Seda ülitäpset eksperimenti palusime kommenteerida osakestefüüsika asjatundjal,
tuntud teaduse populariseerijal füüsika-matemaatikadoktor JAAK LÕHMUSEL.

Kaksikpilu-eksperiment on kuulsamaid katseid füüsika ajaloos. Mõned aastad tagasi Inglise ajakirja Physics World korraldatud lugejaküsitluses oli kõnealune eksperiment valgusega (Young, 1801) viiendal kohal, tehtuna aga elektronidega absoluutsel esikohal. Esimese ja viienda koha vahele mahtusid Galileo Galilei katse langevate kehadega (1600), Robert Millikani õlitilgakatse (1910) ja Isaac Newtoni prismakatse (1665).

Nagu juba öeldud, sai inglane Thomas Young (1773–1829) 1801. aastal valgust läbi kahe kõrvutioleva pilu lastes iseloomuliku interferentspildi tumedate ja heledate ribade vaheldumisega, mis on ära toodud igas valgusnähtusi käsitlevas kooliõpikus. Üle saja aasta hiljem (1909) tegi üks teine inglane, Geoffrey Taylor (1886–1975), sama katse väga nõrga valgusallikaga, nii nõrgaga, “nagu paistaks põlev küünal miili kauguselt”. Veel üks kuulus inglane Paul Dirac ütles hiljem selle kohta, et “seal interfereerus iga footon ainult iseendaga”.

Elektronid omavahel

Pärast kvantmehaanika sündi, ja eriti pärast prantslase Louis de Broglie hüpoteesi osakeste laineomadustest ehk osakese-laine kaksikloomusest, vaadeldi küll mitmetes katsetes elektronide difraktsiooni ja isegi interferentsi, ent Youngi pilukatse analoogi elektronidega korraldas alles Claus Jönsson 1961. aastal Saksamaal. Viimane katse sai aluseks USA füüsikateoreetiku Richard Feynmani kommentaarile 1963. aastal peetud loengutes: “Seda on absoluutselt võimatu seletada kuidagi klassikaliselt, see on kvantmehaanika keskne müsteerium.”

Kõige efektsemalt tegi sama katse, küll veidi modifitseeritult, jaapanlane Akira Tonomura 1979. aastal. Ta tegi seda, millega valguse korral sai väidetavalt hakkama Taylor. Nimelt korraldas Tonomura katse nii, et seadmes oli korraga ainult üks elektron.

Trükinumbris toodud pildikestel on vastavalt 100 elektroni punktjäljed ja 70 000 elektroni omad. Niisuguse tulemuse seletamiseks ükshaaval seadmesse lastavate elektronide korral ei jää muud üle, kui tunnistada, et iga elektron interfereerub iseendaga.

Siinkohal esitatakse tavaliselt mitmeid küsimusi. Näiteks: Mis on siis täpselt interfereerumas, kui seadmes on korraga ainult üks footon või elektron? Kuna interferentspildi tekkimiseks on vaja kaht lainekest, ons see võimalik, et üksik footon või elektron läbib mõlemad pilud korraga?

Kahjuks on neile küsimustele võimatu vastata, isegi põhimõtteliselt, kuna meil ei saa olla korraga täiuslikku interferentspilti ja täielikku infot selle kohta, millist teed mööda liigub footon, meil võib olla kas üks või teine. Kui mõlemad pilud on avatud, tekib küll interferentspilt, kuid me ei tea, millise pilu kaudu läks footon. Ja ümberpöördult, pannes ühe pilu kinni, saame ühese info footoni tee kohta, kuid interferentspilt hävib täielikult.

Seda nähtust tõlgendatakse praegu mitte niivõrd kui kahe laine või osakese interferentsi, vaid kui interferentsi elektroni kahe erineva tee vahel läbi seadme – kui me püüame kindlaks teha, millist pilu elektron tegelikult läbib, siis interferentspilt kaob.

Hiljutine eksperiment aga, mis viidi läbi Viini tehnikaülikoolis mitmete teiste teadusasutuste töötajate osavõtul (Max Borni instituudist Berliinis, Max Plancki kvantoptika instituudist Münchenis, ning Sarajevo ja Texase ülikoolidest), on selle klassikalisest versioonist radikaalselt erinev – selle asemel, et lasta osakesed läbi ruumilise kaksikpilu mingis ekraanis, lasti osakesed läbi kaksikpilu ajas! Interferentspilt tekib siis mitte elektronide ruumilises jaotuses ekraanil pilude taga, vaid nende energeetilises jaotuses detektoris.

Osakesed läbi kaksikpilu ajas!

Eksperimendi teostus oli üldjoontes järgmine. Eksperimentaatorid lasid titaan-safiirlaseri kiire läbi argooni. Laseri impulsid olid rihitud nii lühikeseks (5 femtosekundit), et igaüks neist koosnes vaid mõnest elektrivälja võnkest. Seejuures olid katsetajad suutelised kontrollima laseri väljundit ülitäpselt ning nad võisid kindlad olla, et iga impulss koosnes kahest elektrivälja maksimumist ja ühest miinimumist. On mingi tõenäosus, et ettejuhtuv argooni aatom saab ioniseeritud ühe või teise maksimumi poolt, mis mängisid siis “pilude” rolli, kus tekkinud elektron saab kiirenduse ühe detektori suunas. Kui aatomit ioniseerib elektrivälja miinimum, lendab elektron vastassuunas, teise detektori poole.

Uurijad registreerisid elektronide kummassegi detektorisse saabumise ajad ning mõõtsid elektronide jaotuse energia järgi. Nad nägid interferentsribasid tekkimas jaotuses esimese detektori juures, sest oli võimatu kindlaks teha, kas registreeritud elektron tekitati esimese või teise maksimumi poolt. Teine detektor interferentspilti ei andnud, kuna kõik elektronid tekitati ühe ja sama miinimumi poolt. Kui laserikiire faasi muudeti nii, et maksimume oli üks ja miinimume kaks, ilmnes interferentspilt energia jaotuses teises detektoris. “Meil on täielik “millist-teed”-info ning mitte mingit “millist-teed”-infot samaaegselt sama elektroni jaoks, olenevalt sellest, kust suunast me seda vaatame,” ütleb Gerhard Paulus, eksperimendi üldjuhendaja Texase ülikoolist.

Kirjeldatud eksperiment on veelkordseks kinnituseks kvantmehaanika määramatuse ja täiendatavuse ehk komplementaarsuse printsiipidele, millest esimest seostatakse kuulsa Saksa füüsiku Werner Heisenbergiga, teist sama tuntud Taani teadlase Niels Bohriga. Määramatuse relatsioonid kehtivad nn konjugeeritud ehk teineteist täiendavate (komplementaarsete) suuruste paaride jaoks. Niisugusteks paarideks on koordinaat ja impulss ning aeg ja energia. Klassikaline kaksikpilu eksperiment haarab esimest paari. Uues katses on pilud ajas, interferentspilt aga tekib energiajaotuses.