Kvantmehaanika keskmes

Richard Feynman, üks XNUMX. sajandi suurimaid füüsikuid, väitis, et kvantmehaanika mõistmise võti on "topeltpilu eksperiment". See kontseptuaalselt lihtne eksperiment, mis täna läbi viiakse, annab jätkuvalt hämmastavaid avastusi. Need näitavad, kui terve mõistusega kokkusobimatu on kvantmehaanika, mis viis lõpuks viimase viiekümne aasta olulisemate leiutisteni.

Esimest korda viis ta läbi kahe piluga katse. Thomas Young (1) Inglismaal XNUMX. sajandi alguses.

Youngi eksperiment

Eksperimenti kasutati selleks, et näidata, et valgus on laineline, mitte korpuskulaarne, nagu eelnevalt öeldud. Isaac Newton. Young demonstreeris just, et valgus kuuletub sekkumine - nähtus, mis on kõige iseloomulikum tunnus (olenemata laine tüübist ja keskkonnast, milles see levib). Tänapäeval lepitab kvantmehaanika need kaks loogiliselt vastandlikku seisukohta.

Tuletagem meelde topeltpiluga katse olemust. Tavapäraselt pean silmas lainet veepinnal, mis levib kontsentriliselt ümber kivikese viskamise koha. 

Laine moodustavad järjestikused häirepunktist kiirguvad harjad ja lohud, säilitades samal ajal harjade vahel püsiva kauguse, mida nimetatakse lainepikkuseks. Laine teele võib asetada barjääri, näiteks laua kujul, kuhu on lõigatud kaks kitsast pilu, millest vesi saab vabalt voolata. Viskades kivikese vette, peatub laine vaheseinal – aga mitte päris. Kaks uut kontsentrilist lainet (2) levivad nüüd mõlemast pilust partitsiooni teisele poole. Need asetsevad üksteise peale või, nagu me ütleme, segavad üksteist, luues pinnale iseloomuliku mustri. Kohtades, kus ühe laine hari kohtub teise laineharjaga, tugevneb veepuhang ja seal, kus lohk kohtub oruga, süveneb lohk.

2. Kahest pilust väljuvate lainete interferents.

Youngi katses läbib punktallikast eralduv ühevärviline valgus läbi kahe piluga läbipaistmatu diafragma ja tabab nende taga olevat ekraani (täna eelistaksime laservalgust ja CCD-d). Ekraanil vaadeldakse valguslaine interferentsipilti vahelduvate heledate ja tumedate triipude kujul (3). See tulemus tugevdas usku, et valgus on laine, enne kui XNUMX. aastate alguse avastused näitasid, et valgus on ka laine. footoni voog on kerged osakesed, millel puudub puhkemass. Hiljem selgus, et salapärane laine-osakeste duaalsusesmakordselt valguse jaoks avastatud kehtib ka teiste massiga osakeste kohta. See sai peagi uue maailma kvantmehaanilise kirjelduse aluseks.

3. Visioon Youngi katsest

Osakesed segavad ka

1961. aastal demonstreeris Klaus Jonsson Tübingeni ülikoolist elektronmikroskoobi abil massiivsete osakeste – elektronide – interferentsi. Kümme aastat hiljem viisid kolm Itaalia füüsikut Bologna ülikoolist läbi sarnase katse ühe elektroni interferents (kasutades topeltpilu asemel nn biprismat). Nad vähendasid elektronkiire intensiivsust nii madalale väärtusele, et elektronid läbisid biprisma üksteise järel, üksteise järel. Need elektronid registreeriti fluorestsentsekraanil.

Algselt jaotati elektronide jäljed juhuslikult üle ekraani, kuid aja jooksul moodustasid need interferentsi servadest selgelt eristuva interferentsikujutise. Tundub võimatu, et kaks elektroni, mis läbivad pilusid järjest erinevatel aegadel, võiksid üksteist segada. Seetõttu peame seda tunnistama üks elektron segab ennast! Kuid siis peaks elektron mõlemast pilust korraga läbima.

Võib tekkida kiusatus vaadata auku, millest elektron tegelikult läbi läks. Hiljem näeme, kuidas sellist vaatlust teha ilma elektroni liikumist häirimata. Selgub, et kui saame infot selle kohta, mida elektron on vastu võtnud, siis interferents ... kaob! "Kuidas" teave hävitab häired. Kas see tähendab, et teadliku vaatleja kohalolek mõjutab füüsilise protsessi kulgu?

Enne kui räägin topeltpiluga katsete veelgi üllatavamatest tulemustest, teen väikese kõrvalepõike segavate objektide suuruste osas. Massiobjektide kvantinterferentsi avastati esmalt elektronide, seejärel kasvava massiga osakeste: neutronite, prootonite, aatomite ja lõpuks suurte keemiliste molekulide puhul.

2011. aastal purustati objekti suuruse rekord, millel demonstreeriti kvantinterferentsi fenomeni. Eksperimendi viis Viini ülikoolis läbi tolleaegne doktorant. Sandra Eibenberger ja tema kaaslased. Eksperimendiks valiti kahe katkestusega keeruline orgaaniline molekul, mis sisaldab umbes 5 prootonit, 5 tuhat neutronit ja 5 tuhat elektroni! Väga keerulises katses täheldati selle tohutu molekuli kvantinterferentsi.

See kinnitas usku, et Kvantmehaanika seadused ei allu mitte ainult elementaarosakestele, vaid ka igale materiaalsele objektile. Ainult et mida keerulisem on objekt, seda rohkem see suhtleb keskkonnaga, mis rikub selle peeneid kvantomadusi ja hävitab interferentsiefekte..

Valguse kvantpõimumine ja polarisatsioon

Topeltpiluga katsete üllatavamad tulemused saadi spetsiaalse footoni jälgimismeetodi kasutamisest, mis ei seganud selle liikumist kuidagi. See meetod kasutab üht kummalisemat kvantnähtust nn kvantpõimumine. Seda nähtust märkas juba 30ndatel üks kvantmehaanika peamisi loojaid, Erwin Schrödinger.

Skeptiline Einstein (vaata ka 🙂 nimetas neid kummituslikuks tegevuseks distantsilt. Kuid alles pool sajandit hiljem teadvustati selle efekti olulisust ning tänaseks on see muutunud füüsikute erilise huviobjektiks.

Milles see efekt seisneb? Kui kaks osakest, mis on mingil ajahetkel teineteisele lähedal, interakteeruvad üksteisega nii tugevalt, et moodustavad omamoodi "kaksiksuhte", siis suhe püsib ka siis, kui osakesed on üksteisest sadade kilomeetrite kaugusel. Siis käituvad osakesed ühtse süsteemina. See tähendab, et kui sooritame toimingu ühe osakesega, mõjutab see kohe teist osakest. Kuid sel viisil ei saa me ajatult edastada teavet kaugelt.

Footon on massita osake – valguse elementaarosa, mis on elektromagnetlaine. Pärast vastava kristalli plaadi (mida nimetatakse polarisaatoriks) läbimist muutub valgus lineaarselt polariseerituks, s.t. elektromagnetlaine elektrivälja vektor võngub teatud tasapinnal. Juhtides omakorda lineaarselt polariseeritud valgust läbi teatud paksusega plaadi teisest konkreetsest kristallist (nn veerandlaine plaat), saab selle muuta ringpolariseeritud valguseks, milles elektrivälja vektor liigub spiraalselt ( päripäeva või vastupäeva) liikumine mööda laine levimise suunda. Sellest lähtuvalt võib rääkida lineaarselt või tsirkulaarselt polariseeritud footonitest.

Katsed takerdunud footonitega

4a. Mittelineaarne BBO kristall muudab argoonlaseri poolt kiiratud footoni kaheks põimunud footoniks poole väiksema energiaga ja vastastikku risti polarisatsiooniga. Need footonid hajuvad eri suundades ja salvestavad detektorid D1 ja D2, mis on ühendatud kokkusattumuste loenduriga LK. Ühe footoni teele asetatakse kahe piluga diafragma. Kui mõlemad detektorid registreerivad mõlema footoni peaaegu samaaegse saabumise, salvestatakse signaal seadme mällu ja detektor D2 astub piludega paralleelselt. Sel viisil salvestatud footonite arv sõltuvalt detektori D2 asendist on näidatud kastis, mis näitab maksimume ja miinimume, mis näitavad häireid.

2001. aastal esines rühm Brasiilia füüsikuid Belo Horizontes juhendamisel. Stephen Walborn ebatavaline eksperiment. Selle autorid kasutasid spetsiaalse kristalli (lühendatult BBO) omadusi, mis teisendab teatud osa argoonlaseriga kiiratavatest footonitest poole väiksema energiaga kaheks footoniks. Need kaks footonit on üksteisega põimunud; kui ühel neist on näiteks horisontaalne polarisatsioon, siis teisel on vertikaalne polarisatsioon. Need footonid liiguvad kahes erinevas suunas ja mängivad kirjeldatud katses erinevat rolli.

Üks footonitest, mida me nimetame kontrollida, läheb otse footonidetektorisse D1 (4a). Detektor registreerib selle saabumise, saates elektrilise signaali seadmesse, mida nimetatakse tabamusloenduriks. LK Teise footoniga viiakse läbi interferentsi eksperiment; me helistame talle signaali footon. Selle teel on kahekordne pilu, millele järgneb teine ​​footonidetektor D2, mis on footoniallikast veidi kaugemal kui detektor D1. See detektor võib hüpata ümber kahe pesa iga kord, kui ta saab tabamusloendurilt sobiva signaali. Kui detektor D1 registreerib footoni, saadab see signaali kokkulangevuse loendurile. Kui hetkega registreerib detektor D2 ka footoni ja saadab arvestile signaali, siis tunneb see ära, et see pärineb takerdunud footonitest ning see fakt salvestatakse seadme mällu. See protseduur välistab detektorisse sisenevate juhuslike footonite registreerimise.

Põimunud footonid püsivad 400 sekundit. Selle aja möödudes nihutatakse detektor D2 pilude asukoha suhtes 1 mm võrra ja takerdunud footonite loendamine võtab veel 400 sekundit. Seejärel nihutatakse detektorit uuesti 1 mm võrra ja protseduuri korratakse mitu korda. Selgub, et sel viisil salvestatud footonite arvu jaotus olenevalt detektori D2 asendist omab Youngi katses (4a) valguse ja pimeduse ning interferentsi äärealadele vastavad iseloomulikud maksimumid ja miinimumid.

Saame selle uuesti teada topeltpilu läbivad üksikud footonid segavad üksteist.

Kuidas?

Katse järgmiseks etapiks oli määrata auk, millest konkreetne footon läbis selle liikumist häirimata. Siin kasutatud omadused veerandlaineplaat. Iga pilu ette asetati veerandlaineplaat, millest üks muutis langeva footoni lineaarset polarisatsiooni päripäeva ringikujuliseks ja teine ​​vasakpoolseks ringpolarisatsiooniks (4b). Kontrolliti, et footonite polarisatsiooni tüüp ei mõjutanud loendatud footonite arvu. Nüüd, määrates footoni polarisatsiooni pöörlemise pärast pilude läbimist, on võimalik näidata, millisest neist on footon läbinud. Teadmine "mis suunas" hävitab häired.

4b. Asetades pilude ette veerandlaine plaadid (varjutatud ristkülikud), saab "kummale poole" info kätte ja interferentspilt kaob.

4c. Sobivalt orienteeritud polarisaatori P asetamine detektori D1 ette kustutab "millise suuna" teabe ja taastab häired.

Tegelikult pärast veerandlaineplaatide õiget paigutamist pilude ette kaob varem täheldatud häiretele viitav loenduste jaotus. Kõige kummalisem on see, et see juhtub ilma teadliku vaatleja osaluseta, kes oskab vastavaid mõõtmisi teha! Ainuüksi veerandlaineplaatide paigutamine tekitab häireid kõrvaldava efekti.. Kuidas siis footon teab, et pärast plaatide sisestamist saame määrata pilu, millest see läbi läks?

Sellega aga veidrused ei lõpe. Nüüd saame taastada signaali footoni häired ilma seda otseselt mõjutamata. Selleks asetage juhtfootoni detektorisse D1 jõudva teele polarisaator nii, et see edastaks valgust polarisatsiooniga, mis on kombinatsioon mõlema takerdunud footoni polarisatsioonidest (4c). See muudab koheselt vastavalt signaali footoni polaarsust. Nüüd ei ole enam võimalik kindlalt kindlaks teha, milline on piludesse sattunud footoni polarisatsioon ja millise pilu kaudu footon läbis. Sel juhul häired taastatakse!

Kustutage viivitatud valiku teave

Ülalkirjeldatud katsed viidi läbi nii, et kontrollfooton registreeriti detektoriga D1 enne, kui signaali footon jõudis detektorini D2. "Millise suuna" teabe kustutamine viidi läbi juhtfootoni polarisatsiooni muutmisega enne, kui signaali footon jõudis detektorisse D2. Siis võib ette kujutada, et kontrolliv footon on juba oma “kaksikule” öelnud, mida edasi teha: sekkuda või mitte.

Nüüd muudame katset nii, et kontrollfooton tabab detektorit D1 pärast signaali footoni registreerimist detektoris D2. Selleks liigutage detektor D1 footoniallikast eemale. Häirete muster näeb välja sama, mis varem. Nüüd asetame pilude ette veerandlaineplaadid, et teha kindlaks, millise tee footon on läbinud. Häire muster kaob. Järgmisena kustutame "millise suuna" teabe, asetades detektori D1 ette sobiva polarisaatori. Häire muster ilmub uuesti! Kuid kustutamine tehti pärast seda, kui detektor D2 oli signaali footoni registreerinud. Kuidas on see võimalik? Footon pidi polaarsuse muutusest teadlik olema, enne kui selle kohta mingi teave selleni jõudis.

5. Katsed laserkiirega.

Sündmuste loomulik jada on siin vastupidine; tagajärg eelneb põhjusele! See tulemus õõnestab meid ümbritseva reaalsuse põhjuslikkuse põhimõtet. Või võib-olla pole aeg oluline, kui tegemist on takerdunud osakestega? Kvantpõimumine rikub klassikalise füüsika lokaalsuse põhimõtet, mille kohaselt saab objekti mõjutada ainult tema vahetu keskkond.

Pärast Brasiilia katset on tehtud palju sarnaseid katseid, mis kinnitavad täielikult siin esitatud tulemusi. Lõpetuseks tahaks lugeja nende ootamatute nähtuste saladuse arusaadavalt lahti seletada. Kahjuks seda teha ei saa. Kvantmehaanika loogika erineb selle maailma loogikast, mida me iga päev näeme. Peame sellega alandlikult leppima ja rõõmustama selle üle, et kvantmehaanika seadused kirjeldavad täpselt mikrokosmoses toimuvaid nähtusi, mida kasutatakse kasulikult üha arenenumates tehnilistes seadmetes.