síelsz vagy boardozol? a hullám-részecske kettősség
Szóval épp síelsz, és egyszer csak egy ilyen szituációban találod magad:
…? ugye? kicsit fura.
A kép jól megragadja a hullám-részecske kettősség lényegét. Szépen érzékelteti a nyugtalanságot is, amit okozott ez a XX. század eleji felfedezés. De azért egy ilyen komikus szituációban felcsillan a szemed és felmerül benned:
Ezt én is meg tudom csinálni?
Igen, meg tudod! Ha nem is sílécekkel, hanem elektronokkal. Mindjárt megmutatom, hogy!
A hullám-részecske kettősség
Ha veszel a sarki ABC-n egy elektront, és otthon kinyitod a dobozát, akkor az elektron kiszökik rögtön, és a szobán egy hullámként száguld át (lsd. kép). De amikor a falnak nekiütközik, akkor csak egy pontban ütközik neki, mint egy részecske.
Honnan tudjuk, hogy ez így van? Azt tisztán látjuk, hogy mindig ha elengedünk egy elektront, akkor az egy pontként csapódik be a falba (van olyan ernyőnk, ami felvillan, ha becsapódik egy elektron). Viszont ahhoz, hogy lássuk, hogy hullámként terjed, kéne valami hullámjelenséget létrehoznunk. A legjellegzetesebb hullámjelenség nem más, mint
az interferencia.
Ezt úgy hozzuk létre, hogy az elektron útjába teszünk még egy falat, amin két rés van. Ugye, hagyományos hullámokkal, pl. víz hullámokkal, mindkét rés után újabb hullámok terjednek tovább, valahogy így:
és a két új hullám együtt terjed, de kicsit eltolva, így létrejönnek magasabb és alacsonyabb pontok egy együttes hullámban, térben periodikusan. Ezt hívjuk interferenciának, és a távoli falon látjuk.
Azon nagyon nem lepődnél meg, ha elárulnám, hogy ha részecskéket lövünk át ugyanezeken a réseken, akkor csak egyenesen a falba csapódnak, két csíkban.
Na tehát mi történik amikor elektronokat küldünk rá a két résre? Hát interferencia! Azaz a szemközti falon nem csak két csíkban látunk becsapódásokat, hanem úgy eloszlatva, ahogy azt egy hullámtól várnánk.
Azaz innen tudhatjuk, hogy hullámként terjednek a térben.
És a legjobb: Nem az történik, hogy a sok elektron egymással ütközget a két rés után, és úgy lökik egymást, hogy interferencia csíkok alakuljanak ki. Nem. Még ha egyenként küldjük az elektronokat, akkor is kirajzolódnak ezek a csíkok az egyes elektronok által otthagyott pöttyökből. Azaz egy darab elektron valahogy mindkét résen átmegy, majd önmagával interferál. Ez kb így néz ki:
Mielőtt áttérünk arra, hogy ez hogy kapcsolódik össze a kvantuminformációhoz, még egy izgalmas jelenség van,
a mérés.
Jogos lehet a kérdésed, hogy “na melyik résen ment át akkor az elektron?” Már valószínűleg sejted a választ, hogy mindkettőn, egyszerre. De mégiscsak, ha megpróbáljuk rajtakapni az elektront, hogy melyik résen megy át, pl. úgy, hogy az egyik rés mellett mérjük az elektromos teret, akkor az elektron makacsul nem hagyja, hogy megfigyeljük közvetlenül azt, hogy mindkettőn megy át egyszerre. Nem ám, onnantól kezdve mindig csak az egyiken megy át és pont úgy viselkedik, mint egy részecske. Azaz valahogy így:
Ez azért van, mert mihelyst megméred, hogy a bal oldali résen megy át az elektron, onnantól kezdve valóban ott megy át, és egyenese továbbreppen.
Egy epic kis összefoglaló videó:
Hol van ebben a qubit?
A kvantummechanika előadásokban a hullám-részecske kettősségről szeretnek beszélni, és el kell képzelnünk és számolgatnunk kell az elektronhullámokat ahogy terjednek a térben.
A kvantuminformációban viszont szeretjük az egyszerűsített képeket, ahol gondolhatunk qubitokra. Némi torzítással a két réses kísérletet is tekinthetjük kvantumbites manipulációnak. A központi gondolat, hogy
hullám-részecske kettősség <=> szuperpozició
ami valahol amiatt van, hogy a kvantummechanikai leírásban a részecske sok hullám szuperpoziciója.
Na de lássuk a torzított szemléletet, ami egyszerűbb számunkra: egy qubittel úgy nézne ez ki, hogy az egyik rést elnevezzük a |0⟩ résnek, a másikat meg az |1⟩ résnek. És bizony, ha nem mérünk, akkor a qubit a |0⟩ és |1⟩ szuperpoziciójában van. Viszont, ha megmérjük, hogy melyik résen halad át, akkor vagy a |0⟩-n, vagy az |1⟩-esen fog áthaladni, átlagosan fele-fele arányban. Ez nagyon hasonló a félig-áteresztő tükörhöz és a fotonhoz.
A szuperpoziciónak itt egy érdekes különlegessége csúcsosodik ki: akár mérünk, akár nem, átlagosan az elektron félig itt-félig ott megy át. Viszont óriási a különbség aközött, hogy mérünk vagy sem.
Mindez miért olyan, mint a síelő aki átmegy egy fán? Mert ha a fa előtt vagy után nézel rá, egy síelőt látsz, aki úgy tűnik, hogy egymaga mindkét irányból megkerülte a fát. Viszont ha lesben állva, tüzetesen figyeled azt a pillanatot, amikor a fán átmenne a síelő, akkor észreveszed, hogy nem is egy síelővel van dolgod, hanem két board-ossal .
Egyéb videók a kétréses kísérletről:
Kb amit itt leírtam ebben a cikkben, csak videóban, “Dr. Quantum” szájából :D, jó kis animációkkal, emberi reakciókkal.
Feynman maga magyarázza el neked, nagyon jól, nagyon hosszan :)
