Di tengah-tengah mekanik kuantum

Richard Feynman, salah seorang ahli fizik terhebat pada abad ke-XNUMX, berhujah bahawa kunci untuk memahami mekanik kuantum ialah "percubaan celah berganda". Percubaan berkonsep mudah ini, yang dijalankan hari ini, terus menghasilkan penemuan yang menakjubkan. Mereka menunjukkan betapa tidak serasi dengan akal sehat adalah mekanik kuantum, yang akhirnya membawa kepada ciptaan paling penting dalam lima puluh tahun yang lalu.

Buat pertama kalinya dia menjalankan eksperimen dua celah. Thomas Young (1) di England pada awal abad kesembilan belas.

Percubaan Young

Eksperimen ini digunakan untuk menunjukkan bahawa cahaya adalah bersifat gelombang dan bukan bersifat korpuskular, seperti yang dinyatakan sebelum ini. Isaac Newton. Young hanya menunjukkan bahawa cahaya mematuhi campur tangan - fenomena yang merupakan ciri paling ciri (tanpa mengira jenis gelombang dan medium di mana ia merambat). Hari ini, mekanik kuantum mendamaikan kedua-dua pandangan yang bercanggah secara logik ini.

Mari kita ingat semula intipati eksperimen celah dua. Seperti biasa, saya maksudkan ombak di permukaan air yang tersebar secara sepusat di sekitar tempat batu kerikil itu dilemparkan. 

Gelombang terbentuk oleh puncak dan palung berturut-turut yang memancar dari titik gangguan, sambil mengekalkan jarak yang tetap antara puncak, yang dipanggil panjang gelombang. Penghalang boleh diletakkan di laluan gelombang, contohnya, dalam bentuk papan dengan dua slot sempit yang dipotong di mana air boleh mengalir dengan bebas. Melemparkan batu kecil ke dalam air, ombak berhenti pada partition - tetapi tidak cukup. Dua gelombang sepusat baharu (2) kini merambat ke bahagian lain partition daripada kedua-dua slot. Mereka tumpang tindih antara satu sama lain, atau, seperti yang kita katakan, mengganggu satu sama lain, mencipta corak ciri di permukaan. Di tempat-tempat di mana puncak satu gelombang bertemu dengan puncak gelombang yang lain, bonjolan air bertambah kuat, dan di mana rongga bertemu lembah, kemurungan semakin mendalam.

2. Gangguan gelombang yang muncul dari dua slot.

Dalam percubaan Young, cahaya satu warna yang dipancarkan daripada sumber titik melalui diafragma legap dengan dua celah dan mengenai skrin di belakangnya (hari ini kami lebih suka menggunakan cahaya laser dan CCD). Imej gangguan gelombang cahaya diperhatikan pada skrin dalam bentuk siri jalur cahaya dan gelap berselang-seli (3). Keputusan ini mengukuhkan kepercayaan bahawa cahaya adalah gelombang, sebelum penemuan pada awal XNUMX-an menunjukkan bahawa cahaya juga adalah gelombang. fluks foton adalah zarah cahaya yang tidak mempunyai jisim rehat. Kemudian ternyata bahawa misteri dualiti gelombang-zarahpertama kali ditemui untuk cahaya juga terpakai kepada zarah lain yang dikurniakan jisim. Ia tidak lama lagi menjadi asas untuk penerangan mekanikal kuantum baharu tentang dunia.

3. Visi percubaan Young

Zarah juga mengganggu

Pada tahun 1961, Klaus Jonsson dari Universiti Tübingen menunjukkan gangguan zarah besar - elektron menggunakan mikroskop elektron. Sepuluh tahun kemudian, tiga ahli fizik Itali dari Universiti Bologna melakukan eksperimen serupa dengan gangguan elektron tunggal (menggunakan apa yang dipanggil biprism dan bukannya celah berganda). Mereka mengurangkan keamatan pancaran elektron kepada nilai yang rendah sehingga elektron melalui biprisma satu demi satu, satu demi satu. Elektron ini didaftarkan pada skrin pendarfluor.

Pada mulanya, jejak elektron diedarkan secara rawak ke atas skrin, tetapi lama kelamaan ia membentuk imej gangguan yang berbeza bagi pinggir gangguan. Nampaknya mustahil bahawa dua elektron yang melalui celah secara berturut-turut pada masa yang berbeza boleh mengganggu antara satu sama lain. Oleh itu, kita mesti mengakuinya satu elektron mengganggu dirinya sendiri! Tetapi kemudian elektron itu perlu melalui kedua-dua celah pada masa yang sama.

Ia mungkin menggoda untuk melihat lubang yang dilalui elektron sebenarnya. Nanti kita akan lihat bagaimana untuk membuat pemerhatian sedemikian tanpa mengganggu pergerakan elektron. Ternyata jika kita mendapat maklumat tentang apa yang diterima oleh elektron, maka gangguan itu ... akan hilang! Maklumat "bagaimana" memusnahkan gangguan. Adakah ini bermakna kehadiran pemerhati sedar mempengaruhi perjalanan proses fizikal?

Sebelum bercakap tentang hasil eksperimen dua celah yang lebih mengejutkan, saya akan membuat penyimpangan kecil tentang saiz objek yang mengganggu. Gangguan kuantum objek jisim ditemui pertama untuk elektron, kemudian untuk zarah dengan jisim yang semakin meningkat: neutron, proton, atom, dan akhirnya untuk molekul kimia yang besar.

Pada tahun 2011, rekod untuk saiz objek telah dipecahkan, di mana fenomena gangguan kuantum ditunjukkan. Eksperimen itu dijalankan di Universiti Vienna oleh seorang pelajar kedoktoran pada masa itu. Sandra Eibenberger dan rakan-rakannya. Molekul organik kompleks yang mengandungi kira-kira 5 proton, 5 ribu neutron dan 5 ribu elektron telah dipilih untuk eksperimen dengan dua rehat! Dalam eksperimen yang sangat kompleks, gangguan kuantum molekul besar ini diperhatikan.

Ini mengesahkan kepercayaan bahawa Undang-undang mekanik kuantum mematuhi bukan sahaja zarah asas, tetapi juga setiap objek material. Hanya bahawa objek yang lebih kompleks, lebih banyak ia berinteraksi dengan alam sekitar, yang melanggar sifat kuantum halusnya dan memusnahkan kesan gangguan..

Jalinan kuantum dan polarisasi cahaya

Keputusan yang paling mengejutkan daripada eksperimen celah dua datang daripada menggunakan kaedah khas untuk menjejak foton, yang tidak mengganggu pergerakannya dalam apa jua cara. Kaedah ini menggunakan salah satu fenomena kuantum yang paling aneh, yang dipanggil keterikatan kuantum. Fenomena ini disedari pada tahun 30-an oleh salah seorang pencipta utama mekanik kuantum, Erwin Schrödinger.

Einstein yang ragu-ragu (lihat juga 🙂 memanggil mereka tindakan hantu dari jauh. Walau bagaimanapun, hanya setengah abad kemudian kepentingan kesan ini telah direalisasikan, dan hari ini ia telah menjadi subjek yang menarik minat ahli fizik.

Apakah kesan ini? Jika dua zarah yang rapat antara satu sama lain pada satu-satu masa berinteraksi dengan sangat kuat antara satu sama lain sehingga membentuk sejenis "hubungan kembar", maka perhubungan itu berterusan walaupun zarah-zarah itu berjarak ratusan kilometer. Kemudian zarah-zarah berkelakuan sebagai satu sistem. Ini bermakna apabila kita melakukan tindakan pada satu zarah, ia akan menjejaskan zarah lain dengan serta-merta. Walau bagaimanapun, dengan cara ini kita tidak boleh terus-menerus menghantar maklumat pada jarak yang jauh.

Foton ialah zarah tidak berjisim - bahagian asas cahaya, yang merupakan gelombang elektromagnet. Selepas melalui plat kristal yang sepadan (dipanggil polarizer), cahaya menjadi terkutub linear, i.e. vektor medan elektrik bagi gelombang elektromagnet berayun dalam satah tertentu. Sebaliknya, dengan menghantar cahaya terpolarisasi linear melalui plat dengan ketebalan tertentu dari kristal tertentu yang lain (yang dipanggil plat suku gelombang), ia boleh ditukar menjadi cahaya terkutub bulat, di mana vektor medan elektrik bergerak dalam heliks ( ikut arah jam atau lawan jam) gerakan sepanjang arah perambatan gelombang. Sehubungan itu, seseorang boleh bercakap tentang foton terpolarisasi secara linear atau bulat.

Eksperimen dengan foton terjerat

4a. Hablur BBO bukan linear menukarkan foton yang dipancarkan oleh laser argon kepada dua foton terikat dengan separuh tenaga dan polarisasi saling berserenjang. Foton ini bertaburan dalam arah yang berbeza dan direkodkan oleh pengesan D1 dan D2, disambungkan oleh pembilang kebetulan LK. Diafragma dengan dua celah diletakkan di laluan salah satu foton. Apabila kedua-dua pengesan mendaftarkan ketibaan hampir serentak kedua-dua foton, isyarat disimpan dalam memori peranti, dan pengesan D2 melangkah selari dengan celah. Bilangan foton bergantung pada kedudukan pengesan D2, yang direkodkan, ditunjukkan dalam kotak, menunjukkan maksima dan minima, menunjukkan gangguan.

Pada tahun 2001, sekumpulan ahli fizik Brazil di Belo Horizonte membuat persembahan di bawah bimbingan Stephen Walborn eksperimen luar biasa. Pengarangnya menggunakan sifat kristal khas (disingkatkan BBO), yang menukar bahagian tertentu foton yang dipancarkan oleh laser argon kepada dua foton dengan separuh tenaga. Kedua-dua foton ini terikat antara satu sama lain; apabila salah satu daripada mereka mempunyai, sebagai contoh, polarisasi mendatar, yang lain mempunyai polarisasi menegak. Foton ini bergerak dalam dua arah yang berbeza dan memainkan peranan yang berbeza dalam eksperimen yang diterangkan.

Salah satu foton yang akan kami namakan mengawal, pergi terus ke pengesan foton D1 (4a). Pengesan mendaftarkan ketibaannya dengan menghantar isyarat elektrik kepada peranti yang dipanggil kaunter pukulan. LK Satu eksperimen gangguan akan dijalankan pada foton kedua; kita akan panggil dia foton isyarat. Terdapat celah berganda di laluannya, diikuti oleh pengesan foton kedua, D2, sedikit lebih jauh dari sumber foton daripada pengesan D1. Pengesan ini boleh melompat berhubung dengan slot dwi setiap kali ia menerima isyarat yang sesuai daripada kaunter pukulan. Apabila pengesan D1 mendaftarkan foton, ia menghantar isyarat ke kaunter kebetulan. Jika dalam seketika pengesan D2 juga mendaftarkan foton dan menghantar isyarat kepada meter, maka ia akan menyedari bahawa ia berasal dari foton terjerat, dan fakta ini akan disimpan dalam ingatan peranti. Prosedur ini tidak termasuk pendaftaran foton rawak yang memasuki pengesan.

Foton terjerat kekal selama 400 saat. Selepas masa ini, pengesan D2 disesarkan sebanyak 1 mm berkenaan dengan kedudukan celah, dan pengiraan foton terjerat mengambil masa 400 saat lagi. Kemudian pengesan digerakkan semula sebanyak 1 mm dan prosedur diulang berkali-kali. Ternyata taburan bilangan foton yang direkodkan dengan cara ini bergantung pada kedudukan pengesan D2 mempunyai ciri maksima dan minima yang sepadan dengan cahaya dan gelap serta pinggiran gangguan dalam eksperimen Young (4a).

Kami mengetahui sekali lagi foton tunggal yang melalui celah berganda mengganggu antara satu sama lain.

Bagaimana begitu?

Langkah seterusnya dalam eksperimen adalah untuk menentukan lubang yang melaluinya foton tertentu tanpa mengganggu pergerakannya. Hartanah yang digunakan di sini plat gelombang suku. Plat suku gelombang diletakkan di hadapan setiap celah, satu daripadanya menukar polarisasi linear foton kejadian kepada bulat mengikut arah jam, dan satu lagi kepada polarisasi bulat sebelah kiri (4b). Ia telah disahkan bahawa jenis polarisasi foton tidak menjejaskan bilangan foton yang dikira. Sekarang, dengan menentukan putaran polarisasi foton selepas ia melalui celah, adalah mungkin untuk menunjukkan melalui mana foton itu telah berlalu. Mengetahui "ke arah mana" memusnahkan gangguan.

4b. Dengan meletakkan plat suku gelombang (segi empat tepat berlorek) di hadapan celah, maklumat "arah mana" boleh diperoleh dan imej gangguan akan hilang.

4c. Meletakkan polarizer P berorientasikan yang sesuai di hadapan pengesan D1 memadam maklumat "ke arah mana" dan memulihkan gangguan.

Malah, selepas penempatan yang betul bagi plat suku gelombang di hadapan celah, pengedaran kiraan yang diperhatikan sebelum ini, menunjukkan gangguan, hilang. Perkara yang paling aneh ialah ini berlaku tanpa penyertaan pemerhati sedar yang boleh membuat ukuran yang sesuai! Peletakan plat suku gelombang semata-mata menghasilkan kesan pembatalan gangguan.. Jadi bagaimana foton tahu bahawa selepas memasukkan plat, kita boleh menentukan jurang yang dilaluinya?

Walau bagaimanapun, ini bukan penamat keanehan. Kini kita boleh memulihkan gangguan foton isyarat tanpa menjejaskannya secara langsung. Untuk melakukan ini, di laluan pengesan capaian foton kawalan D1, letakkan polarizer sedemikian rupa sehingga ia menghantar cahaya dengan polarisasi yang merupakan gabungan polarisasi kedua-dua foton terjerat (4c). Ini dengan serta-merta mengubah kekutuban foton isyarat dengan sewajarnya. Kini tidak mungkin lagi untuk menentukan dengan pasti apakah polarisasi kejadian foton pada celah, dan melalui celah foton itu berlalu. Dalam kes ini, gangguan dipulihkan!

Padamkan maklumat pemilihan yang tertunda

Eksperimen yang diterangkan di atas telah dijalankan sedemikian rupa sehingga foton kawalan didaftarkan oleh pengesan D1 sebelum foton isyarat mencapai pengesan D2. Pemadaman maklumat "cara mana" dilakukan dengan menukar polarisasi foton kawalan sebelum foton isyarat mencapai pengesan D2. Kemudian seseorang boleh membayangkan bahawa foton yang mengawal telah memberitahu "kembarnya" apa yang perlu dilakukan seterusnya: untuk campur tangan atau tidak.

Kini kami mengubah suai eksperimen sedemikian rupa sehingga foton kawalan mencecah pengesan D1 selepas foton isyarat didaftarkan di pengesan D2. Untuk melakukan ini, alihkan pengesan D1 dari sumber foton. Corak gangguan kelihatan sama seperti sebelumnya. Sekarang mari letakkan plat suku gelombang di hadapan celah untuk menentukan laluan mana foton telah diambil. Corak gangguan hilang. Seterusnya, mari padamkan maklumat "arah mana" dengan meletakkan polarizer berorientasikan yang sesuai di hadapan pengesan D1. Corak gangguan muncul lagi! Namun pemadaman dilakukan selepas foton isyarat telah didaftarkan oleh pengesan D2. Bagaimana ini boleh berlaku? Foton perlu sedar tentang perubahan kekutuban sebelum sebarang maklumat mengenainya boleh mencapainya.

5. Eksperimen dengan pancaran laser.

Urutan kejadian semula jadi diterbalikkan di sini; kesan mendahului sebab! Keputusan ini melemahkan prinsip kausalitas dalam realiti di sekeliling kita. Atau mungkin masa tidak penting dalam hal zarah terjerat? Keterikatan kuantum melanggar prinsip lokaliti dalam fizik klasik, mengikut mana objek hanya boleh dipengaruhi oleh persekitaran terdekatnya.

Sejak percubaan Brazil, banyak eksperimen serupa telah dijalankan, yang mengesahkan sepenuhnya keputusan yang dibentangkan di sini. Pada akhirnya, pembaca ingin menjelaskan dengan jelas misteri fenomena yang tidak dijangka ini. Malangnya, ini tidak boleh dilakukan. Logik mekanik kuantum berbeza dengan logik dunia yang kita lihat setiap hari. Kita mesti dengan rendah hati menerima ini dan bergembira dengan fakta bahawa undang-undang mekanik kuantum dengan tepat menerangkan fenomena yang berlaku dalam mikrokosmos, yang berguna digunakan dalam peranti teknikal yang lebih maju.