Kvantu mehānikas centrā

Ričards Feinmens, viens no XNUMX. gadsimta izcilākajiem fiziķiem, apgalvoja, ka kvantu mehānikas izpratnes atslēga ir "dubultspraugas eksperiments". Šis konceptuāli vienkāršais eksperiments, kas tiek veikts šodien, turpina dot pārsteidzošus atklājumus. Tie parāda, cik nesavienojama ar veselo saprātu ir kvantu mehānika, kas galu galā noveda pie svarīgākajiem izgudrojumiem pēdējo piecdesmit gadu laikā.

Pirmo reizi viņš veica eksperimentu ar dubulto spraugu. Tomass Jangs (1) Anglijā deviņpadsmitā gadsimta sākumā.

Janga eksperiments

Eksperiments tika izmantots, lai parādītu, ka gaisma ir viļņveida, nevis korpuskulāra, kā minēts iepriekš. Isaac Newton. Jangs vienkārši demonstrēja, ka gaisma paklausa iejaukšanās - parādība, kas ir raksturīgākā pazīme (neatkarīgi no viļņa veida un vides, kurā tas izplatās). Mūsdienās kvantu mehānika saskaņo šos divus loģiski pretrunīgos uzskatus.

Atcerēsimies eksperimenta ar dubulto spraugu būtību. Kā parasti, es domāju vilni uz ūdens virsmas, kas koncentriski izplatās ap vietu, kur tika izmests oļi. 

Vilni veido secīgi virsotnes un ieplakas, kas izstaro no traucējuma punkta, vienlaikus saglabājot nemainīgu attālumu starp virsotnēm, ko sauc par viļņa garumu. Viļņa ceļā var novietot barjeru, piemēram, dēļa formā ar divām šaurām spraugām, caur kurām var brīvi plūst ūdens. Iemetot ūdenī akmeni, vilnis apstājas uz starpsienas – bet ne gluži. Divi jauni koncentriski viļņi (2) tagad izplatās uz nodalījuma otru pusi no abiem slotiem. Tie ir uzlikti viens otram vai, kā mēs sakām, traucē viens otram, veidojot raksturīgu rakstu uz virsmas. Vietās, kur viena viļņa virsotne sastopas ar cita viļņa virsotni, ūdens izspiedums pastiprinās, un tur, kur ieplaka satiekas ar ieleju, ieplaka padziļinās.

2. No diviem spraugām izplūstošo viļņu traucējumi.

Younga eksperimentā no punktveida avota izstarotā vienkrāsaina gaisma iziet cauri necaurspīdīgai diafragmai ar diviem spraugām un aiz tām nonāk ekrānā (šodien mēs gribētu izmantot lāzera gaismu un CCD). Ekrānā tiek novērots gaismas viļņa interferences attēls mainīgu gaišu un tumšu svītru veidā (3). Šis rezultāts pastiprināja pārliecību, ka gaisma ir vilnis, pirms atklājumi XNUMX. gadu sākumā parādīja, ka gaisma ir arī vilnis. fotonu plūsma ir vieglas daļiņas, kurām nav miera masas. Vēlāk izrādījās, ka noslēpumainais viļņu-daļiņu dualitātepirmo reizi atklāts gaismai attiecas arī uz citām ar masu apveltītām daļiņām. Tas drīz kļuva par pamatu jaunam kvantu mehāniskajam pasaules aprakstam.

3. Janga eksperimenta vīzija

Arī daļiņas traucē

1961. gadā Klauss Jonsons no Tībingenes universitātes demonstrēja masīvu daļiņu - elektronu interferenci, izmantojot elektronu mikroskopu. Desmit gadus vēlāk trīs itāļu fiziķi no Boloņas universitātes veica līdzīgu eksperimentu ar viena elektrona traucējumi (izmantojot tā saukto biprismu, nevis dubulto spraugu). Viņi samazināja elektronu stara intensitāti līdz tik zemai vērtībai, ka elektroni viens pēc otra gāja cauri biprismai, viens pēc otra. Šie elektroni tika reģistrēti fluorescējošā ekrānā.

Sākotnēji elektronu takas tika nejauši sadalītas pa ekrānu, bet laika gaitā tās veidoja atšķirīgu traucējumu attēlu no traucējumiem. Šķiet neiespējami, ka divi elektroni, kas secīgi iet cauri spraugām dažādos laikos, varētu traucēt viens otru. Tāpēc mums tas ir jāatzīst viens elektrons traucē pats sevi! Bet tad elektronam vienlaikus būtu jāiziet cauri abiem spraugām.

Var būt vilinoši aplūkot caurumu, caur kuru elektrons faktiski izgāja. Vēlāk mēs redzēsim, kā veikt šādu novērojumu, netraucējot elektrona kustību. Izrādās, ja mēs iegūsim informāciju par to, ko elektrons ir saņēmis, tad traucējumi ... pazudīs! “Kā” informācija iznīcina traucējumus. Vai tas nozīmē, ka apzināta novērotāja klātbūtne ietekmē fiziskā procesa gaitu?

Pirms runāt par vēl pārsteidzošākiem dubultspraugas eksperimentu rezultātiem, es izdarīšu nelielu atkāpi par traucējošo objektu izmēriem. Masas objektu kvantu traucējumi vispirms tika atklāti elektroniem, pēc tam daļiņām ar pieaugošu masu: neitroniem, protoniem, atomiem un visbeidzot lielām ķīmiskām molekulām.

2011. gadā tika pārspēts objekta izmēra rekords, uz kura tika demonstrēta kvantu traucējumu parādība. Eksperimentu Vīnes Universitātē veica tā laika doktorants. Sandra Eibenbergere un viņas domubiedri. Eksperimentam ar diviem pārtraukumiem tika izvēlēta sarežģīta organiska molekula, kas satur apmēram 5 protonus, 5 tūkstošus neitronu un 5 tūkstošus elektronu! Ļoti sarežģītā eksperimentā tika novērota šīs milzīgās molekulas kvantu iejaukšanās.

Tas apstiprināja pārliecību, ka Kvantu mehānikas likumi pakļaujas ne tikai elementārdaļiņām, bet arī ikvienam materiālam objektam. Tikai jo sarežģītāks objekts, jo vairāk tas mijiedarbojas ar vidi, kas pārkāpj tā smalkās kvantu īpašības un iznīcina traucējumu efektus..

Gaismas kvantu sapīšanās un polarizācija

Pārsteidzošākie dubultspraugas eksperimentu rezultāti tika iegūti, izmantojot īpašu fotona izsekošanas metodi, kas nekādā veidā netraucēja tā kustību. Šī metode izmanto vienu no dīvainākajām kvantu parādībām, tā saukto kvantu sapīšanās. Šo fenomenu jau 30. gados pamanīja viens no galvenajiem kvantu mehānikas radītājiem, Ervins Šrēdingers.

Skeptiskais Einšteins (skat. arī 🙂 tos sauca par spokainu darbību no attāluma. Taču tikai pusgadsimtu vēlāk šī efekta nozīme tika apzināta, un šodien tas ir kļuvis par īpašu fiziķu intereses objektu.

Par ko ir šis efekts? Ja divas daļiņas, kas kādā brīdī atrodas tuvu viena otrai, tik spēcīgi mijiedarbojas viena ar otru, ka veido sava veida "dvīņu attiecības", tad attiecības saglabājas arī tad, ja daļiņas atrodas simtiem kilometru attālumā viena no otras. Tad daļiņas darbojas kā vienota sistēma. Tas nozīmē, ka, veicot darbību ar vienu daļiņu, tā nekavējoties ietekmē citu daļiņu. Tomēr šādā veidā mēs nevaram mūžīgi pārraidīt informāciju no attāluma.

Fotons ir bezmasas daļiņa - gaismas elementāra daļa, kas ir elektromagnētiskais vilnis. Izejot cauri attiecīgā kristāla plāksnei (ko sauc par polarizatoru), gaisma kļūst lineāri polarizēta, t.i. elektromagnētiskā viļņa elektriskā lauka vektors svārstās noteiktā plaknē. Savukārt, izlaižot lineāri polarizētu gaismu caur noteikta biezuma plāksni no cita konkrēta kristāla (tā sauktā ceturkšņa viļņa plāksne), to var pārvērst cirkulāri polarizētā gaismā, kurā elektriskā lauka vektors pārvietojas spirālveida ( pulksteņrādītāja virzienā vai pretēji pulksteņrādītāja virzienam) kustība viļņu izplatīšanās virzienā. Attiecīgi var runāt par lineāri vai cirkulāri polarizētiem fotoniem.

Eksperimenti ar sapinušies fotoniem

4a. Nelineārs BBO kristāls pārvērš argona lāzera izstaroto fotonu divos sapinušos fotonos ar pusi mazāku enerģiju un savstarpēji perpendikulāru polarizāciju. Šie fotoni izkliedējas dažādos virzienos un tiek fiksēti ar detektoriem D1 un D2, kas savienoti ar sakritības skaitītāju LK. Viena fotona ceļā tiek novietota diafragma ar diviem spraugām. Kad abi detektori reģistrē gandrīz vienlaicīgu abu fotonu ierašanos, signāls tiek saglabāts ierīces atmiņā, un detektors D2 soļo paralēli spraugām. Fotonu skaits atkarībā no detektora D2 stāvokļa, tādējādi reģistrēts, ir parādīts lodziņā, parādot maksimumus un minimumus, kas norāda uz traucējumiem.

2001. gadā Brazīlijas fiziķu grupa Belo Horizontē uzstājās vadībā Stīvens Volborns neparasts eksperiments. Tās autori izmantoja īpaša kristāla (saīsināti kā BBO) īpašības, kas noteiktu daļu no argona lāzera izstarotajiem fotoniem pārvērš divos fotonos ar uz pusi mazāku enerģiju. Šie divi fotoni ir sapinušies viens ar otru; kad vienam no tiem ir, piemēram, horizontālā polarizācija, otram ir vertikāla polarizācija. Šie fotoni pārvietojas divos dažādos virzienos un spēlē dažādas lomas aprakstītajā eksperimentā.

Viens no fotoniem, ko mēs nosauksim kontroli, dodas tieši uz fotonu detektoru D1 (4a). Detektors reģistrē savu ierašanos, nosūtot elektrisku signālu uz ierīci, ko sauc par trāpījumu skaitītāju. LK Interferences eksperiments tiks veikts ar otro fotonu; mēs viņam piezvanīsim signāla fotons. Tā ceļā ir dubulta sprauga, kam seko otrs fotonu detektors D2, kas atrodas nedaudz tālāk no fotona avota nekā detektors D1. Šis detektors var aplēkt ap dubulto slotu katru reizi, kad tas saņem atbilstošu signālu no trāpījumu skaitītāja. Kad detektors D1 reģistrē fotonu, tas nosūta signālu uz sakritības skaitītāju. Ja pēc brīža detektors D2 arī reģistrē fotonu un nosūta signālu uz skaitītāju, tad tas atpazīs, ka tas nāk no sapinušies fotoniem, un šis fakts tiks saglabāts ierīces atmiņā. Šī procedūra izslēdz nejaušu fotonu reģistrēšanu, kas nonāk detektorā.

Sapinušies fotoni saglabājas 400 sekundes. Pēc šī laika D2 detektors tiek pārvietots par 1 mm attiecībā pret spraugu stāvokli, un sapinušos fotonu skaitīšana aizņem vēl 400 sekundes. Pēc tam detektoru atkal pabīda par 1 mm un procedūru atkārto vairākas reizes. Izrādās, ka šādi reģistrēto fotonu skaita sadalījumam atkarībā no detektora D2 stāvokļa ir raksturīgi maksimumi un minimumi, kas atbilst gaismas un tumsas un interferences robežām Janga eksperimentā (4a).

Mēs to atkal uzzinām atsevišķi fotoni, kas iet caur dubulto spraugu, traucē viens otru.

Kā tā?

Nākamais eksperimenta solis bija noteikt caurumu, caur kuru konkrētais fotons izgāja, netraucējot tā kustību. Šeit izmantotie rekvizīti ceturkšņa viļņu plāksne. Katras spraugas priekšā tika novietota ceturtdaļas viļņu plāksne, no kurām viena mainīja krītošā fotona lineāro polarizāciju uz apļveida pulksteņrādītāja virzienā, bet otra - uz kreiso apļveida polarizāciju (4b). Tika pārbaudīts, ka fotonu polarizācijas veids neietekmēja saskaitīto fotonu skaitu. Tagad, nosakot fotona polarizācijas rotāciju pēc tam, kad tas ir izgājis caur spraugām, var norādīt, caur kuru no tiem fotons ir izgājis. Zinot "kurā virzienā", traucējumi tiek iznīcināti.

4b. Novietojot spraugām priekšā ceturtdaļviļņu plāksnes (ēnotos taisnstūrus), var iegūt informāciju "uz kuru pusi" un traucējumu attēls pazudīs.

4c. Atbilstoši orientēta polarizatora P novietošana detektora D1 priekšā izdzēš "kurā virzienā" informāciju un atjauno traucējumus.

Patiesībā pēc pareizas ceturkšņa viļņu plākšņu novietošanas spraugām priekšā pazūd iepriekš novērotais skaitīšanas sadalījums, kas liecina par traucējumiem. Dīvainākais ir tas, ka tas notiek bez apzināta novērotāja līdzdalības, kas var veikt atbilstošus mērījumus! Jau ceturkšņa viļņu plākšņu izvietošana rada traucējumu atcelšanas efektu.. Tātad, kā fotons zina, ka pēc plākšņu ievietošanas mēs varam noteikt spraugu, caur kuru tas izgāja?

Tomēr ar to dīvainības nebeidzas. Tagad mēs varam atjaunot signāla fotonu traucējumus, tos tieši neietekmējot. Lai to izdarītu, vadības fotona ceļā, kas sasniedz detektoru D1, novietojiet polarizatoru tā, lai tas pārraidītu gaismu ar polarizāciju, kas ir abu sapinušo fotonu (4c) polarizāciju kombinācija. Tas nekavējoties attiecīgi maina signāla fotona polaritāti. Tagad vairs nav iespējams droši noteikt, kāda ir fotona polarizācija, kas iekrīt spraugās, un caur kuru spraugu fotons izgāja. Šajā gadījumā traucējumi tiek atjaunoti!

Dzēst aizkavētās atlases informāciju

Iepriekš aprakstītie eksperimenti tika veikti tā, ka kontroles fotonu reģistrēja detektors D1, pirms signāla fotons sasniedza detektoru D2. Informācijas "kurš ceļš" dzēšana tika veikta, mainot kontroles fotona polarizāciju, pirms signāla fotons sasniedza detektoru D2. Tad var iedomāties, ka kontrolējošais fotons jau ir pateicis savam "dvīnim", ko darīt tālāk: iejaukties vai nē.

Tagad mēs modificējam eksperimentu tā, lai kontroles fotons nonāktu detektorā D1 pēc tam, kad signāla fotons ir reģistrēts detektorā D2. Lai to izdarītu, pārvietojiet detektoru D1 prom no fotonu avota. Interferences modelis izskatās tāds pats kā iepriekš. Tagad spraugām priekšā novietosim ceturtdaļviļņu plāksnes, lai noteiktu, kuru ceļu ir gājis fotons. Interferences modelis pazūd. Pēc tam izdzēsīsim informāciju "uz kuru pusi", novietojot atbilstoši orientētu polarizatoru detektora D1 priekšā. Interferences modelis atkal parādās! Tomēr dzēšana tika veikta pēc tam, kad signāla fotonu bija reģistrējis detektors D2. Kā tas ir iespējams? Fotonam bija jāapzinās polaritātes izmaiņas, pirms to varēja sasniegt jebkāda informācija par to.

5. Eksperimenti ar lāzera staru.

Dabiskā notikumu secība šeit ir pretēja; sekas ir pirms cēloņa! Šis rezultāts grauj cēloņsakarības principu apkārtējā realitātē. Vai varbūt laikam nav nozīmes, kad runa ir par sapinušajām daļiņām? Kvantu sapīšanās pārkāpj lokalizācijas principu klasiskajā fizikā, saskaņā ar kuru objektu var ietekmēt tikai tā tuvākā vide.

Kopš Brazīlijas eksperimenta ir veikti daudzi līdzīgi eksperimenti, kas pilnībā apstiprina šeit sniegtos rezultātus. Noslēgumā lasītājs vēlas skaidri izskaidrot šo negaidīto parādību noslēpumu. Diemžēl to nevar izdarīt. Kvantu mehānikas loģika atšķiras no pasaules loģikas, ko mēs redzam katru dienu. Mums tas pazemīgi jāpieņem un jāpriecājas par to, ka kvantu mehānikas likumi precīzi apraksta mikrokosmosā notiekošās parādības, kuras lietderīgi izmanto arvien progresīvākās tehniskajās ierīcēs.