od splątania cząstek

do kwantowej teleportacji

przełożyli

Bogumił Bieniok i ewa l. Łokas

anton zeilinger

od splątania cząstek

do kwantowej teleportacji

tytuł oryginału
dance of the photons
from einstein to Quantum teleportation

copyright © 2010 by anton zeilinger
all rights reserved

zdjęcie na okładce
irina pozniak

projekt okładki
prószyński media

redaktor serii
adrian markowski

redakcja i korekta
anna kaniewska

Łamanie
alicja rudnik

isBn 978-83-7839-552-2

warszawa 2013

wydawca
prószyński media sp. z o.o.
02-697 warszawa, ul. rzymowskiego 28
www.proszynski.pl

druk i oprawa
opolgraf spółka akcyjna
45-085 opole, ul. niedziałkowskiego 8-12
www.opolgraf.com.pl

Spis treści

Prolog: Pod pięknym modrym Dunajem

7

Podróże kosmiczne

14

Substancja zwana światłem

16

Owczarki i cząstki światła

22

Einstein i jego Nagroda Nobla

31

Sprzeczność 33
Skąd wiemy o nieoznaczoności?

35

Kwantowa nieoznaczoność: przejaw naszej niewiedzy
czy rzeczywista cecha świata?

39

Kwantowy argument przeciw teleportacji

49

Kwantowe splątanie przychodzi z odsieczą

53

Alicja i Bob w kwantowym laboratorium

68

Polaryzacja światła: wykład profesora Kwantingera

78

Alicja i Bob odkrywają bliźnięta…

99

John przedstawia Einsteina, Podolskiego i Rosena

115

Opowieść Johna o ukrytych zmiennych lokalnych

141

Dziwne wyniki doświadczenia Alicji i Boba

147

Historia Johna Bella

153

Alicja i Bob odkrywają, że świat nie jest taki, jak im się zdawało

162

Powrót do przeszłości z prędkością nadświetlną?

166

Alicja, Bob i nieosiągalna prędkość światła

171

Luki 179
Wśród gór Tyrolu

185

Kwantowa loteria

202

od splątania cząstek do kwantowej teleportacji

6

Loteria kwantowa z dwoma fotonami

209

Kwantowe pieniądze – koniec z fałszerstwami

220

Kwantowa ciężarówka może przewieźć więcej, niż potrafi uciągnąć 227
Atomowe źródła splątania i pierwsze doświadczenia

233

Superźródło i zamknięcie luki komunikacyjnej

238

Kwantowa teleportacja pod Dunajem

242

Multifotonowa niespodzianka i kwantowa teleportacja

253

Teleportacja splątania

260

Dalsze doświadczenia

273

Kwantowe IT

279

Przyszłość kwantowej teleportacji

283

Sygnały z nieba nad Teneryfą

290

Najnowsze badania i otwarte kwestie

296

Co to wszystko oznacza?

303

Dodatek: Splątanie – kwantowa zagadka dla każdego

309

Słownik 329
Autorzy ilustracji

332

Indeks 333

Prolog: Pod pięknym modrym Dunajem

Jak zwykle 1 stycznia Wiedeńscy Filharmonicy witają rozpoczyna-

jący się rok uroczystym koncertem noworocznym. Odbywa się on

w wielkiej Złotej Sali Musikverein, wiedeńskiego towarzystwa mu-

zycznego o bogatej tradycji. Stacje radiowe i telewizyjne transmitują

go na cały świat do setek milionów miłośników muzyki, którzy dzięki

temu mogą się rozkoszować pięknymi walcami, polkami, uwertura-

mi i innymi utworami skomponowanymi przez członków rodziny

Straussów i współczesnych im kompozytorów. Po zakończeniu ofi-

cjalnego programu koncertu razem z całą publicznością nagradzamy

muzyków głośnymi oklaskami, ale z niecierpliwością czekamy na bisy.

Po chwili odzywają się cicho smyczki i słuchacze krótkimi brawami

potwierdzają, że rozpoznali pierwsze dźwięki długo wyczekiwanego

utworu. Orkiestra nagle milknie i dyrygent składa wszystkim obecnym

na sali i słuchaczom na całym świecie życzenia szczęśliwego nowego

roku. Instrumenty smyczkowe ponownie zaczynają grać utwór, który

często nazywa się nieoficjalnym hymnem Austrii – słynny walc Nad

pięknym modrym Dunajem Johanna Straussa syna. Niewiele utworów

muzycznych tak trafnie oddaje radości i smutki, które nieodłącznie

wiążą się z ludzką egzystencją. Walc skomponowany na wielkie ba-

le na cesarskim dworze wiedeńskim wciąż cieszy się powodzeniem

każdego roku podczas karnawału.

Miłośnicy muzyki zgromadzeni w sali koncertowej i przed od-

biornikami telewizyjnymi nie wiedzą jednak, że niedaleko Złotej Sali,

w granicach miejskich Wiednia, przeprowadza się doświadczenie

możliwe dzięki najnowszym osiągnięciom współczesnej techniki, które

rzuca wyzwanie naszej wyobraźni, odwołując się do idei spotykanych

wcześniej tylko w literaturze fantastycznonaukowej. Wnioski płynące

z tych badań pomogą nam w lepszym zrozumieniu otaczającego nas

świata.

Koncert kończy się ostatnim bisem – Marszem Radetzky’ego Johanna

Straussa ojca, jednym z najbardziej energicznych i radosnych utworów,

jakie kiedykolwiek skomponowano. Opuszczamy salę koncertową,

wsiadamy do samochodu i jedziemy w kierunku Dunaju. Jest piękny

zimowy dzień. Na ulicach nie ma zbyt dużego ruchu, ponieważ Nowy

Rok jest w Austrii dniem wolnym od pracy. Wpływając do Wiednia,

Dunaj rozdziela się na  dwie odnogi i tworzy w środku wydłużoną

wyspę. Wjeżdżamy na wyspę mostem, o którego istnieniu nie ma

pojęcia nawet nasze urządzenie GPS, ponieważ nie jest on dostępny

dla normalnego ruchu samochodowego. Na wyspę samochodem mogą

wjechać jedynie osoby posiadające specjalne uprawnienia.

Jedziemy dalej, w kierunku budynku ukrytego wśród wysokich

drzew. To miejska przepompownia ścieków. Pod rzeką przechodzą

olbrzymie kanały ściekowe łączące obydwa brzegi. Wybudowano je

po to, by przepompować wszystkie ścieki zebrane na wschodnim

brzegu rzeki, w części miasta nazywanej ciepło przez wiedeńczyków

Transdanubien („na drugim brzegu Dunaju”), do olbrzymiej oczysz-

czalni wybudowanej po przeciwnej stronie. W ten sposób wiedeńczycy,

którzy bardzo dbają o środowisko, mają pewność, że ścieki nie są

odprowadzane wprost do rzeki.

Wchodzimy do środka budynku i wsiadamy do windy, która

zjeżdża dwa poziomy niżej, pod koryto rzeki. Po krótkim spacerze

stajemy przy wlocie do dwóch tuneli biegnących w prawo i w lewo,

łączących oba brzegi: Transdanubien i centrum Wiednia. Tunelami

biegną równoległe ciągi rur odprowadzających ścieki, a także liczne

kable. W kącie, w pobliżu wejścia do jednego z tuneli, naszym oczom

ukazuje się jednak zupełnie inna sceneria.

W jednym z rogów szklanymi ścianami wydzielono niewielkie

pomieszczenie. Podchodzimy bliżej i dostrzegamy w środku promień

lasera i mnóstwo tajemniczych urządzeń, między innymi nowoczesne

od splątania cząstek do kwantowej teleportacji

8

układy elektroniczne, komputery i tym podobne. Spotykamy tu Ru-

perta, doktoranta z Uniwersytetu Wiedeńskiego, który ma nadzieję,

że już wkrótce uda mu się skończyć badania i obronić pracę doktorską.

Tytuł jego rozprawy brzmi: Długodystansowa teleportacja kwantowa.

Korzystając z jego obecności, prosimy, żeby powiedział nam krótko,

co się tu znajduje. Rupert wyjaśnia, że celem doświadczenia jest do-

konanie teleportacji cząstki światła – czyli fotonu – z wyspy na brzeg

rzeki od strony centrum miasta.

Chyba widać po nas, że niewiele z tego zrozumieliśmy, bo Rupert

cierpliwie tłumaczy, że teleportacja przypomina trochę „przesyłanie

ludzi” w filmach fantastycznonaukowych, „ale nie do końca”. Uśmiecha

się szeroko i opowiada dalej. Choć w dalszym ciągu nie rozumiemy

zbyt wiele, słuchamy z coraz większym zainteresowaniem. Rupert

obiecuje, że później wytłumaczy nam wszystko bardziej szczegóło-

wo. Na razie powinniśmy się tylko oswoić z używaną w badaniach

terminologią, poznać wykorzystywane w doświadczeniu urządzenia

i pojęcia oraz rozejrzeć się w tym dziwnym otoczeniu.

Dowiadujemy się, że laserów używa się tu głównie do wytworzenia

pewnego szczególnego światła. Światło składa się z cząstek zwanych

fotonami, a ten laser wytwarza niezwykłe pary fotonów, które są

ze sobą „splątane”. Później dowiemy się, że splątanie oznacza, iż te

dwa fotony są ze sobą bardzo ściśle związane. Jeśli dokona się po-

miaru jednego z nich, natychmiast można ustalić, w jakim stanie jest

drugi foton, bez względu na to, jak daleko się w tej chwili znajduje.

Pojęcie splątania wprowadził do fizyki austriacki uczony Erwin

Schrödinger w 1935 roku. Za jego pomocą chciał opisać pewną bardzo

interesującą sytuację. Nieco wcześniej, w artykule napisanym wspólnie

z młodszymi kolegami, Borisem Podolskim i Nathanem Rosenem,

Einstein zwrócił uwagę na pewną ciekawą, nową możliwość, która

pojawia się w mechanice kwantowej.

Aby zrozumieć, czym jest splątanie, wyobraźmy sobie dwie od-

działujące ze sobą cząstki. Przypuśćmy na przykład, że przed chwilą

zderzyły się ze sobą niczym kule bilardowe i teraz rozbiegają się na boki.

Na gruncie fizyki klasycznej – innymi słowy, tradycyjnej – stwierdzi-

libyśmy, że jeśli jedna bila porusza się, powiedzmy, w prawo, to druga

9

Prolog: Pod pięknym modrym Dunajem

toczy się w lewo. Co więcej, gdybyśmy znali prędkość uderzającej bili

i wiedzieli, jak przebiegało zderzenie z nieruchomą kulą, to wiedząc,

jak szybko i w jakim kierunku przemieszcza się nieruchoma wcześniej

kula, moglibyśmy ustalić dokładnie, jak po zderzeniu porusza się druga

bila. Właśnie takie rozważania snują doświadczeni gracze w bilard,

gdy zastanawiają się, jak najlepiej uderzyć kijem w bilę zagrywającą.

Kwantowe „kule bilardowe” są dużo bardziej niezwykłe. Również

one oddalają się od siebie po zderzeniu, ale pojawiają się wówczas

interesujące i zadziwiające różnice. Żadna z kul nie ma dobrze okre-

ślonej prędkości ani też nie porusza się w dokładnie wytyczonym

kierunku. W istocie, żadna z nich nie ma po zderzeniu ani prędkości,

ani kierunku ruchu. Po prostu się od siebie oddalają.

Najistotniejsze w tym wszystkim jest to, że gdy tylko zaobser-

wujemy jedną z takich kwantowych kul bilardowych, to natychmiast

przyjmuje ona określoną prędkość i porusza się w pewnym kierunku,

oddalając się od miejsca zderzenia. W tym samym momencie – ale ani

chwili wcześniej – druga kula również przyjmuje odpowiednią pręd-

kość i kierunek ruchu. Dochodzi do tego bez względu na to, w jakiej

odległości od siebie są obie kule.

Zatem kwantowe kule bilardowe są splątane. Takiego zjawiska

oczywiście nie zaobserwowano jak dotąd w przypadku rzeczywistych

kul bilardowych, ale w świecie cząstek elementarnych jest ono dosyć

powszechne. Dwie cząstki wpadające na siebie po zderzeniu pozo-

stają ze sobą w ścisłym związku, nawet jeśli dzieli je duża odległość.

Dokonanie obserwacji jednej z nich natychmiast wpływa na drugą,

bez względu na to, jak jest daleko.

Einsteinowi nie podobała się ta dziwna własność i nazywał ją

„upiornym działaniem na odległość”. Miał nadzieję, że fizykom uda

się jakoś pozbyć tego przerażającego zjawiska. W przeciwieństwie

do Einsteina Schrödinger zaakceptował je jako coś zupełnie nowego

i nazwał „splątaniem”. Splątanie jest właśnie tą cechą świata kwanto-

wego, która zmusza nas do porzucenia przyjętych wcześniej poglądów

na temat budowy świata.

Pytamy więc Ruperta, po co mu te splątane fotony, a on uśmiecha

się i odpowiada:

od splątania cząstek do kwantowej teleportacji

10

– Na tym opiera się cała sztuczka.

Jeden z fotonów zatrzymuje u siebie, w swoim niedużym labora-

torium pod korytem rzeki, natomiast drugi przesyła światłowodem

do odbiornika na drugim brzegu.

Objaśniając to wszystko, Rupert wspomina wciąż o „Alicji” i „Bo-

bie”, którzy przesyłają sobie fotony i rozmawiają ze sobą, jak gdyby

byli prawdziwymi ludźmi. Okazuje się jednak, że są wymyślonymi

przez niego, hipotetycznymi badaczami realizującymi doświadczenia.

Alicja pracuje w swoim laboratorium tu, gdzie się znajdujemy, a Bob

– po drugiej stronie rzeki.

Zapytany o to, dlaczego nadał im imiona „Alicja” i „Bob”, Rupert

odpowiada, że to nie jego pomysł. Takie imiona stosują specjaliści

od kryptografii – nauki, której celem jest przesyłanie wiadomości

między nadawcą i odbiorcą w taki sposób, by jej zawartość nie dostała

się w niepowołane ręce. Od razu przychodzą nam na myśl szpiedzy

i mrożące krew w żyłach przygody, ale Rupert rozwiewa nasze wy-

obrażenia. Wyjaśnia, że w dzisiejszych czasach z kryptografią mamy

do czynienia na co dzień. Nawet gdy się logujemy do Internetu i prze-

syłamy, powiedzmy, numer karty kredytowej, to informacja ta jest

zwykle szyfrowana, by nikt inny nie mógł jej przeczytać.

– Początkowo kryptolodzy oznaczali nadawcę wiadomości literą

„A”, a odbiorcę literą „B” – wyjaśnia Rupert – ale w końcu ktoś wpadł

na pomysł, że wygodniej będzie nazywać ich po prostu „Alicją” i „Bobem”.

Rupert pokazuje nam cienki światłowód, do którego wpada foton

przeznaczony dla Boba. Wygląda tak samo jak światłowody stosowane

powszechnie w telekomunikacji.

Podążamy wzrokiem wzdłuż kabla światłowodowego, biegnącego

od lasera do otworu w ścianie niewielkiego laboratorium i dalej w górę,

gdzie łączy się z innymi przewodami biegnącymi w wielkich tunelach

pod Dunajem. Rupert zauważa nasze spojrzenie.

– Chcecie zobaczyć, dokąd prowadzi ten kabel?

Skwapliwie potwierdzamy i tak zaczyna się nasza mała wyprawa

w podziemia Wiednia.

Wchodzimy do okrągłego tunelu o średnicy około czterech

metrów, prowadzącego stromo w dół. Pod nami biegną dwie rury

11

Prolog: Pod pięknym modrym Dunajem

odprowadzające ścieki, każda o średnicy około metra. Ponieważ są

szczelnie zamknięte, ich obecność specjalnie nam nie przeszkadza,

choć w powietrzu unosi się dziwny zapach. Możemy iść w pełni

wyprostowani, ale po bokach nie ma zbyt dużo miejsca. Po prawej

i lewej stronie biegną półki z kablami. Gdzieś na jednej z tych półek

leży nasz cienki światłowód.

– Zupełnie jak w filmie Trzeci człowiek – ktoś zauważa.

Od razu przypomina się nam ten wspaniały film, którego akcja

toczy się w Wiedniu po drugiej wojnie światowej. Jedne z najlepszych

scen w filmie to szalone pościgi w kanałach biegnących pod mia-

stem. Mamy wrażenie, że zaraz zza rogu wyskoczy Orson Welles,

a w uszach dźwięczy nam temat Harry’ego Lime’a, grany na cytrze

przez Antona Karasa.

Po pewnym czasie docieramy do najniższego punktu naszej trasy

i Rupert wyjaśnia, że teraz rzeka płynie nad naszymi głowami. W ta-

kiej sytuacji trudno się nie zastanawiać, co by się stało, gdyby gdzieś

pojawiło się jakieś pęknięcie i do tunelu zaczęłaby się wdzierać woda.

W którym kierunku powinniśmy wówczas pobiec? Na szczęście nic

takiego się nie dzieje i żwawym krokiem idziemy dalej. Tunel prowadzi

teraz lekko w górę. Po chwili wchodzimy do niewielkiego pomieszcze-

nia i wyjrzawszy na zewnątrz, dostrzegamy, że przeszliśmy nie tylko

na drugą stronę rzeki, ale przecięliśmy pod ziemią również niewielki

park nad jej brzegiem, linię kolejową i szeroką ulicę.

W środku pomieszczenia światłowód wydostaje się z plastikowej

osłony i dociera do aparatury podobnej do tej na wyspie, choć znacz-

nie mniejszej. Również tu znajduje się komputer, kilka przyrządów

optycznych, takich jak zwierciadła i pryzmaty, oraz wiele urządzeń

elektronicznych. Rupert wyjaśnia, że tutaj dokonuje się pomiaru te-

leportowanego fotonu, a w szczególności sprawdza się, czy wszystkie

jego własności są takie jak przed teleportacją. Do niewielkiego stołu

biegnie wiele przewodów, ale jeden z nich pnie się w górę, na dach

budynku, w którym się znajdujemy. Rupert z dumą wyjaśnia, że jest

to „klasyczny” kanał komunikacyjny między Alicją i Bobem – standar-

dowe połączenie radiowe między nimi. Trudno nam to wszystko w tej

chwili zrozumieć. Do czego służy klasyczny kanał komunikacyjny?

od splątania cząstek do kwantowej teleportacji

12

Co miał Rupert na myśli, gdy mówił o splątanych fotonach? Czym

jest teleportacja?

Zanim jednak o to wszystko zapytamy, wdrapujemy się za Ru-

pertem na dach i w nagrodę mamy przed sobą wspaniały widok. Po

drugiej stronie rzeki widać budynek, w którym znajduje się Alicja.

Pomiędzy obydwoma budynkami płynie wartki nurt rzeki. Mijają

nas statki zmierzające wytrwale do celu. Kilka kaczek i łabędzi plu-

ska się w czystej wodzie. Po naszej stronie rzeki niedaleko budynku,

w którym się znajdujemy, wznosi się pagoda wybudowana przez

buddyjską społeczność miasta. Jej widok pobudza nas do stawiania

filozoficznych pytań, takich jak: Co to wszystko może znaczyć? Ja-

ką rolę mamy do odegrania we Wszechświecie? Czym jest w istocie

obserwowanie świata? A przede wszystkim, co u diaska ma z tym

wszystkim wspólnego fizyka kwantowa?

Na zachodzie dostrzegamy wzgórza Lasu Wiedeńskiego, które

są najbardziej wysuniętą na wschód odnogą Alp, na wschodzie zaś

rozciąga się Wielka Nizina Węgierska. Przypominamy sobie historię:

nadciągający ze wschodu Turcy dwukrotnie próbowali bezskutecznie

zdobyć Wiedeń. Można sobie wyobrazić, jak zmieniłaby się historia,

gdyby udało im się podbić to miasto. Zastanawiamy się również nad

tym, jak stawiane przez nas pytania – te najgłębsze, dotyczące sensu

naszego istnienia – mogą zależeć od kultury, w której się wychowali-

śmy: buddyjskiej, islamskiej, chrześcijańskiej. Robi się zimno i czas

już wrócić do współczesnego Wiednia.

13

Prolog: Pod pięknym modrym Dunajem

Podróże kosmiczne

Gdy słyszymy o teleportacji, najczęściej od razu pojawia się myśl,

że byłby to idealny sposób podróżowania. Po prostu znikalibyśmy

w miejscu, w którym akurat jesteśmy, i natychmiast pojawiali się

u celu. Najatrakcyjniejsze jest w tym to, że byłby to najszybszy sposób

przemieszczania się. Należy jednak od razu wszystkich przestrzec, że

teleportacja w roli środka transportu to wciąż fantastyka naukowa,

a nie nauka.

Jak dotąd ludziom udało się dotrzeć najdalej na Księżyc. W skali

kosmicznej to bardzo blisko – można powiedzieć, że nie wyszliśmy

jeszcze poza własne podwórko. Wenus i Mars, najbliższe planety

Układu Słonecznego, są w odległości około tysiąca razy większej, nie

wspominając o bardziej odległych planetach.

Warto się w tym miejscu zastanowić, jak długo trwałaby podróż

do innych gwiazd. Jak wszyscy wiemy dzięki programowi Apollo,

w ramach którego człowiek po raz pierwszy stanął na Księżycu,

przebycie odległości między Ziemią i Księżycem zabiera około czte-

rech dni. Podróż statkiem kosmicznym z Ziemi na Marsa musiałaby

trwać około 260 dni – i to w jedną tylko stronę. Nie ma wątpliwości,

że w czasie takiej wyprawy kosmonauci bardzo by się nudzili, więc

mogliby wykorzystać ten czas na przeprowadzenie doświadczeń z te-

leportacją kwantową.

Aby dotrzeć jeszcze dalej, konieczne może się okazać przyspie-

szanie pojazdu kosmicznego z wykorzystaniem grawitacji innych

planet, a nawet samej Ziemi, tak jak to uczyniono w przypadku sond

bezzałogowych badających planety zewnętrzne. Pomysł polega na po-

kierowaniu statkiem tak, by przeleciał blisko wybranej planety. Wtedy,

za sprawą oddziaływania przypominającego wyrzucenie z procy, pojazd

taki może uzyskać dodatkowe przyspieszenie i znaleźć się na nowej

orbicie sięgającej znacznie dalej w kosmos. Dzięki wykorzystaniu tej

metody sonda Pioneer 10 po prawie jedenastu latach dotarła do naj-

dalszych planet Układu Słonecznego i teraz kontynuuje swoją podróż

dalej w przestrzeni międzygwiazdowej. Możemy zatem na przykład

oszacować, że przy obecnej jej prędkości dotarcie do Proximy Centauri,

gwiazdy położonej najbliżej Słońca, zabrałoby około 100 000 lat.

Przydałoby się więc odkryć jakiś inny sposób podróżowania, umożli-

wiający przebywanie takich olbrzymich odległości. Najlepiej, gdybyśmy

mogli przenosić się do celu natychmiast, bez żadnych ograniczeń co

do odległości, którą można pokonać. Czy to możliwe, choćby tylko

w teorii? Po to właśnie twórcy literatury fantastycznonaukowej wy-

myślili teleportację. Jak za sprawą magii znikamy w jednym miejscu

i po chwili, w równie cudowny sposób, pojawiamy się gdzieś indziej.

15

Podróże kosmiczne

Substancja zwana światłem

Pierwsze doświadczenia z teleportacją przeprowadzono z wykorzy-

staniem światła. Rodzi się więc pytanie, czym jest światło. Zawsze

fascynowało ono ludzi. Zapewne jeszcze na długo zanim nauczyliśmy

się zapisywać własne przemyślenia, ludzie zastanawiali się, jak to

możliwe, że dzięki światłu możemy widzieć obiekty znajdujące się

blisko i bardzo daleko. Wyjaśniając, jak coś przemieszcza się od źródła

światła – powiedzmy, Słońca czy maleńkiej świeczki – do naszych

oczu, tak że potrafimy rozpoznać obiekt wysyłający światło, fizycy

posługują się dwoma podstawowymi pojęciami. Jedno z nich opiera

się na założeniu, że światło dociera do nas pod postacią cząstek, czyli

kawałków czegoś, przypominających fragmenty materii. Druga kon-

cepcja zakłada, że światło przemieszcza się pod postacią fal.

Najprostszym porównaniem, pozwalającym zrozumieć koncepcję

zakładającą korpuskularną naturę światła, jest wyobrażenie sobie,

że przemieszcza się ono tak samo jak kula pistoletu lub szklana kul-

ka. W przypadku koncepcji zakładającej naturę falową najlepiej jest

wyobrazić sobie fale rozchodzące się po powierzchni wody, na przy-

kład w niewielkiej sadzawce. Te dwa proste porównania pozwalają

zrozumieć najważniejsze cechy obydwu modeli.

W przypadku szklanej kulki mamy do czynienia z poruszającym

się obiektem o ograniczonym rozmiarze w przestrzeni. Podobnie

cząstka światła przemieszcza się z miejsca na miejsce – ze źródła

światła do widzianego obiektu, a potem do oka – podążając określoną

trajektorią. Co więcej, podobnie jak kulki lub kule pistoletu przecinają

powietrze kolejno, jedna za drugą, tak źródło światła, na przykład

Słońce, emituje wiele maleńkich cząstek światła podążających w na-

szym kierunku. Przypuśćmy, że uderzają w drzewo po drugiej stronie

drogi – niektóre z nich odbiją się w bok i ulegną rozproszeniu, ale

kilka odbije się w naszą stronę i wpadnie do naszego oka.

Natomiast fala na powierzchni sadzawki nie jest obiektem o ogra-

niczonym rozmiarze. Jeśli rzucimy kamieniem w gładką taflę wody,

zobaczymy, że powstała fala obejmie w końcu swym zasięgiem całą

powierzchnię sadzawki (zob. ryc. 1). Co więcej, fale nie występują w od-

dzielnych, jednakowych kawałkach – przeciwnie: mogą mieć dowolny

rozmiar. Istnieją maleńkie fale, powstające na przykład pod nogami

Ryc. 1. Natura fal. Fale rozchodzą się po powierzchni sadzawki od miejsca, w którym
kamień wpadł do wody.

17

Substancja zwana światłem

niewielkich owadów ślizgających się po lustrze wody, ale mogą też

pojawić się potężne fale, tworzące się po wrzuceniu do wody olbrzy-

miego głazu. A zatem rozmiar fal na wodzie jest wielkością ciągłą,

przyjmującą różne wartości.

Rodzi się więc wielkie pytanie: Czym jest światło? Które z tych

pojęć oddaje jego charakter – czy ma naturę falową, czy korpusku-

larną? Które z wymienionych przed chwilą cech stanowią właściwy

opis światła?

Dużą część historii fizyki można opowiedzieć przez pryzmat hi-

storii badań nad naturą światła. Uczeni od dawna prowadzili skru-

pulatne badania, próbując ustalić, które z cech cząstek lub fal pasują

do światła. Na początku XVIII wieku doszło do poważnego sporu

między zwolennikami obrazu korpuskularnego – na ich czele stał

Isaac Newton – a zwolennikami opisu światła za pomocą fal – w tej

grupie prym wiódł Robert Hooke. Wówczas sukces odniósł opis kor-

puskularny. Wielu twierdzi, że czynnikiem, który przechylił wówczas

szalę zwycięstwa na korzyść tego modelu, był autorytet Newtona.

Światło ma naturę falową

W 1802 roku angielski lekarz Thomas Young przeprowadził doświad-

czenie, które okazało się kluczowe dla naszego rozumienia natury

światła. Doświadczenie to samo w sobie – w istocie jedno z najważ-

niejszych w historii nauki – jest bardzo proste. Young przepuścił po

prostu światło przez dwie wąskie szczeliny w przesłonie.

Po drugiej stronie przesłony ujrzał jasne i ciemne paski (zob. górny

rysunek na ryc. 2), które obecnie nazywamy „prążkami interferen-

cyjnymi”.

Co się stanie, gdy zasłonimy jedną ze szczelin? Wówczas nie

zobaczymy prążków, ale jedynie szeroką plamę światła (środkowy

rysunek na rycinie 2). Jeśli zakryjemy drugą szczelinę, uzyskamy

podobną rozległą plamę światła, tylko nieco przesuniętą (dolny

rysunek). Zauważmy, że istnieje duży obszar, na który pada światło

obydwu plam.

od splątania cząstek do kwantowej teleportacji

18

Ryc. 2. Współczesna wersja doświadczenia Younga z dwiema szczelinami. Światło lasera
przechodzi przez dwie szczeliny w przesłonie, po czym dociera do ekranu. Gdy otwarte są
obie szczeliny (na górze), obserwujemy ciąg jasnych i ciemnych pasków, które nazywamy
„prążkami interferencyjnymi”. Gdy otwarta jest tylko jedna szczelina (w środku i na dole),
na ekranie pojawia się szeroki oświetlony obszar bez jakichkolwiek prążków. Nie ulega
wątpliwości, że prążki z górnego rysunku nie są zwykłą kombinacją pozostałych dwóch
obrazów na ekranie. W miejscach, gdzie pojawiają się ciemne paski, obydwie fale z każdej
ze szczelin wzajemnie się wygaszają. W obszarach, w których obserwujemy jasne prążki,
fale się wzmacniają. Zanikanie światła w ciemnych obszarach i wzmacnianie w jasnych
stanowi niepodważalne potwierdzenie falowej natury światła.

19

Substancja zwana światłem

Opisując to zjawisko za pomocą cząstek, należałoby oczekiwać,

że po otwarciu obydwu szczelin obie plamy światła po prostu się

na siebie nałożą. Okazuje się jednak, że takie przypuszczenie jest

błędne. W obszarze, do którego dociera światło z obydwu szczelin,

Young zaobserwował jasne i ciemne paski – prążki interferencyjne.

Istnieją zatem miejsca – owe ciemne prążki – do których po otwarciu

obydwu szczelin nie dociera żadne światło. Jednak gdy odsłonięta

jest tylko jedna szczelina, miejsca te są oświetlone. Staranne pomiary

pokazały, że w miejscach, gdzie pojawiają się jasne prążki, ilość światła

jest większa od sumy natężenia światła obydwu źródeł, zmierzonego

po otwarciu każdej ze szczelin osobno. Jak to wyjaśnić?

Pojawienie się prążków można wytłumaczyć, zakładając falową naturę

światła. Przyjmijmy, że światło pada z jakiegoś określonego kierunku,

powiedzmy z lewej strony, tak jak pokazano na rysunku. Dociera do dwóch

szczelin i po drugiej stronie każdej szczeliny powstaje nowa fala. Fale te

docierają do ekranu. W środku ekranu odległość do każdej ze szczelin

jest taka sama. To oznacza, że obydwie fale będą w tym miejscu drgały

tak samo – będą ze sobą zsynchronizowane – wzajemnie się wzmocnią

i w efekcie zaobserwujemy jasny prążek. Jeśli przesuniemy nasz punkt

obserwacji w prawo lub lewo, odległość do jednej ze szczelin ulegnie

skróceniu, natomiast druga szczelina znajdzie się nieco dalej. Drogi

z obydwu szczelin do takiego punktu na ekranie nie będą już sobie

równe. Pojawi się różnica w odległości pokonywanej przez światło.

Zatem w zależności od położenia obserwowanego punktu obydwie

fale będą coraz bardziej rozsynchronizowane. W końcu dotrzemy

do takiego miejsca, w którym obie docierające fale będą drgały prze-

ciwnie. Gdy jedna z nich będzie miała wartość maksymalną, w drugiej

pojawi się minimum. W takiej sytuacji fale wzajemnie się wygaszą.

Wyobraźmy sobie podobną sytuację w przypadku fal na wodzie. Gdy

dwie fale przecinają się w taki sposób, że grzbiet jednej z nich przypa-

da na dolinę drugiej, powierzchnia wody pozostaje płaska, ponieważ

fale wzajemnie się tłumią.

Gdy przesuniemy się jeszcze dalej od środka, różnica w odległo-

ściach do obydwu szczelin będzie dalej rosła. W pewnej chwili bę-

dzie ona równa dokładnie jednej długości fali. Wtedy grzbiet jednej

od splątania cząstek do kwantowej teleportacji

20

fali ponownie spotka się z grzbietem fali drugiej: fale wzajemnie się

wzmocnią i pojawi się jasny prążek.

Przechodząc jeszcze dalej od środka, zobaczymy, że ta prawidłowość

się powtarza. Znowu natrafimy na miejsca, w których grzbiet spotyka

dolinę: w takich punktach fale się wygaszają, a więc nie dociera tam

żadne światło i pojawia się ciemny pasek. Prążki interferencyjne wy-

stępują dlatego, że w miejscach, w których dochodzi do wzajemnego

wzmocnienia się fal, pojawia się więcej światła i obserwujemy jasne

prążki, natomiast tam, gdzie grzbiet jednej fali spotyka się z doliną

drugiej, dochodzi do całkowitego wygaszenia światła i widzimy ciemne

prążki (jest to tak zwana interferencja destruktywna). W ten sposób

powstaje prążkowany wzór.

Poznawszy wyniki doświadczenia Thomasa Younga, fizycy nie

mieli wątpliwości, że światło składa się z fal, a nie cząstek.

Światło ma naturę korpuskularną

Jednak w 1905 roku nieznany nikomu urzędnik szwajcarskiego biura

patentowego w Bernie opublikował serię artykułów, które całkowicie od-

mieniły fizykę. Albert Einstein miał wówczas zaledwie dwadzieścia sześć

lat. W jednym z tych artykułów przedstawił swoją teorię względności. Nas

jednak bardziej interesuje teraz pierwszy z artykułów, które ukazały się

tamtego roku. Jest to jedyne dokonanie Einsteina, które on sam w liście

do przyjaciela Conrada Habichta nazwał „bardzo rewolucyjnym”. W tym

artykule Einstein niespodziewanie sugeruje, że światło składa się z cząstek.

Owe cząstki światła, czy innymi słowy kwanty światła, otrzymały

później nazwę fotonów – wymyślił ją w 1926 roku amerykański chemik

Gilbert Newton Lewis. W czasach Einsteina fizycy zebrali już mnó-

stwo dowodów na to, że światło ma naturę falową – doświadczenie

z dwiema szczelinami było tylko jednym z wielu – jak to więc moż-

liwe, że ów młody urzędnik biura patentowego ośmielił się wysunąć

zupełnie odmienną ideę, że światło składa się z cząstek? Aby omówić

to dokładnie, musimy dowiedzieć się czegoś więcej na temat tego,

jak fizycy opisują porządek i nieporządek.

21

Substancja zwana światłem