állapot. Azt láthatjuk tehát, hogy itt mindenféle megmaradási elvek működnek, a keletkezett két foton pedig mintegy tükörképe egymásnak.

Ennél azonban többről is szó van, és pont ez az, ami minket érdekel. Ez pedig a kvantumösszefonódás. Ami azt jelenti, hogy a fotonok legyenek akár tetszőleges távolságra egymástól, ha az egyikkel történik valami, az kihat a másikra. Ami különlegessé teszi ezt a kapcsolatot az az, hogy ez a hatás azonnali, nem korlátozza a térbeli távolság leküzdéséhez szükséges idő. Na Einstein itt vonja fel a szemöldökét, és néz morcosan.

Ez valóban így is történt, annó Einsteinnek sem igazán fért bele ez a fejébe, ezért a különös effektust spooky action-nek nevezte el, hiszen teljesen ellentmondott az általa kifejlesztett relativitás elméletnek...

Namost a mi kísérletünk fő eleme az éppen azon alapszik, hogy a réseken átjutott fényt átbocsátjuk egy ilyen nemlineáris kristályon és így egy fotonból két kvantumosan összefonódott fényrészecskét keltünk.

A kísérlet sematikus ábrája így néz ki:

 Nézzük a fény útját balról jobbra. Először is a foton átmegy ugyebár a réseken (vagy valamelyik résen, egyenlőre nem tudjuk eldönteni), majd a közvetlenül a rések mögé helyezett nemlineáris kristályban felbomlik két kisebb energiájú fotonná. Ebből az egyik - a felfelé haladó - gyorsan a D0 vetítő ernyőre kerül, a lefelé haladó foton pedig - egy prizmára, aminek az a feladata hogy a két egymáshoz túl közel levő - a különböző résekből induló - lehetséges útvonalakat eltávolítja egymástól. A foton ezután akármelyik útvonalon is halad, egy-egy féligáteresztő tükörbe ütközik, amely ötven százalékos valószínűséggel visszaveri D4 illetve D3 detektorok irányába, vagy átengedi. A D3 és D4 detektorok tehát olyanok, hogy ezekbe csak akkor juthat be a foton, ha konkrétan az egyik, vagy a másik pályán jön, míg a D2 és D1 detektorokba bármelyik pályáról be tud jutni a további két teljes és egy féligáteresztő tükörnek köszönhetően. A középen D1 és D2 között elhelyezkedő féligáteresztő tükör a kulcs, ez mindkét irányból vagy visszaver, vagy átenged, így biztosítja, hogy bármelyik úton is jött a foton, az eljuthat D1-be vagy D2-be.

Ami a lényeg, az az, hogy ha a foton D3 vagy D4 detektorba jut, akkor kipréselődik belőle az az információ, hogy melyik úton jött, (vagyis hogy melyik résen haladt át) mivel az egyikbe csak az egyik úton juthat el, a másikba pedig csak a másikon. Ugyanez az információ D1 és D2 detektorba érkezéskor elveszik, mivel ezekbe bármelyik úton megérkezhet. Ez pedig azt jelenti, hogy két állapot van, vagy detektáljuk azt, hogy a foton melyik résen jött át, vagy nem. Ennek pedig -ahogy azt az első részben láttuk - messzemenő következménye van a foton viselkedésére nézve. És ami legalább ennyire fontos, hogy nemcsak erre a fotonéra, hanem a vele kvantumosan összefonódott párjáéra is.

Most pedig vissza kell utalnunk az első részben tárgyalt kísérletre. Igenis fontos az, hogy tudjuk-e azt, hogy melyik pályán jutott el a foton valamelyik detektorba. A pálya ugyanis visszavezet valamelyik réshez. Márpedig - ahogy azt annó a kétrés kísérletnél levezettük - amennyiben tudhatjuk az információt, hogy a foton melyik résen jött át, akkor a kivetítőernyőn két csíkot látunk, amyennyiben nem tudhatjuk, akkor meg sokcsíkos interferenciát.

Igen ám - kérdezhetné az egyszeri Antal Imre Sas tanárúrtól a Mindenki Iskolájában - de hol van itt kivetítőernyő? Csak detektorok vannak, nem ernyő.

- Ugyan már kedves Imre - válaszolná korholóan Sas tanárúr. - Maga szerint D0 az micsoda? Tudja az a valami, amibe a tükrökkel terelt fotonok párjai érkeznek meg, közvetlenül azután, miután kiléptek a nemlineáris kristályból, és búcsút mondtak a tükrök irányába távozó testvéreiknek.

- Ó én egysejtű! - kapna a fejéhez a meglepett Imre - Hát erről egészen megfeledkeztem!

Pedig a lényeg itt van. D0 detektor lehetne akár egy vetítőernyő is, ez a detektor ugyanis nincs tükrökkel körülvéve, magyarán nem kényszeríti ki a fotonból azt az infót, hogy most melyik résen is haladt át eredetileg, tehát ez a detektor mindkét állapotot meg tudja mutatni. Az inteferenciás és a két vonalas képet is. ( A valóságban ez egyébként egy síkja mentén mozgatott detektor, ami becsapódási valószínűségi alapon mutatja ki mind a kétvonalas, mind az interferenciaképet - de ez most a példánk szempontjából nem lényeges, tekintsük csak egy sima vetítőernyőnek).

A bennünk lakozó Antal Imre tovább hümmög.

- No de hol van itt az információ áramlása visszafele az időben?

- Jó kérdés! - mosolyog Sas tanárúr elismerően mindenki Imruskájára, és magyarázni kezd.

- Tudja Imre, ha alaposan megnézi a képet, maga is láthatja, hogy a D0 vetítőernyőhöz egészen hamar odaérnek a fotonok. Mikor ezek a képernyőn kirajzolnak valamit, akkor ezek párjai még javában utaznak a féligáteresztő tükrök felé. Sőt tudja mit Imre? Nyugodtan megtehetnénk azt is, hogy ezeket a tükröket elvisszük a Jupiterhez. Oda órákon keresztül utazik a fény. A kutya pedig itt van elásva. A közeli képernyőn annak függvényében látunk interferenciaképet, vagy csíkot, hogy a tükrök felé küldött kvantumosan összekapcsolt fotontesók melyik detektorba csapódnak be majd, amikor odaérnek. Ha D1-be vagy D2-be, akkor ki lesz kényszerítve a fotonból, hogy melyik résen jött át, ennek megfelelően a vetítőernyőn órákkal korábban meg kell jelennie egy csíknak, mert az összekapcsolódás miatt a fotontestvérek is így viselkednek. Ha a messze küldött foton D3-ba vagy D4-be csapódik be, akkor nem derül fény arra, hogy melyik résen jött át, ergó az ernyőn órákkal korábban egy interferencia jellegű sokcsíkos kép jelenik meg.

- Dehát ez lehetetlen! - kiált fel Antal Imre elképedve.

- Igen, annak tűnik. - válaszolja Sas tanárúr. - De mégsem az. Nyilván nem tudjuk elvinni a tükröket a Jupiterre, de a működési elv igazolására már az is elég, ha a tükrös része a berendezésnek jóval messzebb van, mint a D0 detektor. Márpedig ezt kipróbálták, és pontosan úgy működött, ahogy azt az előbb elmagyaráztam.

- Hihetetlen - álmálkodik Antal Imre leesett állal - de hogy lehetne ebből hasznot húzni?

Vegyük most vissza a szót Sas tanárúrtól, és próbáljunk felelni Antal Imre kérdésére. A fent vázolt kísérlettel az a baj, hogy valószínűségi alapon működik, azaz a mi döntésünknek nincs benne szerepe, valójában a féligáteresztő tükröknél dől el, hogy melyik detektorba jut az adott fotonpár arrafelé menő tagja attól függően, hogy a tükör visszaveri, vagy átengedi.

Azonban ezt a részt kiválthatjuk igazi rendes tükörrel. Ha a tükröt odatesszük, akkor visszaveri a fotont, ha elvesszük az útból, akkor átengedi. Ha az összes féligáteresztő tükröt kicseréljük rendes tükörre, amelyeket egyszerre kivehetünk vagy betehetünk a fotonok útjába, akkor mi tudjuk eldönteni, hogy kisajtoljuk-e a rendszerből azt az információt, hogy melyik résen jött át a foton, vagy nem. És ennek megfelelően ha a tükrös rendszerünk kellően távol van ahhoz, hogy a fotonok sokáig utazzanak, mire elérnek odáig (pld. a fotonokat elküldjük a marsig, majd onnan visszaverjük a föld felé, ahol már várja őket a tükrös berendezésünk) akkor bizony jóval előbb fogjuk meglátni a D0 képernyőn (csíkot látunk, vagy interferenciát), hogy majd órákkal később melyik detektorba tereljük a fotonokat.

Tudom, hogy most mindenki mire gondol, úgyhogy gyorsan ki is jelentem:

NEM, NEM TUDOM HOGY MI VAN AKKOR, HA SZÁNDÉKOSAN AZ ELLENKEZŐJÉT CSINÁLOM MAJD ANNAK, MINT AMIT A KÉPERNYŐN LÁTOK!

Mindenesetre ha ez a kísérlet egyszer lezajlik, ki fog derülni, hogy vajon egy determinisztikus világban élünk-e, vagy sem... Hogy van-e szabad akarat...

Hát ennyit mára a tudomány és a technika érdekességeiből.

u.i. Most jöttem rá, hogy nem válaszoltam meg Imre kérdését. Nos, hasznot húzni ebből úgy lehet kedves Imre, hogy először is lottóhúzás előtt veszek egy szelvényt. Aztán útjára indítok a berendezésünkben egymás után mondjuk öt másodpercenként kellő számú fotont, és figyelem a D0 képernyőt. A képernyő öt másodpercenként megmutatja, hogy a jövőben ( a lottó számhúzás után) a fotonok odaérkezésekor hogyan fogom beállítgani a tükröket. Nyilván pontosan tudnom kell majd, hogy mikor érkeznek a fotonok, de ez kiszámolható. A jövőben, a sorsolás után a tükröket morze kódoknak megfelelően fogom berakni vagy kivenni, és ez megjelenik a múltban a D0 képernyőt. Így a nyertes lottószámokat megüzenhetem visszafelé az időben! De mielőtt belelkesedne Imre, közölnöm kell, hogy nem tudunk tükröt tenni a Marsra, és a berendezésünket hajszálpontosan arrafelé irányítani. Ez a valóságban nem megy. Inkább le kellene lassítani valahogy a fotonokat, és erre vannak is már módszerek, mi több, még le is lehet állítani őket. De ehhez olyan berendezések kellenek, amik egyrészt nagyon drágák és különlegesek, másrészt nem biztos, hogy össze lehet hangolni a működésüket a mi készülékünkkel.

Persze azért ha egy kutatólaborban dolgoznék, én biztosan megpróbálnám.

u.i.i. Elég sokan olvassák ezt a bejegyzést, de nem bírok rájönni, hogy hova került fel a linkje. Indexen, Index2-ön nincs fenn. Megírná valaki kommentben, hogy hogy jutott el ide?