V središču kvantne mehanike

Richard Feynman, eden največjih fizikov XNUMX. stoletja, je trdil, da je ključ do razumevanja kvantne mehanike "eksperiment z dvojno režo". Ta konceptualno preprost eksperiment, izveden danes, še naprej prinaša neverjetna odkritja. Pokažejo, kako nezdružljiva z zdravo pametjo je kvantna mehanika, ki je na koncu pripeljala do najpomembnejših izumov v zadnjih petdesetih letih.

Prvič je izvedel poskus z dvojno režo. Thomas Young (1) v Angliji v začetku devetnajstega stoletja.

Youngov eksperiment

Eksperiment je bil uporabljen, da se pokaže, da je svetloba valovne narave in ne korpuskularne narave, kot je bilo prej navedeno. Isaac Newton. Young je pravkar pokazal, da svetloba uboga intervencija - pojav, ki je najbolj značilen (ne glede na vrsto valovanja in medij, v katerem se širi). Danes kvantna mehanika usklajuje ta dva logično nasprotujoča si pogleda.

Spomnimo se bistva eksperimenta z dvojno režo. Kot običajno mislim na val na površini vode, ki se koncentrično širi okoli mesta, kamor je bil vržen kamenček. 

Val tvorijo zaporedni grebeni in korita, ki sevajo iz točke motnje, pri čemer se ohranja konstantna razdalja med grebeni, ki se imenuje valovna dolžina. Na poti vala je mogoče postaviti pregrado, na primer v obliki plošče z dvema ozkima režama, skozi katere lahko voda prosto teče. Ko vržete kamenček v vodo, se val ustavi na pregradi - vendar ne čisto. Dva nova koncentrična vala (2) se zdaj širita na drugo stran particije iz obeh rež. Prekrivajo se drug na drugega ali, kot pravimo, posegajo drug v drugega in na površini ustvarijo značilen vzorec. Na mestih, kjer se greben enega vala sreča z grebenom drugega, se vodna izboklina okrepi, kjer se kotanja sreča z dolino, pa se depresija poglobi.

2. Interferenca valov, ki izhajajo iz dveh rež.

V Youngovem eksperimentu enobarvna svetloba, ki jo oddaja točkovni vir, prehaja skozi neprozorno diafragmo z dvema režama in zadene zaslon za njima (danes bi raje uporabljali lasersko svetlobo in CCD). Na zaslonu opazimo interferenčno sliko svetlobnega vala v obliki niza izmeničnih svetlih in temnih črt (3). Ta rezultat je okrepil prepričanje, da je svetloba val, preden so odkritja v zgodnjih XNUMX-ih pokazala, da je svetloba tudi val. fotonski tok so lahki delci, ki nimajo mase mirovanja. Pozneje se je izkazalo, da je skrivnosten dualnost valov-delecprvič odkrito za svetlobo, velja tudi za druge delce, obdarjene z maso. Kmalu je postal osnova za nov kvantno mehanski opis sveta.

3. Vizija Youngovega eksperimenta

Motijo ​​se tudi delci

Leta 1961 je Klaus Jonsson z Univerze v Tübingenu z elektronskim mikroskopom pokazal interferenco masivnih delcev – elektronov. Deset let pozneje so trije italijanski fiziki z univerze v Bologni izvedli podoben poskus z interferenca enega elektrona (z uporabo tako imenovane biprizme namesto dvojne reže). Zmanjšali so jakost elektronskega žarka na tako nizko vrednost, da so elektroni prehajali skozi biprizmo drug za drugim, drug za drugim. Ti elektroni so bili registrirani na fluorescentnem zaslonu.

Sprva so bile sledi elektronov naključno razporejene po zaslonu, vendar so sčasoma oblikovale izrazito interferenčno sliko interferenčnih robov. Zdi se nemogoče, da bi dva elektrona, ki gresta skozi reže zaporedoma v različnih časih, interferirala drug z drugim. Zato si moramo to priznati en elektron posega vase! Toda takrat bi moral elektron iti skozi obe reži hkrati.

Morda je mamljivo pogledati luknjo, skozi katero je dejansko šel elektron. Kasneje bomo videli, kako narediti takšno opazovanje, ne da bi motili gibanje elektrona. Izkazalo se je, da če dobimo informacije o tem, kaj je elektron prejel, bo motnja ... izginila! Informacije »kako« uničijo motnje. Ali to pomeni, da prisotnost zavestnega opazovalca vpliva na potek fizičnega procesa?

Preden spregovorim o še bolj presenetljivih rezultatih eksperimentov z dvojno režo, bom naredil majhen odmik o velikostih motečih predmetov. Kvantno interferenco masnih objektov so odkrili najprej za elektrone, nato za delce z naraščajočo maso: nevtrone, protone, atome in končno za velike kemične molekule.

Leta 2011 je bil podrt rekord velikosti predmeta, na katerem je bil prikazan pojav kvantne interference. Poskus je na dunajski univerzi izvedel takratni doktorski študent. Sandra Eibenberger in njeni sodelavci. Za poskus z dvema prelomoma je bila izbrana kompleksna organska molekula, ki vsebuje približno 5 protonov, 5 tisoč nevtronov in 5 tisoč elektronov! V zelo zapletenem poskusu so opazili kvantno interferenco te ogromne molekule.

To je potrdilo prepričanje, da Zakoni kvantne mehanike ne upoštevajo le elementarnih delcev, ampak tudi vsakega materialnega predmeta. Le da bolj kompleksen je objekt, bolj je v interakciji z okoljem, kar krši njegove subtilne kvantne lastnosti in uničuje interferenčne učinke..

Kvantna prepletenost in polarizacija svetlobe

Najbolj presenetljivi rezultati poskusov z dvojno režo so prišli z uporabo posebne metode sledenja fotonu, ki na noben način ni motil njegovega gibanja. Ta metoda uporablja enega najbolj nenavadnih kvantnih pojavov, t.i kvantna zapletenost. Ta pojav je že v 30. letih prejšnjega stoletja opazil eden glavnih ustvarjalcev kvantne mehanike, Erwin Schrödinger.

Skeptični Einstein (glej tudi 🙂 jih je imenoval duhovno delovanje na daljavo. Vendar se je šele pol stoletja pozneje spoznal pomen tega učinka, danes pa je postal predmet posebnega zanimanja fizikov.

Za kaj je ta učinek? Če dva delca, ki sta v nekem trenutku blizu drug drugemu, tako močno medsebojno vplivata, da tvorita nekakšen "odnos dvojčkov", potem razmerje vztraja tudi, ko sta delca oddaljena več sto kilometrov. Nato se delci obnašajo kot en sam sistem. To pomeni, da ko izvedemo dejanje na enem delcu, to takoj vpliva na drug delec. Vendar na ta način ne moremo brezčasno prenašati informacij na daljavo.

Foton je delec brez mase - elementarni del svetlobe, ki je elektromagnetno valovanje. Po prehodu skozi ploščo ustreznega kristala (imenovanega polarizator) postane svetloba linearno polarizirana, t.j. vektor električnega polja elektromagnetnega valovanja niha v določeni ravnini. Po drugi strani pa se lahko s prehodom linearno polarizirane svetlobe skozi ploščo določene debeline iz drugega določenega kristala (tako imenovana četrtvalovna plošča) pretvori v krožno polarizirano svetlobo, v kateri se vektor električnega polja giblje v spiralni ( v smeri urinega kazalca ali v nasprotni smeri urinega kazalca) gibanje vzdolž smeri širjenja valov. V skladu s tem lahko govorimo o linearno ali krožno polariziranih fotonih.

Eksperimenti z zapletenimi fotoni

4a. Nelinearni BBO kristal pretvori foton, ki ga oddaja argonski laser, v dva zapletena fotona s polovico manj energije in medsebojno pravokotno polarizacijo. Ti fotoni se razpršijo v različne smeri in jih registrirata detektorja D1 in D2, povezana s števcem naključij LK.Na pot enemu od fotonov je postavljena diafragma z dvema režama. Ko oba detektorja registrirata skoraj sočasen prihod obeh fotonov, se signal shrani v pomnilnik naprave, detektor D2 pa stopi vzporedno z režami. Število fotonov, odvisno od položaja tako posnetega detektorja D2, je prikazano v polju, ki prikazuje maksimume in minimume, kar kaže na interferenco.

Leta 2001 je skupina brazilskih fizikov v Belo Horizonteju nastopila pod vodstvom Stephen Walborn nenavaden eksperiment. Njegovi avtorji so uporabili lastnosti posebnega kristala (skrajšano BBO), ki pretvori določen del fotonov, ki jih seva argonski laser, v dva fotona s polovično energijo. Ta dva fotona sta zapletena drug z drugim; kadar ima eden od njih na primer vodoravno polarizacijo, ima drugi navpično polarizacijo. Ti fotoni se gibljejo v dve različni smeri in igrajo različne vloge v opisanem poskusu.

Eden od fotonov, ki jih bomo poimenovali nadzor, gre neposredno do fotonskega detektorja D1 (4a). Detektor zazna svoj prihod tako, da pošlje električni signal napravi, imenovani števec zadetkov. LK Na drugem fotonu bo izveden interferenčni poskus; ga bomo poklicali signalni foton. Na njeni poti je dvojna reža, ki ji sledi drugi fotonski detektor, D2, nekoliko dlje od vira fotonov kot detektor D1. Ta detektor lahko skoči okoli dvojne reže vsakič, ko prejme ustrezen signal iz števca zadetkov. Ko detektor D1 registrira foton, pošlje signal števcu naključij. Če v trenutku detektor D2 tudi registrira foton in pošlje signal merilniku, bo prepoznal, da prihaja iz zapletenih fotonov, in to dejstvo bo shranjeno v pomnilniku naprave. Ta postopek izključuje registracijo naključnih fotonov, ki vstopajo v detektor.

Zapleteni fotoni vztrajajo 400 sekund. Po tem času se detektor D2 premakne za 1 mm glede na položaj rež, štetje zapletenih fotonov pa traja še 400 sekund. Nato se detektor ponovno premakne za 1 mm in postopek se večkrat ponovi. Izkazalo se je, da ima porazdelitev števila fotonov, posnetih na ta način, odvisno od položaja detektorja D2, značilne maksimume in minimume, ki ustrezajo svetlobi in temi ter interferenčnim robom v Youngovem poskusu (4a).

To spet ugotovimo posamezni fotoni, ki prehajajo skozi dvojno režo, interferirajo drug z drugim.

Kako to?

Naslednji korak v poskusu je bil določiti luknjo, skozi katero je šel določen foton, ne da bi motil njegovo gibanje. Tukaj uporabljene lastnosti četrtvalovna plošča. Pred vsako režo je bila postavljena četrtvalovna plošča, od katerih je ena spremenila linearno polarizacijo vpadnega fotona v krožno v smeri urinega kazalca, druga pa v levo krožno polarizacijo (4b). Preverjeno je bilo, da vrsta polarizacije fotonov ni vplivala na število preštetih fotonov. Zdaj je z določitvijo rotacije polarizacije fotona po tem, ko je šel skozi reže, mogoče navesti, skozi katero od njih je foton šel. Vedeti "v katero smer" uniči motnje.

4b. S postavitvijo četrtvalovnih plošč (zasenčenih pravokotnikov) pred reže lahko dobimo informacijo "katero stran" in interferenčna slika bo izginila.

4c. Postavitev ustrezno usmerjenega polarizatorja P pred detektor D1 izbriše informacijo "katere poti" in obnovi interferenco.

Pravzaprav po pravilni postavitvi četrtvalovnih plošč pred reže izgine prej opažena porazdelitev štetja, ki kaže na interferenco. Najbolj nenavadno je, da se to zgodi brez sodelovanja zavestnega opazovalca, ki lahko opravi ustrezne meritve! Že samo namestitev četrtvalovnih plošč povzroči učinek odpravljanja motenj.. Kako torej foton ve, da lahko po vstavitvi plošč določimo vrzel, skozi katero je šel?

Vendar to še ni konec čudnosti. Zdaj lahko obnovimo motnje signalnih fotonov, ne da bi to neposredno vplivali. Da bi to naredili, na pot krmilnega fotona, ki doseže detektor D1, postavimo polarizator tako, da oddaja svetlobo s polarizacijo, ki je kombinacija polarizacije obeh zapletenih fotonov (4c). To takoj ustrezno spremeni polarnost signalnega fotona. Zdaj ni več mogoče z gotovostjo določiti, kakšna je polarizacija fotona, ki vpade na reže, in skozi katero režo je foton šel. V tem primeru se interferenca obnovi!

Izbriši informacije o zapozneli izbiri

Zgoraj opisani poskusi so bili izvedeni tako, da je kontrolni foton registriral detektor D1, preden je signalni foton dosegel detektor D2. Brisanje informacije "katere poti" je bilo izvedeno s spremembo polarizacije kontrolnega fotona, preden je signalni foton dosegel detektor D2. Potem si lahko predstavljamo, da je nadzorni foton svojemu "dvojčku" že povedal, kaj naj naredi naprej: naj posreduje ali ne.

Zdaj eksperiment modificiramo tako, da kontrolni foton zadene detektor D1, potem ko je signalni foton registriran na detektorju D2. Če želite to narediti, premaknite detektor D1 stran od vira fotonov. Interferenčni vzorec je videti enak kot prej. Zdaj pa postavimo četrtvalovne plošče pred reže, da ugotovimo, katero pot je ubral foton. Interferenčni vzorec izgine. Nato izbrišemo informacijo "katere poti" tako, da pred detektor D1 postavimo ustrezno usmerjen polarizator. Spet se pojavi interferenčni vzorec! Vendar je bil izbris opravljen po tem, ko je detektor D2 registriral signalni foton. Kako je to mogoče? Foton se je moral zavedati spremembe polarnosti, preden so do njega lahko prišle kakršne koli informacije o njem.

5. Eksperimenti z laserskim žarkom.

Naravno zaporedje dogodkov je tukaj obrnjeno; učinek je pred vzrokom! Ta rezultat spodkopava načelo vzročnosti v realnosti okoli nas. Ali pa morda čas ni pomemben, ko gre za zapletene delce? Kvantna prepletenost krši načelo lokalnosti v klasični fiziki, po katerem lahko na objekt vpliva le njegovo neposredno okolje.

Od brazilskega eksperimenta je bilo izvedenih veliko podobnih poskusov, ki v celoti potrjujejo tukaj predstavljene rezultate. Na koncu bi bralec rad jasno razložil skrivnost teh nepričakovanih pojavov. Žal tega ni mogoče storiti. Logika kvantne mehanike je drugačna od logike sveta, ki ga vidimo vsak dan. To moramo ponižno sprejeti in se veseliti dejstva, da zakoni kvantne mehanike natančno opisujejo pojave, ki se pojavljajo v mikrokozmosu, ki se uporabno uporabljajo v vedno naprednejših tehničnih napravah.