อิเล็กตรอนเดี่ยวผ่านช่องคู่

อิเล็กตรอนเดี่ยวผ่านช่องคู่

การนำเสนอแนวความคิดของเดอเบรยเกี่ยวกับเรื่องคุณสมบัติทวิภาคระหว่างอนุภาคและคลื่นนั้นถือว่าเปลี่ยนโชมหน้าโลกในระดับอะตอมไปจากโลกที่เราคุ้นเคยอย่างสิ้นเชิง

หนึ่งในหลายการทดลองที่น่าสนใจเพื่อยืนยันสมบัติทวิภาคนั้นคงหนีไม่พ้น การทดลองช่องคู่ของอิเล็กตรอนเดี่ยว ดังรูป

อุปกรณ์ประกอบไปด้วยแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนเดี่ยว (electron gun) ช่องคู่ และก็ฉากรับ โดยที่ฉากรับจะมีการติดตั้งตัวตรวจจับอิเล็กตรอนไว้เมื่อกระทบ ณ ตำแหน่งไหนก็จะส่งสัญญาณไปเก็บข้อมูล

ในการทดลองนั้นเราจะทำการยิงอิเล็กตรอนที่ล่ะตัวไปเรื่อยๆแล้วดูสถิติของการไปกระทบกับฉากรับด้านหลัง

จากรูปด้านบนนั้น (i) เป็นผลของการยิงอิเล็กตรอนไปหนึ่งตัว (ii) เมื่อทำการยิงไปเรื่อยๆ (iii) เมื่อทำการยิงไปเรื่อยๆ เราสังเกตุว่าตำแหน่งที่อิเล็กตรอนแต่ล่ะตัวไปกระทบกับฉากรับนั้นเป็นรูปร่างที่เราคุ้นเคยเป็นอย่างยิ่งในการทดลองการแทรกสอดของคลื่นผ่านช่องคู่

ดังนั้นการที่อิเล็กตรอนแต่ล่ะตัวๆที่ผ่านช่องคู่แล้วไปตกกระทบกับฉากแล้วให้รูปร่างของการแทรกสอดออกมานั้น เราจะมองอิเล็กตรอนว่าเป็นอนุภาคอย่างที่เราคุ้นเคยไม่ได้อีกต่อไป แต่เราต้องมองว่าอิเล็กตรอนนั้นทำตัวเป็นคลื่นที่ผ่านช่องคู่แล้วไปแทรกสอดกับตัวมันเองหลังจากช่องคู่ จากนั้นก็ไปตกกระทบฉากรับอย่างสุ่ม!! (หากเราเทียบภาพการแทรกสอดของคลื่น ดังรูปด้านข้าง แถบสว่างบอกถึงบริเวณที่อิเล็กตรอนจะมีโอกาสมากที่จะไปตก ขณะที่บริเวณแถบมืดนั้นอิเล็กตรอนที่โอกาศน้อยที่ไปตก)

คำถามที่เราอาจสนใจคือจริงๆแล้วอิเล็กตรอนนั้นเคลื่อนที่ผ่านช่องคู่ไปพร้อมๆกันจริงหรือเปล่า หรือ ผ่านไปช่องใดช่องหนึ่งกันแน่ เพื่อตอบคำถามเราต้องทำการส่งเครื่องตรวจจับว่าอิเล็กตรอนผ่านช่องไหนกันแต่ (ในที่นี้ขอแทนด้วยคน) ดังรูป

การที่มีคนเข้าไปสังเกตุว่าอิเล็กตรอนผ่านช่องไหนกันแน่นั้น ทำให้รูปร่างของการแทรกสอดที่ฉากรับนั้นหายไป หมายความการที่มีคนเข้าไปมองจะทำให้อิเล็กตรอนแต่ล่ะผ่านช่อง 1 หรือ 2 สลับกันไปเรื่อยๆ อิเล็กตรอนไม่ได้ทำตัวเป็นคลื่นอีกต่อไปเพราะจากรูปร่างของการตกกระทบบอกว่าอิเล็กตรอนแต่ล่ะตัวเลือกผ่านแค่ช่องใดช่องหนึ่งเท่านั้น

ผลการทดลองข้างต้นนั้นน่าสนใจเป็นอย่างมากเพราะหากเราสนใจว่าอิเล็กตรอนผ่านช่องไหนโดยการเข้าไปสังเกตุ อิเล็กตรอนจะทำตัวเป็นอนุภาค ผลการตกกระทบได้แทบคู่ แต่หากเราไม่สนใจว่าอิเล็กตรอนผ่านช่องไหน อิเล็กตรอนทำตัวเป็นคลื่น ผลการตกกระทบได้รูปร่างแทรกสอด แสดงว่าเงื่อนไขการเลือกสังเกตุในการทดลองนั้นมีผลต่อการประพฤติตัวของอิเล็กตรอนว่าจะเป็นคลื่นหรืออนุภาค

เราอาจสงสัยว่า หากเรานำผู้สังเกตุมาไว้ด้านหน้าช่องคู่แล้วจะเกิดอะไรขึ้น ผลที่ได้นั้นก็คือ รูปแบบของการแทรกสอดนั้นหายไปเหลือแค่แทบสองแทบดังรูป เพราะการมีผู้สังเกตุเข้าไปอยู่ในระบบนั้นทำให้อิเล็กตรอนนั้นต้องเลือกที่จะทำตัวเป็นอนุภาค (ถึงแม้จะก่อนเข้าช่องคู่ก็ตาม)

คำถามในตอนนี้นั้นคือ

การพยายามจะตอบคำถามที่ 1 นั้นถูกนำเสนอโดย จอห์น วีลเลอร์ ว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเราหน่วงการตัดสินใจของอิเล็กตรอน (Wheeler’s delayed choice experiment)ในการทดลองช่องคู่ แนวคิดทางการทดลองมีอยู่ว่าในการทดลองปกติดังข้างต้นเพื่อเลือกสังเกตุอิเล็กตรอนนั้นเราจะทำการจัดอุปกรณ์เอาไว้ก่อน จากนั้นเราค่อยทำการยิง เช่น หากเราไม่ต้องการสังเกตุว่าอิเล็กตรอนมาช่องไหนกันแน่เราก็ทำการยิงได้เลย แต่หากเราต้องการสังเกตุว่าอิเล็กตรอนมาช่องซ้ายหรือขวาก่อนยิงอิเล็กตรอนเราต้องนำคนไปว่างไว้หลังฉากก่อน จากนั้นค่อยยิง ดังนั้นเราอาจคิดได้ว่าอิเล็กตรอนนั้นเลือกแบบที่มันจะเป็นไว้แล้วหลังจากที่ออกมาจากแหล่งกำเนิดตามเงื่อนไขการสังเกตุของการทดลอง

วีลเลอร์เสนอแนวคิดว่าหากเริ่มต้น รูป a เราเลือกที่จะไม่ถามว่าอิเล็กตรอนนั้นผ่านช่องไหน แล้วก็ทำการยิงอิเล็กตรอน(ผลที่เราคาดสำหรับรูปแบบของตกกระทบบนฉากนั้นต้องเป็นแบบแทรกสอดเพราะอิเล็กตรอนต้องเลือกทำตัวเป็นคลื่น) ขณะที่อิเล็กตรอนยังเคลื่อนที่ยังไม่ถึงฉากรับ เราอาจเกิดการเปลี่ยนใจนำคนเข้าไปวางหลังช่องคู่ รูป b ปรากฏว่ารูปแบบของอิเล็กตรอนที่กระทบฉากรับนั้นเป็นแบบสองแถบหรือนั้นคืออิเล็กตรอนตัวเป็นอนุภาค

ในทางกลับกัน หากเริ่มต้นเรานำคนไปวางเพื่อสังเกตุอิเล็กตรอนก่อนที่จะเริ่มยิง รูป a (รูปแบบของการตกกระทบฉากที่คาดหวังว่าจะได้นั้นคือแทบคู่เพราะอิเล็กตรอนต้องเลือกทำตัวเป็นอนุภาค) ขณะที่อิเล็กตรอนยังไม่ถึงฉากรับ เรานำคนออก รูป b ปรากฏว่ารูปแบบของการตกกระทบที่เกิดขึ้นที่ฉากนั้นเป็นแบบแทรกสอดหรืออิเล็กตรอนทำตัวเป็นคลื่น

จากการทดลองทั้งสองแบบข้างต้นเราพบว่าอิเล็กตรอนนั้นเปลี่ยนใจได้ระหว่างทาง!! ขึ้นกับเงื่อนไขของการทดลองที่เปลี่ยนไป เราเหมือนว่าจะตอบคำถามได้แล้วว่า การเลือกสังเกตุนั้นเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมของของอิเล็กตรอน แต่นั้นก็ทำให้เกิดคำถามใหม่ขึ้นมาว่า หากอิเล็กตรอนนั้นตัดสินใจที่จะทำตัวเป็นอะไรตั้งแต่เริ่มต้นออกมาจากแหล่งกำเนิดด้วยเงื่อนไขเริ่มต้น แล้วจากนั้นเมื่อเงื่อนไขเปลี่ยนไประหว่างทาง อิเล็กตรอนเมื่อที่จะต้องส่งสัญญาณอะไรบ้างอย่างกลับไปบอกตัวมันในอดีตว่าต้องทำตัวอย่างไร (retroactive)ก็ดีแนวคิดนี้วีลเลอร์เองนั้นไม่เห็นด้วย

เพื่อให้เห็นความประหลาดในโลกของควอนตัมมากขึ้น เราขอยกตัวอย่างการทดลองอีกแบบหนึ่งของวีลเลอร์ สมมุติว่ามีโฟตอนหนึ่งตัวโดนผลิตออกมาจากแหล่งกำเนิดที่ไกลออกไปจากโลกมากๆ ดังรูป

จากนั้นโฟตอนเดินทางมุ่งหน้ามายังโลกซึ่งอาจจะผ่านกลุ่มของกาแล๊กซี่ทีมีผลทำให้เกิดเลนส์สนามโน้มถ่วง หากคนบนโลกเลือกถามว่าโฟตอนนั้นจะวิ่งผ่านกลุ่มของกาแล๊กซี่มาทางไหน บนหรือล่าง โดยเอากล้องโทรทัศไปส่องคนจะพบว่าโฟตอนอาจจะมาเส้นบนหรือล่าง แต่หากคนไม่ถามว่าโฟตอนนั้นนั้นมายังไงและเอาฉากไปรับแทนกล้องโทรทัศ สิ่งที่ได้ปรากฏว่าโฟตอนนั้นมาทั้งสองทางพร้อมๆกันเพราะเกิดรูปแบบของการแทรกสอดขึ้นที่ฉากรับ จากผลการทดลองนี้เราจะเห็นได้ว่าการเลือกที่สังเกตุของคนบนโลก ณ ปัจจุบันนั้นมีผลต่อการเลือกที่จะเป็นของโฟตอนที่เกิดมาก่อนเป็นเวลานานในอดีตมากๆ แปลกประหลาดยิ่งนัก!!