У аснове квантавай механікі

Рычард Фейнман, адзін з найвялікшых фізікаў XNUMX стагоддзя, сцвярджаў, што ключом да разумення квантавай механікі з'яўляецца "эксперымент з двума шчылінамі". Гэты канцэптуальна просты эксперымент, які праводзіцца сёння, працягвае прыносіць дзіўныя адкрыцці. Яны паказваюць, наколькі несумяшчальная са здаровым сэнсам квантавая механіка, якая, у выніку, прывяла да найважнейшых вынаходстваў апошніх пяцідзесяці гадоў.

Упершыню правёў двухшчылінны эксперымент. Томас Янг (1) у Англіі ў пачатку дзевятнаццатага стагоддзя.

эксперыментаваць з Ян

Эксперымент быў скарыстаны, каб паказаць, што святло мае хвалевую прыроду, а не карпускулярную, як сцвярджалася раней. Язэп Ньютон. Янг проста прадэманстраваў, што святло падпарадкоўваецца ўмяшанне - з'ява, якое з'яўляецца найбольш характэрнай прыкметай (незалежна ад тыпу хвалі і асяроддзя, у якой яна распаўсюджваецца). Сёння квантавая механіка прымірае абодва гэтыя лагічна супярэчлівыя погляды.

Нагадаем сутнасць двухшчыліннага эксперыменту. Як звычайна, я маю на ўвазе хвалю на паверхні вады, якая распаўсюджваецца канцэнтрычна вакол месца, куды быў кінуты каменьчык. 

Хваля ўтворана паслядоўнымі грабянямі і западзінамі, разбежнымі ад месца абурэння, захоўваючы пры гэтым сталую адлегласць паміж грабянямі, якое завецца даўжынёй хвалі. На шляхі хвалі можна паставіць перашкоду, напрыклад, у выглядзе дошкі з двума прарэзанымі вузкімі шчылінамі, праз якія можа вольна цечу вада. Кінуўшы ў ваду каменьчык, хваля спыняецца на перагародцы - але не зусім. Дзве новыя канцэнтрычныя хвалі (2) зараз распаўсюджваюцца на іншы бок перагародкі з абедзвюх шчылін. Яны накладваюцца сябар на сябра, ці, як мы кажам, мяшаюць адзін аднаму, ствараючы характэрны малюнак на паверхні. У месцах, дзе грэбень адной хвалі сустракаецца з грэбнем другой, водная выпукласць узмацняецца, а там, дзе лагчына сустракаецца з далінай, паглыбленне паглыбляецца.

2. Інтэрферэнцыя хваль, якія выходзяць з двух шчылін.

У эксперыменце Юнга аднакаляровы святло, які выпраменьваецца кропкавай крыніцай, праходзіць праз непразрыстую дыяфрагму з двума прарэзамі і пападае на экран ззаду іх (сёння мы аддалі перавагу б выкарыстоўваць лазернае святло і ПЗС-матрыцу). На экране назіраецца інтэрферэнцыйны малюнак светлавой хвалі ў выглядзе шэрагу якія чаргуюцца светлых і цёмных палос (3). Гэты вынік умацаваў веру ў тое, што святло ўяўляе сабой хвалю, да таго, як адкрыцці ў пачатку XNUMX стагоддзі паказалі, што святло таксама з'яўляецца хваляй. паток фатонаў - лёгкія часціцы, якія не маюць масы спакою. Пазней высветлілася, што таямнічы карпускулярна-хвалевы дуалізмвыяўленае першым для святла, таксама дастасавальна і да іншых часціц, надзеленых масай. Неўзабаве ён стаў асновай для новага квантава-механічнага апісання свету.

3. Бачанне эксперыменту Янга

Часціцы таксама перашкаджаюць

У 1961 годзе Клаўс Ёнсан з Цюбінгенскага ўніверсітэта прадэманстраваў інтэрферэнцыю масіўных часціц — электронаў з дапамогай электроннага мікраскопа. Дзесяць гадоў праз трое італьянскіх фізікаў з Балонскага ўніверсітэта правялі аналагічны эксперымент з аднаэлектронная інтэрферэнцыя (з выкарыстаннем так званай біпрызмы замест падвойнай шчыліны). Яны зменшылі інтэнсіўнасць электроннага промня да такога нізкага значэння, што электроны праходзілі праз біпрызму адзін за адным, адзін за адным. Гэтыя электроны рэгістраваліся на флуарэсцэнтным экране.

Першапачаткова сляды электронаў былі размеркаваны па экране хаатычна, але з часам яны ўтварылі выразны інтэрферэнцыйны малюнак інтэрферэнцыйных палос. Здаецца немагчымым, каб два электроны, паслядоўна праходзячы праз шчыліны ў розны час, маглі інтэрфераваць сябар з сябрам. Таму мы павінны прызнаць, што адзін электрон інтэрферуе сам з сабой! Але тады электрон павінен быў бы прайсці праз абедзве шчыліны адначасова.

Можа ўзнікнуць спакуса назіраць за адтулінай, праз якую ў рэчаіснасці прайшоў электрон. Пазней мы ўбачым, як зрабіць такое назіранне, не парушаючы рухі электрона. Атрымліваецца, што калі мы атрымаем інфармацыю аб тым, што электрон прыняў, то інтэрферэнцыя… знікне! Інфармацыя "якім чынам" знішчае перашкоды. Ці азначае гэта, што прысутнасць свядомага назіральніка ўплывае на ход фізічнага працэсу?

Перш чым распавесці аб яшчэ больш дзіўных выніках двухшчылінных эксперыментаў, зраблю невялікі адступ аб памерах интерферирующих аб'ектаў. Квантавая інтэрферэнцыя масавых аб'ектаў была выяўлена спачатку для электронаў, затым для часціц з нарастальнай масай: нейтронаў, пратонаў, атамаў і, нарэшце, для вялікіх хімічных малекул.

У 2011 годзе быў пабіты рэкорд памераў аб'екта, на якім была прадэманстравана з'ява квантавай інтэрферэнцыі. Эксперымент праводзіўся ў Венскім універсітэце тагачасным дактарантам. Сандра Айбенбергер і яе паплечнікаў. Для эксперыменту з двума разрывамі была абрана складаная арганічная малекула, якая змяшчае каля 5 пратонаў, 5 тыс. нейтронаў і 5 тыс. электроны! У вельмі складаным эксперыменце назіралася квантавая інтэрферэнцыя гэтай вялізнай малекулы.

Гэта пацвердзіла перакананне, што Законам квантавай механікі падпарадкоўваюцца не толькі элементарныя часціцы, але і кожны матэрыяльны аб'ект. Толькі тое, што чым складаней аб'ект, тым больш ён узаемадзейнічае з навакольным асяроддзем, што парушае яго тонкія квантавыя ўласцівасці і разбурае інтэрферэнцыйныя эфекты..

Квантавая заблытанасць і палярызацыя святла

Найбольш дзіўныя вынікі эксперыментаў з двума шчылінамі выявіліся пры выкарыстанні спецыяльнага метаду сачэння за фатонам, які ніяк не парушаў яго руху. У гэтым метадзе выкарыстоўваецца адна з самых дзіўных квантавых з'яў, так званае. квантавая заблытанасць. Гэта з'ява было заўважана яшчэ ў 30-х гадах адным з галоўных стваральнікаў квантавай механікі, Эрвін Шрэдынгер.

Скептычна настроены Эйнштэйн (гл. таксама 🙂 называў іх прывідным дзеяннем на адлегласці. Аднак толькі паўстагоддзя праз значэнне гэтага эфекту было ўсвядомлена, і сёння ён стаў прадметам асаблівай цікавасці фізікаў.

Аб чым гэты эфект? Калі дзве часціцы, змешчаныя блізка сябар да сябра ў нейкі момант часу, настолькі моцна ўзаемадзейнічалі сябар з сябрам, што ўтварылі свайго роду «двайнятовыя адносіны», то адносіны захоўваюцца нават тады, калі часціцы знаходзяцца на адлегласці сотняў кіламетраў сябар ад сябра. Тады часціцы паводзяць сябе як адзіная сістэма. Гэта азначае, што калі мы здзяйсняем дзеянне над адной часціцай, яно неадкладна ўплывае на іншую часціцу. Аднак такім чынам мы не можам заўчасна перадаваць інфармацыю на адлегласць.

Фатон - гэта безмасавая часціца - элементарная частка святла, якая ўяўляе сабой электрамагнітную хвалю. Прайшоўшы праз пласціну з адпаведнага крышталя (званую палярызатарам), святло становіцца лінейна палярызаваным, г.зн. вектар электрычнага поля электрамагнітнай хвалі вагаецца ў вызначанай плоскасці. У сваю чаргу, прапускаючы лінейна палярызаванае святло праз пласціну вызначанай таўшчыні з іншага вызначанага крышталя (так званую чвэрцьхвалевую пласціну), яго можна пераўтварыць у цыркулярна палярызаванае святло, у якім вектар электрычнага поля рухаецца па шрубавай (па гадзіннікавай стрэлцы або супраць гадзіннікавай стрэлкі) рух уздоўж напрамкі распаўсюджвання хвалі. Адпаведна, можна казаць аб лінейна або цыркулярна палярызаваных фатонах.

Эксперыменты з заблытанымі фатонамі

4а. Нелінейны крышталь BBO пераўтворыць фатон, які выпраменьваецца аргонавым лазерам, у два заблытаных фатона з удвая меншай энергіяй і ўзаемна перпендыкулярнай палярызацыяй. Гэтыя фатоны разбягаюцца ў розныя бакі і рэгіструюцца дэтэктарамі Д1 і Д2, злучанымі лічыльнікам супадзенняў ЛК. На шляхі аднаго з фатонаў ставіцца дыяфрагма з двума шчылінамі. Калі абодва дэтэктара рэгіструюць амаль адначасовы прыход абодвух фатонаў, сігнал захоўваецца ў памяці прылады, а дэтэктар D2 крочыць раўналежна шчылінам. Колькасць фатонаў у залежнасці ад становішча дэтэктара D2, запісанае такім чынам, паказана ў рамцы, паказвае максімумы і мінімумы, якія паказваюць на інтэрферэнцыю.

У 2001 годзе група бразільскіх фізікаў у Белу-Арызонце выступіла пад кіраўніцтвам Стывен Уолбарн незвычайны эксперымент. Яго аўтары выкарыстоўвалі ўласцівасці спецыяльнага крышталя (скарочана BBO), які пераўтворыць пэўную частку фатонаў, якія выпускаюцца аргонавым лазерам, у два фатоны з удвая меншай энергіяй. Гэтыя два фатона заблытаныя адзін з адным; калі адзін з іх мае, напрыклад, гарызантальную палярызацыю, іншы - вертыкальную палярызацыю. Гэтыя фатоны рухаюцца ў двух розных кірунках і выконваюць розныя ролі ў апісваным эксперыменце.

Адзін з фатонаў мы збіраемся назваць кантроль, паступае непасрэдна на дэтэктар фатонаў D1 (4a). Дэтэктар рэгіструе яго прыбыццё, адпраўляючы электрычны сігнал на прыладу, званае лічыльнікам супадзенняў. LK На другім фатоне будзе праводзіцца інтэрферэнцыйны эксперымент; мы назавем яго сігнальны фатон. На яго шляху ёсць падвойная шчыліна, за якой варта другі дэтэктар фатонаў D2, крыху далей ад крыніцы фатонаў, чым дэтэктар D1. Гэты дэтэктар можа скачкападобна змяняць сваё становішча адносна падвойнага слота кожны раз, калі атрымлівае які адпавядае сігнал ад лічыльніка супадзенняў. Калі дэтэктар D1 рэгіструе фатон, ён пасылае сігнал на лічыльнік супадзенняў. Калі праз імгненне дэтэктар D2 таксама зарэгіструе фатон і пашле сігнал на вымяральнік, то ён распазнае, што ён зыходзіць ад заблытаных фатонаў, і гэты факт будзе захаваны ў памяці прыбора. Такая працэдура выключае рэгістрацыю выпадковых фатонаў, якія трапляюць у дэтэктар.

Заблытаныя фатоны захоўваюцца 400 секунд. Па заканчэнні гэтага часу дэтэктар Д2 ссоўваецца на 1 мм па стаўленні да становішча шчылін, і падлік заблытаных фатонаў займае яшчэ 400 секунд. Затым дэтэктар зноў перамяшчаюць на 1 мм і працэдуру паўтараюць шмат разоў. Аказваецца, што зарэгістраванае такім чынам размеркаванне колькасці фатонаў у залежнасці ад становішча дэтэктара D2 мае характэрныя максімумы і мінімумы, якія адпавядаюць светлым і цёмным і інтэрферэнцыйным палосам у эксперыменце Юнга (4а).

Мы зноў даведаемся, што адзіночныя фатоны, якія праходзяць праз падвойную шчыліну, інтэрферуюць адзін з адным.

Якім чынам?

Наступным крокам у эксперыменце было вызначэнне адтуліны, праз якую праходзіў канкрэтны фатон, не парушаючы яго руху. Тут выкарыстоўваліся ўласцівасці чвэрцьхвалевая пласціна. Перад кожнай шчылінай змяшчалася чвэрцьхвалевая пласцінка, адна з якіх змяняла лінейную палярызацыю падальнага фатона на кругавую па гадзіннікавай стрэлцы, а іншая - на левую кругавую палярызацыю (4б). Было праверана, што тып палярызацыі фатонаў не ўплываў на колькасць фатонаў, якія падлічваюцца. Зараз, вызначаючы паварот палярызацыі фатона пасля праходжання ім шчылін, можна паказаць, праз якія з іх прайшоў фатон. Веды "у які бок" знішчае перашкоды.

4б. Змясціўшы чвэрцьхвалевыя пласціны (заштрыхаваныя прастакутнікі) перад шчылінамі, можна атрымаць інфармацыю аб тым, «які шлях», і інтэрферэнцыйная выява знікне.

4в. Размяшчэнне якая адпавядае выявай арыентаванага палярызатара P перад дэтэктарам D1 сцірае інфармацыю аб тым, «які шлях», і аднаўляе інтэрферэнцыю.

фактычна, пасля правільнага размяшчэння чвэрцьхвалевых пласцін перад шчылінамі раней назіранае размеркаванне адлікаў, якое сведчыць аб інтэрферэнцыі, знікае. Самае дзіўнае, што гэта адбываецца без удзелу свядомага назіральніка, які можа зрабіць адпаведныя вымярэнні! Простае размяшчэнне чвэрцьхвалевых пласцін выклікае эфект прыгнечання інтэрферэнцыі.. Дык адкуль фатон ведае, што пасля ўстаўкі пласцін мы можам вызначыць прамежак, праз які ён прайшоў?

Аднак гэта яшчэ не канец дзівацтваў. Цяпер мы можам аднавіць інтэрферэнцыю сігнальных фатонаў, не ўплываючы на ​​яе напрамую. Для гэтага на шляху кіраўніка фатона, які дасягае дэтэктара D1, змесціце палярызатар такім чынам, каб ён прапускаў святло з палярызацыяй, якая ўяўляе сабой камбінацыю палярызацый абодвух заблытаных фатонаў (4c). Гэта неадкладна якая адпавядае выявай змяняе палярнасць сігнальнага фатона. Цяпер ужо нельга з упэўненасцю вызначыць, якая палярызацыя фатона, які падае на шчыліны, і праз якую шчыліну фатон прайшоў. У гэтым выпадку перашкоды аднаўляюцца!

Сцерці інфармацыю з адкладзеным выбарам

Апісаныя вышэй эксперыменты праводзіліся такім чынам, што кантрольны фатон рэгістраваўся дэтэктарам D1 раней, чым сігнальны фатон дасягаў дэтэктара D2. Сціранне інфармацыі "які шлях" было выканана шляхам змены палярызацыі кіраўніка фатона да таго, як сігнальны фатон дасягнуў дэтэктара D2. Тады можна ўявіць, што кіраўнік фатон ужо паведаміў свайму «блізнюку», што рабіць далей: умешвацца ці не.

Цяпер мадыфікуем эксперымент такім чынам, каб кантрольны фатон трапляў на дэтэктар D1 пасля рэгістрацыі сігнальнага фатона на дэтэктары D2. Для гэтага адсуньце дэтэктар D1 далей ад крыніцы фатонаў. Інтэрферэнцыйная карціна выглядае як раней. Цяпер давайце змесцім чвэрцьхвалевыя пласціны перад шчылінамі, каб вызначыць, які шлях прайшоў фатон. Інтэрферэнцыйная карціна знікае. Затым давайце сатрэм інфармацыю аб тым, які шлях , змясціўшы якая адпавядае выявай арыентаваны палярызатар перад дэтэктарам D1. Зноў з'яўляецца інтэрферэнцыйная карціна! І ўсё ж сціранне было зроблена ўжо пасля таго, як сігнальны фатон быў зарэгістраваны дэтэктарам D2. Як гэта магчыма? Фатон павінен быў ведаць аб змене палярнасці да таго, як якая-небудзь інфармацыя аб гэтым магла дасягнуць яго.

5. Эксперыменты з лазерным промнем.

Натуральная паслядоўнасць падзей тут адваротная; следства папярэднічае прычыне! Гэты вынік падрывае прынцып прычыннасці ў навакольнай рэчаіснасці. А можа быць, час не мае значэння, калі гаворка ідзе пра заблытаныя часціцы? Квантавая заблытанасць парушае прынцып лакальнасці, які дзейнічае ў класічнай фізіцы, паводле якога на аб'ект можа ўплываць толькі яго непасрэднае асяроддзе.

Пасля бразільскага эксперыменту было праведзена мноства падобных эксперыментаў, якія поўнасцю пацвярджаюць прадстаўленыя тут вынікі. У канцы чытач жадаў бы ясна растлумачыць таямніцу гэтых нечаканых з'яў. Нажаль, гэтага зрабіць нельга. Логіка квантавай механікі адрозніваецца ад логікі свету, які мы бачым кожны дзень. Мы павінны пакорліва прыняць гэта і цешыцца таму, што законы квантавай механікі сапраўды апісваюць з'явы, адбывалыя ў мікрасвеце, якія з карысцю выкарыстоўваюцца ва ўсё больш дасканалых тэхнічных прыладах.