I hjertet af kvantemekanikken

Richard Feynman, en af ​​de største fysikere i det XNUMX. århundrede, hævdede, at nøglen til at forstå kvantemekanikken var "dobbelt spalteeksperimentet". Dette konceptuelt enkle eksperiment, udført i dag, fortsætter med at give fantastiske opdagelser. De viser, hvor uforenelig kvantemekanik er med sund fornuft, hvilket i sidste ende førte til de vigtigste opfindelser i de sidste halvtreds år.

Foretog et dobbeltspaltet eksperiment for første gang. Thomas Young (1) i England i begyndelsen af ​​det nittende århundrede.

eksperiment til Yang

Forsøget blev brugt til at vise, at lys er af bølgenatur og ikke af partikelkarakter, som tidligere hævdet. Isaac Newton. Young demonstrerede simpelthen, at lys adlyder intervention - et fænomen, der er det mest karakteristiske træk (uanset hvilken type bølge og det medie, den udbreder sig i). I dag forener kvantemekanikken disse to logisk modstridende synspunkter.

Lad os huske essensen af ​​dobbeltspalteeksperimentet. Som sædvanlig refererer jeg til en bølge på vandoverfladen, der bevæger sig koncentrisk rundt om det sted, hvor småstenen kastes. 

En bølge er dannet af på hinanden følgende toppe og dale, der stråler ud fra placeringen af ​​forstyrrelsen, mens der opretholdes en konstant afstand mellem toppene, kaldet bølgelængden. I bølgens bane kan du sætte en barriere, for eksempel i form af et bræt med to smalle slidser skåret igennem, hvorigennem vandet kan strømme frit. Efter at have kastet en sten i vandet stopper bølgen på skillevæggen - men ikke helt. To nye koncentriske bølger (2) forplanter sig nu til den anden side af skillevæggen fra begge spalter. De overlapper hinanden, eller, som vi siger, forstyrrer hinanden og skaber et karakteristisk mønster på overfladen. På steder, hvor toppen af ​​en bølge møder toppen af ​​en anden, forstærkes vandbulen, og hvor en fordybning møder en dal, bliver lavningen dybere.

2. Interferens af bølger, der kommer ud fra to spalter.

I Youngs eksperiment passerer enkeltfarvet lys udsendt af en punktkilde gennem en uigennemsigtig membran med to spalter og rammer en skærm bag dem (i dag foretrækker vi at bruge laserlys og en CCD). Et interferensbillede af en lysbølge observeres på skærmen i form af en række skiftende lyse og mørke striber (3). Dette resultat styrkede troen på, at lys var en bølge, før opdagelser i begyndelsen af ​​XNUMX-tallet viste, at lys også var en bølge. foton flux er lette partikler, der ikke har nogen hvilemasse. Senere viste det sig, at den mystiske bølge-partikel dualitetopdaget først for lys, gælder også for andre partikler udstyret med masse. Det blev hurtigt grundlaget for en ny kvantemekanisk beskrivelse af verden.

3. Youngs vision af eksperimentet

Partikler forstyrrer også

I 1961 demonstrerede Klaus Jonsson fra universitetet i Tübingen interferensen af ​​massive partikler kaldet elektroner ved hjælp af et elektronmikroskop. Ti år senere gennemførte tre italienske fysikere fra universitetet i Bologna et lignende eksperiment med enkelt-elektron interferens (ved at bruge en såkaldt biprisme i stedet for en dobbelt spalte). De reducerede intensiteten af ​​elektronstrålen til en så lav værdi, at elektronerne passerede gennem biprismet en efter en, den ene efter den anden. Disse elektroner blev optaget på en fluorescerende skærm.

I starten blev sporene af elektroner fordelt tilfældigt over skærmen, men med tiden dannede de et tydeligt interferensbillede af interferenskanter. Det synes umuligt, at to elektroner, der passerer successivt gennem spalter på forskellige tidspunkter, kan forstyrre hinanden. Derfor må vi indrømme det en elektron interfererer med sig selv! Men så skulle elektronen passere gennem begge spalter på samme tid.

Det kan være fristende at observere det hul, som elektronen faktisk passerede igennem. Vi vil senere se, hvordan man foretager denne observation uden at forstyrre elektronens bevægelse. Det viser sig, at hvis vi modtager information om, at elektronen har accepteret, så vil interferensen... forsvinde! "Hvordan" information eliminerer interferens. Betyder det, at tilstedeværelsen af ​​en bevidst observatør påvirker forløbet af en fysisk proces?

Før jeg taler om de endnu mere overraskende resultater af dobbeltspalte-eksperimenter, vil jeg lave en kort digression om størrelsen af ​​forstyrrende objekter. Kvanteinterferens af masseobjekter blev først opdaget for elektroner, derefter for partikler med stigende masse: neutroner, protoner, atomer og til sidst for store kemiske molekyler.

I 2011 blev rekorden for størrelsen af ​​et objekt, der demonstrerede fænomenet kvanteinterferens, slået. Eksperimentet blev udført på universitetet i Wien af ​​en ph.d.-studerende på det tidspunkt. Sandra Eibenberger og hendes medarbejdere. Til dobbeltbrudseksperimentet blev der valgt et komplekst organisk molekyle indeholdende omkring 5 protoner, 5 tusind neutroner og 5 tusinde elektroner! I et meget komplekst eksperiment blev kvanteinterferens af dette enorme molekyle observeret.

Dette bekræftede troen på Ikke kun elementarpartikler, men også alle materielle objekter er underlagt kvantemekanikkens love. Kun at jo mere kompleks et objekt er, jo mere interagerer det med dets miljø, hvilket krænker dets subtile kvanteegenskaber og ødelægger interferenseffekter..

Kvantesammenfiltring og polarisering af lys

De mest overraskende resultater af dobbeltspalte-eksperimenterne kom fra at bruge en speciel metode til at spore fotonen, som ikke forstyrrede dens bevægelse på nogen måde. Denne metode bruger et af de mærkeligste kvantefænomener, det såkaldte kvantesammenfiltring. Dette fænomen blev bemærket tilbage i 30'erne af en af ​​de vigtigste skabere af kvantemekanikken, Erwin Schrödinger.

Skeptiske Einstein (se også 🙂) kaldte dem spøgelsesagtig handling på afstand, men først et halvt århundrede senere blev betydningen af ​​denne effekt indset, og i dag er den blevet et emne af særlig interesse for fysikere.

Hvad handler denne effekt om? Hvis to partikler, der var tæt på hinanden på et tidspunkt, interagerede med hinanden så stærkt, at de dannede en slags "tvillingforhold", så holder forholdet, selv når partiklerne er hundredvis af kilometer fra hinanden. Så opfører partiklerne sig som et enkelt system. Det betyder, at når vi udfører en handling på en partikel, påvirker det den anden partikel med det samme. Men på denne måde kan vi ikke overføre information over en afstand i utide.

En foton er en masseløs partikel - en elementær del af lyset, som er en elektromagnetisk bølge. Efter at have passeret gennem en plade af den tilsvarende krystal (kaldet en polarisator), bliver lyset lineært polariseret, dvs. den elektriske feltvektor for en elektromagnetisk bølge svinger i et bestemt plan. Til gengæld kan det ved at føre lineært polariseret lys gennem en plade af en vis tykkelse fra en anden specifik krystal (den såkaldte kvartbølgeplade) omdannes til cirkulært polariseret lys, hvor den elektriske feltvektor bevæger sig i en spiralformet ( med uret eller mod uret) bevægelse langs retningen af ​​bølgeudbredelsen. Følgelig kan vi tale om lineært eller cirkulært polariserede fotoner.

Eksperimenter med sammenfiltrede fotoner

4a. Den ikke-lineære BBO-krystal konverterer en foton udsendt af en argonlaser til to sammenfiltrede fotoner med halvdelen af ​​energien og gensidigt vinkelret polarisering. Disse fotoner spredes i forskellige retninger og optages af detektorerne D1 og D2, forbundet med en sammenfaldstæller LC. En membran med to spalter er placeret på banen for en af ​​fotonerne. Når begge detektorer registrerer den næsten samtidige ankomst af begge fotoner, lagres signalet i enhedens hukommelse, og detektor D2 bevæger sig parallelt med spalterne. Antallet af fotoner som funktion af positionen af ​​detektor D2 optaget på denne måde er vist i boksen, der viser maksima og minima, der indikerer interferens.

I 2001 ledede en gruppe brasilianske fysikere i Belo Horizonte Stephen Walbourne usædvanligt eksperiment. Dens forfattere brugte egenskaberne af en speciel krystal (forkortet som BBO), som omdanner en vis del af de fotoner, der udsendes af en argonlaser, til to fotoner med halvdelen af ​​energien. Disse to fotoner er viklet ind i hinanden; når en af ​​dem har for eksempel vandret polarisering, har den anden vertikal polarisering. Disse fotoner bevæger sig i to forskellige retninger og spiller forskellige roller i det beskrevne eksperiment.

En af de fotoner, vi vil kalde kontrol, går direkte til fotondetektoren D1 (4a). Detektoren registrerer sin ankomst ved at sende et elektrisk signal til en enhed kaldet en tilfældighedstæller. LK Et interferenseksperiment vil blive udført på den anden foton; vi ringer til ham signal foton. I dens vej er der en dobbelt spalte efterfulgt af en anden fotondetektor D2, lidt længere fra fotonkilden end detektor D1. Denne detektor kan springe sin position i forhold til den dobbelte slot, hver gang den modtager et tilsvarende signal fra sammenfaldstælleren. Når detektor D1 detekterer en foton, sender den et signal til sammenfaldstælleren. Hvis detektor D2 et øjeblik senere også detekterer en foton og sender et signal til måleren, vil den genkende, at den kommer fra sammenfiltrede fotoner, og denne kendsgerning vil blive lagret i enhedens hukommelse. Denne procedure eliminerer registreringen af ​​tilfældige fotoner, der kommer ind i detektoren.

Sammenfiltrede fotoner varer i 400 sekunder. Efter dette tidspunkt forskydes D2-detektoren med 1 mm i forhold til spalternes position, og optælling af sammenfiltrede fotoner tager yderligere 400 sekunder. Detektoren flyttes derefter igen med 1 mm, og proceduren gentages mange gange. Det viser sig, at fordelingen af ​​antallet af fotoner optaget på denne måde afhængigt af positionen af ​​detektoren D2 har karakteristiske maksima og minima svarende til lys og mørke og interferenskanter i Youngs eksperiment (4a).

Det finder vi ud af igen enkelte fotoner, der passerer gennem den dobbelte spalte, interfererer med hinanden.

Hvordan det?

Det næste trin i eksperimentet var at bestemme det hul, som en bestemt foton ville passere igennem uden at forstyrre dens bevægelse. Egenskaber brugt her kvartbølgeplade. En kvartbølgeplade blev placeret foran hver spalte, hvoraf den ene ændrede den lineære polarisering af den indfaldende foton til cirkulær polarisering med uret, og den anden til venstrehåndet cirkulær polarisering (4b). Det blev bekræftet, at typen af ​​fotonpolarisering ikke påvirkede antallet af talte fotoner. Ved nu at bestemme rotationen af ​​polarisationen af ​​en foton, efter at den er passeret gennem spalterne, kan vi angive, hvilken af ​​dem fotonen passerede igennem. At vide "i hvilken retning" eliminerer interferens.

4b. Ved at placere kvartbølgeplader (skraverede rektangler) foran spalterne kan man få information om "hvilken vej", og interferensbilledet forsvinder.

4c. Placering af en passende orienteret polarisator P foran detektoren D1 sletter "hvilken vej"-informationen og genopretter interferensen.

Faktisk Når først kvartbølgepladerne er placeret korrekt foran spalterne, forsvinder den tidligere observerede tællefordeling, der indikerer interferens. Det mærkeligste er, at dette sker uden deltagelse af en bevidst observatør, som kan foretage de passende målinger! Blot at placere kvartbølgeplader giver en interferens-undertrykkende effekt.. Så hvordan ved fotonen, at efter at have indsat pladerne, kan vi bestemme det mellemrum, som den passerede igennem?

Dette er dog ikke enden på det underlige. Vi kan nu rekonstruere signalfotoninterferensen uden at påvirke den direkte. For at gøre dette skal du placere en polarisator i vejen for kontrolfotonen, der når detektor D1, så den transmitterer lys med en polarisering, der er en kombination af polarisationerne af begge sammenfiltrede fotoner (4c). Dette ændrer straks signalfotonens polaritet tilsvarende. Nu er det ikke længere muligt med sikkerhed at bestemme, hvad polariseringen af ​​en foton, der falder ind på spalterne, er, og gennem hvilken spalte fotonen passerede. I dette tilfælde genoprettes interferensen!

Slet oplysninger om forsinket valg

Eksperimenterne beskrevet ovenfor blev udført på en sådan måde, at kontrolfotonen blev detekteret af detektor D1, før signalfotonen nåede detektor D2. Sletning af "hvilken vej"-informationen blev opnået ved at ændre polariseringen af ​​den drivende foton, før signalfotonen nåede detektor D2. Så kan man forestille sig, at kontrolfotonen allerede har fortalt sin "tvilling", hvad den skal gøre nu: at gribe ind eller ej.

Nu modificerer vi eksperimentet på en sådan måde, at kontrolfotonen rammer detektor D1 efter at have registreret signalfotonen ved detektor D2. For at gøre dette skal du flytte detektor D1 væk fra fotonkilden. Interferensmønsteret ser det samme ud. Lad os nu placere kvartbølgeplader foran spalterne for at bestemme, hvilken vej fotonen har taget. Interferensmønsteret forsvinder. Lad os derefter slette "hvilken vej"-informationen ved at placere en passende orienteret polarisator foran detektor D1. Interferensmønsteret vises igen! Alligevel blev sletningen udført, efter at signalfotonen blev detekteret af detektor D2. Hvordan er det muligt? Fotonen skulle være opmærksom på polaritetsændringen, før nogen information om den kunne nå den.

5. Eksperimenter med en laserstråle.

Det naturlige hændelsesforløb her er omvendt; virkningen går forud for årsagen! Dette resultat underminerer princippet om kausalitet i virkeligheden omkring os. Eller måske betyder tiden ikke noget, når det kommer til sammenfiltrede partikler? Kvantesammenfiltring bryder med lokalitetsprincippet, som gælder i klassisk fysik, hvorefter et objekt kun kan påvirkes af dets umiddelbare omgivelser.

Siden det brasilianske eksperiment er der blevet udført mange lignende eksperimenter, som fuldt ud bekræfter de her præsenterede resultater. Til sidst vil læseren gerne tydeligt forklare mysteriet bag disse uventede fænomener. Det kan desværre ikke lade sig gøre. Kvantemekanikkens logik er forskellig fra logikken i den verden, vi ser hver dag. Vi må ydmygt acceptere dette og glæde os over, at kvantemekanikkens love præcist beskriver fænomener, der opstår i mikrokosmos, og som med fordel bruges i stadig mere avancerede tekniske anordninger.