Kúzelník naplní ľavé a pravé vrecko figuríny hracími kockami. Figurína vyzerá úplne rovnako spredu aj zozadu. Zavrie oči a dobrovoľníka nechá figurínou zatočiť. Po jej zastavení sa kúzelník nevie, ktoré vrecko bolo pôvodne ľavé alebo pravé. Je to dôležité? V kvantovej mágii určite áno. Kúzelník vytiahnutou kockou z neurčitého vrecka nikdy nehodí dvojku alebo päťku.
Kúzlo je alegóriou známeho dvojštrbinového experimentu, ktorý podľa Richarda Feynmana ilustruje podstatu kvantovej fyziky v celej jej komplexnosti. Ľavé a pravé vrecká sú štrbinami a hodenie kockou je proces, ktorý sa deje po prejdení fyzikálneho systému štrbinami. Nulová šanca hodiť dvojku alebo päťku je prejavom kvantovej interferencie.
Pôvodnou úlohou dvojštrbinového experimentu bolo rozhodnúť, či tok energie (žiarenie) je sprostredkovaný vlnením alebo prúdom častíc. Ak vo výsledku pozorujeme interferenčný obrazec – striedanie maxím a miním intenzity žiarenia, tak ide o vlnenie. Ak však pozorujeme ťaví hrb alebo dvojhrb, tak ide určite o častice. Kvantová fyzika úspešne zmazala rozdiel medzi časticami a vlnením. Kvantové systémy (aj kocky) sú častice, ktorých existencia má vlnovú podstatu.
Fotón po fotóne
V dvojštrbinovom experimente majú fotóny rovnakú šancu prejsť pravou alebo ľavou štrbinou. Podľa toho, ktorou prešli, vieme spočítať jednoštrbinové pravdepodobnosti, kam na fotografickú platňu dopadnú. Výsledkom nie je súčet jednoštrbinových pravdepodobností, ale interferenčný obrazec. Ten v prípade vĺn vysvetľujeme ako dôsledok vzájomného ovplyvňovania (interferencie) dvoch vĺn, ktoré sa šíria zo štrbín. Pri interferenčných obrazcoch častíc by sme analogicky mohli hovoriť o vzájomnom kvantovom ovplyvňovaní častíc z ľavej a pravej štrbiny.
Čo ak budeme posielať cez štrbiny fotón po fotóne? Dvojštrbinový experiment sa stane ešte zaujímavejším a ešte kvantovejším, ak druhý fotón je v experimente vytvorený až potom, ako ten prvý dopadne na fotografickú platňu za prekážkou alebo narazí na prekážku. Vylúčime tým možnosť, že prechádzajúce fotóny sa akosi navzájom ovplyvňujú. Napriek tomu sa nakoniec na fotografickej platni objaví interferenčný obrazec.
Argumentom pre sčítavanie jednoštrbinových pravdepodobností je naša skúsenosť a predpoklad, že jednotlivý fotón určite prejde buď ľavou, alebo pravou štrbinou. Je to naozaj tak? Pri dopade fotón odovzdá okrem energie aj svoju hybnosť – fotografická platňa pocíti impulz istým smerom.
Kvantová komplikácia
Nastáva však ďalšia kvantová komplikácia okrem náhodnosti. Nielenže v drvivej väčšine prípadov tento impulz nesmeruje ani k jednej zo štrbín, ale tieto impulzy sú rovnako náhodné, ak ktorúkoľvek zo štrbín zakryjeme. Zo zmeraného impulzu ani len štatisticky nevieme povedať, ktorá zo štrbín má väčšiu pravdepodobnosť, že ňou fotón prešiel.
Môžeme určiť prítomnosť fotónu priamo v štrbine? Áno, ale stane sa niečo naozaj zvláštne. Namiesto interferenčného obrazca fotóny vytvoria ťaví hrb. Keď vieme, ktorou štrbinou fotón naozaj prešiel, tak výsledná pravdepodobnosť bude súčtom jednoštrbinových pravdepodobností, presne ako očakávame. Akt zisťovania ktorou štrbinou mení vlastnosti fotónu a ovplyvňuje, kam na fotografickú platňu môže dopadnúť. Pre úplnosť poznamenajme, že fotón pri dopade neprezradí, z ktorej štrbiny prišiel. To vieme z pozorovania priamo pri štrbinách.
Mário Ziman
Fyzikálny ústav SAV, v. v. i., v Bratislave
Ilustrácie Diana Cencer Garafová
QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
