I hjertet av kvantemekanikken

Richard Feynman, en av de største fysikerne på XNUMX-tallet, hevdet at nøkkelen til å forstå kvantemekanikk er "dobbeltspalte-eksperimentet". Dette konseptuelt enkle eksperimentet, utført i dag, fortsetter å gi fantastiske funn. De viser hvor uforenlig med sunn fornuft er kvantemekanikk, som til slutt førte til de viktigste oppfinnelsene de siste femti årene.

For første gang utførte han et dobbeltspalteeksperiment. Thomas Young (1) i England på begynnelsen av det nittende århundre.

Youngs eksperiment

Forsøket ble brukt for å vise at lys er av bølgenatur og ikke av korpuskulær natur, som tidligere nevnt. Isaac Newton. Young viste nettopp at lys adlyder innblanding - et fenomen som er det mest karakteristiske trekk (uavhengig av bølgetypen og mediet den forplanter seg i). I dag forener kvantemekanikken disse to logisk motstridende synspunktene.

La oss huske essensen av dobbeltspalteeksperimentet. Som vanlig mener jeg en bølge på overflaten av vannet som sprer seg konsentrisk rundt stedet der rullesteinen ble kastet. 

En bølge dannes av påfølgende topper og bunner som stråler ut fra forstyrrelsespunktet, samtidig som det opprettholdes en konstant avstand mellom toppene, som kalles bølgelengden. En barriere kan plasseres i bølgebanen, for eksempel i form av et brett med to smale slisser skåret gjennom som vann kan strømme fritt. Når du kaster en rullestein i vannet, stopper bølgen på skilleveggen - men ikke helt. To nye konsentriske bølger (2) forplanter seg nå til den andre siden av skilleveggen fra begge sporene. De er lagt over hverandre, eller, som vi sier, forstyrrer hverandre, og skaper et karakteristisk mønster på overflaten. På steder der toppen av en bølge møter toppen av en annen, forsterkes vannbulen, og der hulen møter dalen, blir forsenkningen dypere.

2. Interferens av bølger som kommer ut fra to spor.

I Youngs eksperiment passerer enfarget lys som sendes ut fra en punktkilde gjennom en ugjennomsiktig membran med to spalter og treffer skjermen bak dem (i dag foretrekker vi å bruke laserlys og en CCD). Et interferensbilde av en lysbølge observeres på skjermen i form av en serie vekslende lyse og mørke striper (3). Dette resultatet forsterket troen på at lys var en bølge, før funn på begynnelsen av XNUMX-tallet viste at lys også var en bølge. fotonfluks er lette partikler som ikke har noen hvilemasse. Senere viste det seg at den mystiske bølge-partikkel dualitetførst oppdaget for lys gjelder også andre partikler utstyrt med masse. Det ble snart grunnlaget for en ny kvantemekanisk beskrivelse av verden.

3. Visjon av Youngs eksperiment

Partiklene forstyrrer også

I 1961 demonstrerte Klaus Jonsson fra universitetet i Tübingen interferensen av massive partikler – elektroner ved hjelp av et elektronmikroskop. Ti år senere utførte tre italienske fysikere fra universitetet i Bologna et lignende eksperiment med enkelt-elektron interferens (ved å bruke en såkalt biprisme i stedet for en dobbel spalte). De reduserte intensiteten til elektronstrålen til en så lav verdi at elektronene gikk gjennom biprismet etter hverandre, det ene etter det andre. Disse elektronene ble registrert på en fluorescerende skjerm.

I utgangspunktet ble elektronsporene tilfeldig fordelt over skjermen, men over tid dannet de et distinkt interferensbilde av interferenskantene. Det virker umulig at to elektroner som passerer gjennom spaltene etter hverandre til forskjellige tider kan forstyrre hverandre. Derfor må vi erkjenne det ett elektron forstyrrer seg selv! Men da måtte elektronet passere gjennom begge spaltene samtidig.

Det kan være fristende å se på hullet som elektronet faktisk passerte. Senere skal vi se hvordan man gjør en slik observasjon uten å forstyrre elektronets bevegelse. Det viser seg at hvis vi får informasjon om hva elektronet har mottatt, så vil interferensen ... forsvinne! "Hvordan"-informasjonen ødelegger interferens. Betyr dette at tilstedeværelsen av en bevisst observatør påvirker forløpet av den fysiske prosessen?

Før jeg snakker om de enda mer overraskende resultatene av eksperimenter med doble spalter, vil jeg gjøre en liten digresjon om størrelsen på objekter som forstyrrer. Kvanteinterferens av masseobjekter ble først oppdaget for elektroner, deretter for partikler med økende masse: nøytroner, protoner, atomer og til slutt for store kjemiske molekyler.

I 2011 ble rekorden for størrelsen på et objekt brutt, hvor fenomenet kvanteinterferens ble demonstrert. Eksperimentet ble utført ved universitetet i Wien av en daværende doktorgradsstudent. Sandra Eibenberger og hennes medarbeidere. Et komplekst organisk molekyl som inneholder omtrent 5 protoner, 5 tusen nøytroner og 5 tusen elektroner ble valgt for eksperimentet med to pauser! I et veldig komplekst eksperiment ble kvanteinterferens av dette enorme molekylet observert.

Dette bekreftet troen på at Kvantemekanikkens lover adlyder ikke bare elementære partikler, men også alle materielle objekter. Bare at jo mer kompleks objektet er, jo mer samhandler det med miljøet, noe som bryter med dets subtile kvanteegenskaper og ødelegger interferenseffekter..

Kvantesammenfiltring og polarisering av lys

De mest overraskende resultatene av dobbeltspalte-eksperimentene kom fra bruk av en spesiell metode for å spore fotonet, som ikke forstyrret bevegelsen på noen måte. Denne metoden bruker et av de merkeligste kvantefenomenene, det såkalte kvanteforviklinger. Dette fenomenet ble lagt merke til tilbake på 30-tallet av en av hovedskaperne av kvantemekanikk, Erwin Schrödinger.

Den skeptiske Einstein (se også 🙂 kalte dem spøkelsesaktig handling på avstand. Men bare et halvt århundre senere ble betydningen av denne effekten innsett, og i dag har den blitt et emne av spesiell interesse for fysikere.

Hva handler denne effekten om? Hvis to partikler som er nær hverandre på et tidspunkt interagerer så sterkt med hverandre at de danner et slags «tvillingforhold», så vedvarer forholdet selv når partiklene er hundrevis av kilometer fra hverandre. Da oppfører partiklene seg som et enkelt system. Dette betyr at når vi utfører en handling på en partikkel, påvirker den umiddelbart en annen partikkel. Men på denne måten kan vi ikke tidløst overføre informasjon over en avstand.

Et foton er en masseløs partikkel - en elementær del av lys, som er en elektromagnetisk bølge. Etter å ha passert gjennom en plate av den tilsvarende krystallen (kalt en polarisator), blir lyset lineært polarisert, dvs. den elektriske feltvektoren til en elektromagnetisk bølge svinger i et bestemt plan. På sin side, ved å føre lineært polarisert lys gjennom en plate med en viss tykkelse fra en annen bestemt krystall (den såkalte kvartbølgeplaten), kan den konverteres til sirkulært polarisert lys, der den elektriske feltvektoren beveger seg i en spiralformet ( med eller mot klokken) bevegelse langs retningen av bølgeutbredelsen. Følgelig kan man snakke om lineært eller sirkulært polariserte fotoner.

Eksperimenter med sammenfiltrede fotoner

4a. En ikke-lineær BBO-krystall konverterer et foton som sendes ut av en argonlaser til to sammenfiltrede fotoner med halvparten av energien og gjensidig vinkelrett polarisering. Disse fotonene sprer seg i forskjellige retninger og registreres av detektorer D1 og D2, forbundet med en tilfeldighetsteller LK. En diafragma med to spalter er plassert i banen til en av fotonene. Når begge detektorene registrerer nesten samtidig ankomst av begge fotonene, lagres signalet i enhetens minne, og detektoren D2 går parallelt med spaltene. Antall fotoner avhengig av posisjonen til detektoren D2, slik registrert, vises i boksen, og viser maksima og minima, som indikerer interferens.

I 2001 opptrådte en gruppe brasilianske fysikere i Belo Horizonte under veiledning av Stephen Walborn uvanlig eksperiment. Forfatterne brukte egenskapene til en spesiell krystall (forkortet BBO), som konverterer en viss del av fotonene som sendes ut av en argonlaser til to fotoner med halvparten av energien. Disse to fotonene er viklet inn i hverandre; når en av dem har for eksempel horisontal polarisering, har den andre vertikal polarisering. Disse fotonene beveger seg i to forskjellige retninger og spiller forskjellige roller i det beskrevne eksperimentet.

Et av fotonene vi skal navngi kontrollere, går direkte til fotondetektoren D1 (4a). Detektoren registrerer sin ankomst ved å sende et elektrisk signal til en enhet som kalles en treffteller. LK Et interferenseksperiment vil bli utført på det andre fotonet; vi ringer ham signalfoton. Det er en dobbel spalte i banen, etterfulgt av en andre fotondetektor, D2, litt lenger fra fotonkilden enn detektor D1. Denne detektoren kan hoppe i forhold til dobbeltsporet hver gang den mottar et passende signal fra trefftelleren. Når detektor D1 registrerer et foton, sender den et signal til sammenfallstelleren. Hvis detektoren D2 om et øyeblikk også registrerer et foton og sender et signal til måleren, vil den gjenkjenne at det kommer fra sammenfiltrede fotoner, og dette faktum vil bli lagret i enhetens minne. Denne prosedyren utelukker registrering av tilfeldige fotoner som kommer inn i detektoren.

Sammenfiltrede fotoner vedvarer i 400 sekunder. Etter denne tiden forskyves D2-detektoren med 1 mm i forhold til posisjonen til spaltene, og tellingen av sammenfiltrede fotoner tar ytterligere 400 sekunder. Deretter flyttes detektoren igjen med 1 mm og prosedyren gjentas mange ganger. Det viser seg at fordelingen av antall fotoner registrert på denne måten avhengig av posisjonen til detektoren D2 har karakteristiske maksima og minima tilsvarende lys og mørke og interferenskanter i Youngs eksperiment (4a).

Det finner vi ut igjen enkeltfotoner som passerer gjennom den doble spalten forstyrrer hverandre.

Hvordan?

Det neste trinnet i eksperimentet var å bestemme hullet et bestemt foton passerte gjennom uten å forstyrre bevegelsen. Egenskaper brukt her kvartbølgeplate. En kvartbølgeplate ble plassert foran hver spalte, hvorav den ene endret den lineære polarisasjonen av det innfallende fotonet til sirkulær med klokken, og den andre til venstre sirkulær polarisering (4b). Det ble bekreftet at typen fotonpolarisering ikke påvirket antallet fotoner som ble talt. Nå, ved å bestemme rotasjonen av fotonets polarisasjon etter at det har passert gjennom spaltene, er det mulig å indikere gjennom hvilket av dem fotonet har passert. Å vite "i hvilken retning" ødelegger interferens.

4b. Ved å plassere kvartbølgeplater (skyggelagte rektangler) foran spaltene kan "hvilken vei" informasjon fås og interferensbildet vil forsvinne.

4c. Plassering av en riktig orientert polarisator P foran detektor D1 sletter "hvilken vei"-informasjon og gjenoppretter interferensen.

Faktisk etter korrekt plassering av kvartbølgeplatene foran spaltene, forsvinner den tidligere observerte fordelingen av tellinger, som indikerer interferens. Det merkeligste er at dette skjer uten medvirkning fra en bevisst observatør som kan gjøre de riktige målingene! Bare plassering av kvartbølgeplater produserer en interferenskanselleringseffekt.. Så hvordan vet fotonet at etter å ha satt inn platene, kan vi bestemme gapet det passerte gjennom?

Dette er imidlertid ikke slutten på det rare. Nå kan vi gjenopprette signalfotoninterferens uten å påvirke den direkte. For å gjøre dette, i banen til kontrollfotonet som når detektor D1, plasser en polarisator slik at den sender lys med en polarisering som er en kombinasjon av polarisasjonene til begge sammenfiltrede fotonene (4c). Dette endrer umiddelbart polariteten til signalfotonet tilsvarende. Nå er det ikke lenger mulig å fastslå med sikkerhet hva som er polarisasjonen til et foton som faller inn på spaltene, og gjennom hvilken spalte fotonet passerte. I dette tilfellet gjenopprettes interferensen!

Slett informasjon om forsinket valg

Forsøkene beskrevet ovenfor ble utført på en slik måte at kontrollfotonet ble registrert av detektoren D1 før signalfotonet nådde detektoren D2. Slettingen av "hvilken vei"-informasjon ble utført ved å endre polarisasjonen til kontrollfotonet før signalfotonet nådde detektor D2. Da kan man forestille seg at det kontrollerende fotonet allerede har fortalt sin "tvilling" hva de skal gjøre videre: å gripe inn eller ikke.

Nå modifiserer vi eksperimentet på en slik måte at kontrollfotonet treffer detektor D1 etter at signalfotonet er registrert ved detektor D2. For å gjøre dette, flytt detektor D1 bort fra fotonkilden. Interferensmønsteret ser det samme ut som før. La oss nå plassere kvartbølgeplater foran spaltene for å finne ut hvilken vei fotonet har tatt. Interferensmønsteret forsvinner. La oss deretter slette "hvilken vei"-informasjonen ved å plassere en passende orientert polarisator foran detektor D1. Interferensmønsteret vises igjen! Likevel ble slettingen gjort etter at signalfotonet hadde blitt registrert av detektor D2. Hvordan er dette mulig? Fotonet måtte være klar over polaritetsendringen før noen informasjon om det kunne nå det.

5. Eksperimenter med en laserstråle.

Det naturlige hendelsesforløpet er her snudd; virkning går foran årsak! Dette resultatet undergraver prinsippet om kausalitet i virkeligheten rundt oss. Eller kanskje tiden ikke spiller noen rolle når det kommer til sammenfiltrede partikler? Kvanteforviklinger bryter med lokalitetsprinsippet i klassisk fysikk, ifølge hvilket et objekt bare kan påvirkes av dets umiddelbare miljø.

Siden det brasilianske eksperimentet har det blitt utført mange lignende eksperimenter, som fullt ut bekrefter resultatene som presenteres her. Til slutt vil leseren gjerne forklare mysteriet med disse uventede fenomenene. Dette lar seg dessverre ikke gjøre. Kvantemekanikkens logikk er forskjellig fra logikken til den verden vi ser hver dag. Vi må ydmykt akseptere dette og glede oss over det faktum at kvantemekanikkens lover nøyaktig beskriver fenomenene som oppstår i mikrokosmos, og som er nyttig i stadig mer avanserte tekniske apparater.