Hva er spesielt med sammenfiltring? Kontroversielle oppfatninger.

(en utdypning av artikkelen "Sammenfiltrede fotoner og erkjennelsesmessige konsekvenser." av Arnt Inge Vistnes i tidsskriftet Fra Fysikkens Verden 70. årg., nr 3, 2008, side 75-79. Selve artikkelen kan lastes ned herfra.)

Sammenfiltring og korrelasjon..
Her er en punktvis oppsummering av sammenfiltring og tankemessige konsekvenser:

Når sammenfiltrede fotoner genereres, enten det er ved elektron-positron-annihilasjon, ved fotonkaskade fra Ca-atomer, eller fra ikke-lineære krystaller, er det essentielle at:

  • polariseringen til de to fotonene idet de dannes er nært korrelert (f.eks. slik at polariseringen er vinkelrett på hverandre)
  • polariseringen varierer fra fotonpar til fotonpar. Alle mulige polariseringer er tenkelige for f.eks. delsystem 1 (men når polariseringen har én spesiell retning for ett av fotonene, er polariseringen vinkelrett på denne retningen for det andre fotonet).
  • det er ikke mulig å måle polariseringen entydig for ett enkelt foton (generelt sett), og da er det selvølgelig heller ikke mulig å måle polariseringen entydig av ett av fotonene i et sammenfiltret par.
  • dette betyr at dersom man skal påvise korrelasjon i polariseringen til de to fotonene i et sammenfiltret par, må man bruke statistisk analyse basert på mange sammenfiltrede fotonpar.
  • en slik statistisk analyse kan være basert på kvantefysikk eller en klassisk modell.
  • det synes som om analyser basert på kvanteoptikk gir bedre overensstemmelse med data enn de klassiske modellene som hittil er forsøkt anvendt.
  • tolkningen av disse eksperimentene peker i dag på at vi må forlate Einsteins oppfatning om at fotonet har en i prinsippet veldefinert polarisering med seg mens det flyr av gårde (realisme-oppfatning), og at denne egenskapen følger hvert enkelt foton lokalt der dette befinner seg (lokal realisme oppfatning).
  • noen mener at sammenfiltring medfører at dersom det ene av de to fotonene endres under sin flukt, så vil også det andre fotonet endres øyeblikkelig (ikke begrenset av lyshastigheten).

annihilasjon

 

De tre siste punktene er kontroversielle, og selv om kanskje de fleste fysikerne i dag støtter den oppfatningen som er gitt ovenfor, er det også mange som ikke er overbevist (meg selv inkludert). Et springende punkt gjelder hvorvidt korrelasjon i polariseringer kan forklares ene og alene ut fra polariseringen som fotonene av gode fysiske grunner fikk idet de ble generert, eller om det er en vedvarende "spoky action at a distance" som skjer mellom fotonene også under deres flukt etter at de er skapt. Sitatet om "spoky action" er hentet fra Einstein, for han oppfattet kvantemekanikkens beskrivelse av sammenfiltring nettopp som spøkelsesaktige virkninger langt unna "kilden" til en endring. Med en slik oppfatning, blir det noe merkelig å snakke om årsak og virkning siden vi kan gjøre endringer ett sted i rommet og øyeblikkelig få en endring et helt annet sted i rommet. Det strider mot vår intuisjon.

Studier av sammenfiltrede fotoner kan gi en nøkkel til ny eller fordypet forståelse av fysikken. Det er jo mange vesentlige detaljer i vår forståelse av naturen som vel må anses som problematiske, i alle fall i den forstand at oppfatningene varierer fra fysiker til fysiker (selv om ensrettingen kan være påfallende stor innen ett og samme lokale miljø). Eksempelvis diskuteres det hvordan den statistiske karakteren i kvantefysikken bør oppfattes (som noe "objektivt" som angår systemet uavhengig av oss, eller bare som "vår kunnskap om systemet"). Videre diskuteres det hvordan "kollaps av bølgefunksjonen" kan oppfattes, hvordan usikkerhetsrelasjonen kan oppfattes, hvordan bølge-partikkeldualismen kan oppfattes m.m. Det finnes til dels betydelige forskjeller i enkelt-fysikeres oppfatninger, og det gjør forskning på dette området ekstra interessant.

I skolesammenheng håper jeg at dere bruker anledningen til å peke på at problemstillinger fra 1930-årene, som Einstein og Bohr diskuterte så flisene føyk, fortsatt diskuteres hett innen fysikk. Det er ikke slik som lærebøker ofte gir inntrykk av, at man stort sett har løst de fleste problemer fysikken etter hvert er blitt konfrontert med, og at det vi regner som "sant" i dag kommer til å forbli "sant" til evig tid. En del av fysikken hviler på ganske løse antakelser og ideer, og noen av elevene i den videregående skolen i dag, kan om noen år være med på å gi oss en dypere forståelse. Få elevene med i en diskusjon, og ikke la stoffet bare bli trøtt og kjedelig tilegnelse av andres oppfatninger uten at elevene får anledning til å gjøre seg opp sine egne oppfatninger på egen hånd! Innen sammenfiltrede fotoner er det lov, og til og med naturlig, at ulike elever har ulike oppfatninger!

Det bør forøvrig bemerkes at sammenfiltrede fotoner er meget interessante i kvante-informasjonsteknologi uavhengig av om vi kan forsvare en lokal realisme oppfatning av naturen eller ikke. Det skyldes at man i teknologisammenheng bare anvender korrelasjonen som finnes mellom polariseringene uten å vurdere de dypere sidene ved fenomenet.

Det kan også legges til at jeg vurderer å skrive en artikkel om sammenfiltrede fotoner der startpunktet er mer teknologirettet: Hvordan sammenfiltrede fotoner genereres i dag, hvordan man kan utnytte dem i kvanteinformasjons-systemer, og at man først deretter forteller om hvordan sammenfiltrede fotoner brukes i forsøk knyttet til såkalte grunnlagsproblemer i fysikk/kvantefysikk. Dersom jeg får skrevet en slik artikkel, vil den bli lagt ut på websidene mine med lenke fra denne teksten.

 

Til slutt et par referanser for de mest interesserte:

Et eksempel på en som mener at sammenfiltring representerer noe svært spesielt og ikke-intuitivt, og at en endring på ett av to sammenfiltrede fotoner øyeblikkelig fører til en endring på det andre, finner du i en artikkel av Anton Zeilinger: Experiment and foundations of quantum physics, Rev.Mod.Phys. 71 (1999) S288-S297.

Et eksempel på det motsatte finner du ved å ta utgangspunkt i denne websiden: http://en.wikipedia.org/wiki/User:Caroline_Thompson.

En nyhetsnotis fra oktober 2008 og mange samtidige sammenfiltrede fotoner finner du her.

Kommentarer til denne artikkelen mottas med takk. Bruk e-mail: a.i.vistnes[at]fys.uio.no.


Oppdatert 6. november 2008 av Arnt Inge Vistnes