Artykuł Filozofia nauki Filozofia przyrody Meta-fizyka kwantowa

Andrzej Łukasik: Dialog 3. Dualizm korpuskularno-falowy – eksperyment na dwóch szczelinach

Zdrowy rozsądek prowadzi w tym przypadku na manowce. Jeśli nie obserwujemy, przez którą szczelinę przechodzą cząstki, to nie możemy powiedzieć, że przechodzą albo przez jedną, albo przez drugą.

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2022 nr 6 (48), s. 43–44. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.


Małgosia: Jasiu, przeczytałam, że w eksperymencie na dwóch szczelinach, gdy przepuścimy strumień cząstek, na przykład fotonów lub elektronów, przez przesłonę z dwiema wąskimi równoległymi szczelinami, to na znajdującym się za nią ekranie zobaczymy obraz interferencyjny. Co w tym dziwnego?

Jaś: Eksperyment na dwóch szczelinach to jedna z najdziwniejszych rzeczy na świecie. Są w mechanice kwantowej rzeczy, o których filozofom się nie śniło. Aby dokładnie opisać to zjawisko, przeanalizujmy trzy przypadki: jak zachowują się 1) klasyczne cząstki; 2) klasyczne fale i 3) kwantowe cząstki.

Małgosia: Zacznijmy od klasycznych cząstek. Zgodnie z fizyką klasyczną są one niepodzielne i poruszają się po dobrze określonych trajektoriach, jak na przykład kule bilardowe. Ich ruch jest łatwy do wyobrażenia i matematycznego opisu.

Jaś: Kierujemy zatem strumień klasycznych cząstek na przesłonę z dwiema wąskimi szczelinami i sprawdzamy, ile cząstek trafi w określone miejsce na umieszczonym za przesłoną ekranie E. Załóżmy, że są otwarte dwie szczeliny. Co się stanie?

Małgosia: To dość proste: cząstki są niepodzielne – wiemy o tym, ponieważ gdy któraś trafia w ekran, to znajdujemy ją w ściśle określonym miejscu, więc niektóre mogą dotrzeć do ekranu przez pierwszą szczelinę, inne zaś przez drugą. Naprzeciwko pierwszej szczeliny zgromadzi się najwięcej cząstek, które przeszły przez tę szczelinę, podobnie naprzeciwko drugiej szczeliny zgromadzi się najwięcej cząstek, które dotarły do ekranu, przechodząc przez nią. Liczba cząstek w danym miejscu ekranu będzie prostą sumą cząstek, które przeszły przez pierwszą szczelinę, i cząstek, które przeszły przez drugą. Można obliczyć prawdopodobieństwo, czyli względną częstość, trafienia cząstki w pewien punkt ekranu.

Rys. 1. Eksperyment na dwóch szczelinach dla klasycznych cząstek – dwie szczeliny otwarte

Jaś: A co będzie, gdy zasłonimy jedną ze szczelin?

Małgosia: Oczywiście najwięcej cząstek zgromadzi się naprzeciwko otwartej szczeliny.

Rys. 2. Eksperyment na dwóch szczelinach dla klasycznych cząstek – jedna szczelina otwarta

Jaś: A teraz wykonajmy eksperyment z klasycznymi falami. Co się stanie?

Małgosia: Jeżeli będą otwarte dwie szczeliny, to nastąpi zjawisko interferencji – po dotarciu fali do dwóch szczelin ze szczelin za przesłoną rozchodzą się dwie fale, które nakładają się na siebie. Aby opisać obraz na ekranie, musimy postąpić następująco: dodajemy do siebie amplitudy fal i podnosimy sumę do kwadratu, aby obliczyć natężenie fali w jakimś miejscu ekranu. Natężenie będzie największe dokładnie w punkcie ekranu pomiędzy szczelinami, ponieważ tam grzbiet jednej fali spotka się z grzbietem drugiej i nastąpi to, co fizycy nazywają interferencją konstruktywną. Gdybyśmy w eksperymencie użyli światła, to otrzymalibyśmy układ na przemian jasnych i ciemnych prążków, czyli obraz interferencyjny.

Rys. 3. Eksperyment na dwóch szczelinach dla klasycznych fal

Jaś: A jeżeli zasłonimy jedną ze szczelin?

Małgosia: Wtedy nie będzie interferencji. Tak jak nie da się klaskać jedną dłonią, tak samo aby nastąpiła interferencja, potrzebne są co najmniej dwa źródła fal – dwie szczeliny muszą być otwarte.

Jaś: Zatem klasyczne fale i klasyczne cząstki zachowują się w tym eksperymencie zupełnie inaczej – cząstki nie interferują, natomiast fale tak.

Małgosia: A jak zachowują się kwantowe cząstki, takie jak elektrony lub fotony?

Jaś: Spróbuj zgadnąć, najpierw jeśli otwarta jest jedna szczelina.

Małgosia: Obraz na ekranie będzie taki sam jak dla klasycznych cząstek, co ilustruje rys. 2 – nie zaobserwujemy interferencji.

Jaś: Tak. A co się stanie, jeśli otworzymy drugą szczelinę?

Małgosia: Lecący elektron chyba nie wie, czy otwarta jest jedna szczelina czy dwie…

Jaś: Ale zachowuje się tak, jakby wiedział! Obecność drugiej szczeliny wpływa na zachowanie się elektronu. Obserwujemy obraz interferencyjny dokładnie taki jak dla klasycznych fal. Aby opisać rezultat eksperymentu, musimy dodać do siebie amplitudy fal i podnieść je do kwadratu, aby obliczyć prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w danym miejscu ekranu.

Rys. 4. Eksperyment na dwóch szczelinach dla kwantowych cząstek

Małgosia: Ale amplitudy jakich fal? Załóżmy, że cząstki przepuszczamy przez układ dwóch szczelin pojedynczo – za każdym razem przez układ dwóch szczelin przechodzi tylko jeden elektron. Każda cząstka trafia w ściśle określony punkt ekranu – obserwujemy wyraźny ślad.

Jaś: Tak, ale po pewnym czasie, gdy przez przesłonę przejdzie kilka tysięcy cząstek, zaobserwujemy na ekranie obraz interferencyjny taki jak dla fal – przypomina on nieco kod kreskowy. Tylko że fale lub funkcje falowe, o których mówimy w mechanice kwantowej, to abstrakcyjne „fale prawdopodobieństwa”, a amplitudy, które dodajemy, są wyrażane liczbami zespolonymi – nazywamy je „amplitudami prawdopodobieństwa”. Znajomość funkcji falowej pozwala na obliczenie prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w danym miejscu.

Małgosia: Ale skoro elektron lub foton, trafiając na ekran, lokalizuje się zawsze w ściśle określonym miejscu, to musi przejść przez jedną szczelinę albo przez drugą? Tak podpowiada zdrowy rozsądek. To chyba można sprawdzić, ustawiając detektory przy obydwu szczelinach?

Jaś: Jeśli obserwujemy, przez którą szczelinę przechodzi elektron, to zawsze otrzymujemy informację, że przechodzi on przez jedną albo przez drugą szczelinę. Znika jednak wówczas obraz interferencyjny i elektrony zachowują tak jak klasyczne cząstki.

Małgosia: A jeśli nie obserwujemy, przez którą szczelinę przechodzi elektron, to przecież i tak powinien przejść przez jedną albo przez drugą – niezależnie, czy wiemy o tym czy nie. Oczywiście ludzie często zachowują się inaczej wówczas, gdy wiedzą, czy są obserwowani czy też nie. Ale skąd elektrony mogą o tym wiedzieć?

Jaś: Zdrowy rozsądek prowadzi jednak w tym przypadku na manowce. Jeśli nie obserwujemy, przez którą szczelinę przechodzą cząstki, to nie możemy powiedzieć, że przechodzą albo przez jedną, albo przez drugą. Gdyby tak było, to nie obserwowalibyśmy obrazu interferencyjnego. Elektrony lub fotony, docierając do ekranu, zachowują się prawie tak samo jak cząstki, tylko poruszają się jak fale – jeśli dla pojedynczej cząstki kwantowej dostępne są dwie drogi, to poprawny opis eksperymentu wymaga uwzględnienia obydwu. W pewnym sensie niepodzielna kwantowa cząstka porusza się obiema drogami równocześnie.

Małgosia: Zatem cząstki kwantowe nie są ani falami, ani cząstkami w takim sensie jak cząstki i fale fizyki klasycznej, ale w pewnych sytuacjach eksperymentalnych (np. otwarte obydwie szczeliny) można ich zachowanie opisać podobnie do zachowania klasycznych fal (obserwujemy interferencję), a w innych sytuacjach eksperymentalnych (np. otwarta jedna szczelina) podobnie do zachowania klasycznych cząstek?

Jaś: Tak – o tym mówi zasada komplementarności sformułowana przez Nielsa Bohra, o której porozmawiamy następnym razem.


Andrzej Łukasik – absolwent fizyki i filozofii, dr hab. prof. UMCS. Jest pracownikiem Instytutu Filozofii Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej. Zainteresowania naukowe: filozofia przyrody i filozofia fizyki, głównie filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej i teorii względności. Zainteresowania pozanaukowe: klasyczna muzyka gitarowa. E‑mail: lukasik@poczta.umcs.lublin.pl.

Tekst jest dostępny na licencji: Uznanie autorstwa-Na tych samych warunkach 3.0 Polska.
W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

< Powrót do spisu treści numeru.

Ilustracja: Mira Zyśko

Numery drukowane można zamówić online > tutaj. Prenumeratę na rok 2024 można zamówić > tutaj.

Dołącz do Załogi F! Pomóż nam tworzyć jedyne w Polsce czasopismo popularyzujące filozofię. Na temat obszarów współpracy można przeczytać tutaj.

Skomentuj

Kliknij, aby skomentować

Wesprzyj „Filozofuj!” finansowo

Jeśli chcesz wesprzeć tę inicjatywę dowolną kwotą (1 zł, 2 zł lub inną), przejdź do zakładki „WSPARCIE” na naszej stronie, klikając poniższy link. Klik: Chcę wesprzeć „Filozofuj!”

Polecamy