Основата на квантната механика

Ричард Фајнман, еден од најголемите физичари на 19 век, тврди дека клучот за разбирање на квантната механика е „експериментот со двојни пресеци“. Овој концептуално едноставен експеримент, спроведен денес, продолжува да дава неверојатни откритија. Тие покажуваат колку е некомпатибилна квантната механика со здравиот разум, што на крајот доведе до најважните пронајдоци во последните педесет години.

Спроведе експеримент со двоен пресек за прв пат. Томас Јанг (1) во Англија на почетокот на деветнаесеттиот век.

експеримент на Јанг

Експериментот беше искористен за да се покаже дека светлината е од бранова природа, а не од карактер на честички, како што се тврдеше претходно. Исак Newутн. Јанг едноставно покажа дека светлината се покорува интервенција - појава која е најкарактеристична карактеристика (без разлика на видот на бранот и медиумот во кој се шири). Денес, квантната механика ги усогласува и двете овие логички контрадикторни гледишта.

Да се ​​потсетиме на суштината на експериментот со двојни пресеци. Како и обично, мислам на бран на површината на водата што се движи концентрично околу местото каде што се фрла камче. 

Бран се формира од последователни гребени и корита што зрачат надвор од локацијата на нарушувањето, додека одржуваат константно растојание помеѓу врвовите, наречено бранова должина. На патеката на бранот, можете да ставите бариера, на пример, во форма на табла со два тесни процепи исечени низ кои водата може слободно да тече. Откако фрли камче во водата, бранот застанува на преградата - но не сосема. Два нови концентрични бранови (2) сега се шират на другата страна на преградата од двата процепи. Тие се преклопуваат едни со други или, како што велиме, се мешаат едни со други, создавајќи карактеристичен модел на површината. На места каде што сртот на еден бран се сретнува со врвот на друг, испакнатоста на водата се засилува, а каде што вдлабнатината се среќава со долината, депресијата се продлабочува.

2. Интерференција на бранови што излегуваат од два процепи.

Во експериментот на Јанг, светлината со една боја емитирана од точкаст извор минува низ непроѕирна дијафрагма со два процепи и удира во екранот зад нив (денес повеќе би сакале да користиме ласерска светлина и CCD). На екранот се забележува интерферентна слика на светлосен бран во форма на низа наизменични светли и темни ленти (3). Овој резултат го зајакна верувањето дека светлината е бран, пред откритијата во раните XNUMX-ти да покажат дека светлината е исто така бран. фотонски флукс – лесни честички кои немаат маса на мирување. Подоцна се покажа дека мистериозниот двојност бран-честичкаоткриено прво за светлина, исто така важи и за други честички обдарени со маса. Наскоро стана основа за нов квантен механички опис на светот.

3. Визијата на Јанг за експериментот

Се мешаат и честичките

Во 1961 година, Клаус Јонсон од Универзитетот во Тибинген ја покажа интерференцијата на масивни честички наречени електрони со помош на електронски микроскоп. Десет години подоцна, тројца италијански физичари од Универзитетот во Болоња спроведоа сличен експеримент со едноелектронско пречки (со користење на т.н. бипризма наместо двоен шлиц). Тие го намалија интензитетот на електронскиот зрак на толку мала вредност што електроните поминуваа низ бипризмата еден по еден, еден по друг. Овие електрони беа снимени на флуоресцентен екран.

Првично, електронските траги беа распределени по случаен избор низ екранот, но со текот на времето тие формираа јасна слика за пречки на рабовите на пречки. Се чини невозможно два електрони кои поминуваат последователно низ процепите во различно време да се мешаат еден со друг. Затоа мора да го признаеме тоа еден електрон се меша со себе! Но, тогаш електронот ќе мора да помине низ двата процепи во исто време.

Можеби е примамливо да се набљудува дупката низ која всушност поминал електронот. Подоцна ќе видиме како да го направиме ова набљудување без да го нарушиме движењето на електронот. Излегува дека ако добиеме информација дека електронот прифатил, тогаш интерференцијата... ќе исчезне! „Како“ информациите ги елиминираат пречките. Дали ова значи дека присуството на свесен набљудувач влијае на текот на физичкиот процес?

Пред да зборувам за уште поизненадувачките резултати од експериментите со двојни пресеци, ќе направам кратка дигресија за големината на предметите кои пречат. Квантната интерференција на масените објекти била откриена прво за електрони, потоа за честички со зголемена маса: неутрони, протони, атоми и на крајот за големи хемиски молекули.

Во 2011 година беше соборен рекордот за големина на објект што го демонстрираше феноменот на квантна интерференција. Експериментот беше спроведен на Универзитетот во Виена од страна на докторант во тоа време. Сандра Ајбенбергер и нејзините соработници. За експериментот со двојно прекинување, избрана е сложена органска молекула која содржи околу 5 протони, 5 илјади неутрони и 5 илјади електрони! Во многу сложен експеримент, забележана е квантна интерференција на оваа огромна молекула.

Ова го потврди верувањето дека Не само елементарните честички, туку и секој материјален објект е предмет на законите на квантната механика. Само што колку е покомплексен објектот, толку повеќе тој комуницира со неговата околина, што ги нарушува неговите суптилни квантни својства и ги уништува ефектите на пречки..

Квантно заплеткување и поларизација на светлината

Најизненадувачките резултати од експериментите со двојни пресеци дојдоа од употребата на специјален метод за следење на фотонот, кој на ниту еден начин не го нарушува неговото движење. Овој метод користи еден од најчудните квантни феномени, т.н квантно заплеткување. Овој феномен беше забележан уште во 30-тите од еден од главните креатори на квантната механика. Ервин Шредингер.

Скептичниот Ајнштајн (види исто така 🙂) ги нарече духовно дејство на далечина.Сепак, само половина век подоцна значењето на овој ефект беше согледано, а денес стана предмет на особен интерес за физичарите.

За што е овој ефект? Ако две честички кои биле блиску една до друга во еден момент во времето интеракција со едни со други толку силно што формирале еден вид „врска на близнаци“, тогаш врската важи дури и кога честичките се оддалечени стотици километри. Тогаш честичките се однесуваат како единствен систем. Тоа значи дека кога вршиме дејство на една честичка, тоа веднаш влијае на другата честичка. Меѓутоа, на овој начин не можеме ненавремено да пренесуваме информации на далечина.

Фотонот е честичка без маса - елементарен дел од светлината, што е електромагнетен бран. Поминувајќи низ плоча од соодветниот кристал (наречен поларизатор), светлината станува линеарно поларизирана, т.е. векторот на електричното поле на електромагнетниот бран осцилира во одредена рамнина. За возврат, со поминување на линеарно поларизирана светлина низ плоча со одредена дебелина од друг специфичен кристал (т.н. плоча со четвртина бранови), таа може да се претвори во кружно поларизирана светлина, во која векторот на електричното поле се движи спирално ( во насока на стрелките на часовникот или спротивно од стрелките на часовникот) движење долж насоката на ширење на бранот. Според тоа, можеме да зборуваме за линеарно или кружно поларизирани фотони.

Експерименти со заплеткани фотони

4а. Нелинеарниот BBO кристал конвертира фотон емитиран од аргонски ласер во два заплеткани фотони со половина од енергијата и меѓусебно нормална поларизација. Овие фотони се расејуваат во различни насоки и се снимаат со детектори D1 и D2, поврзани со бројач на случајност LC. На патеката на еден од фотоните е поставена дијафрагма со два процепи. Кога двата детектори ќе детектираат речиси истовремено пристигнување на двата фотони, сигналот се складира во меморијата на уредот, а детекторот D2 се движи паралелно со процепите. Бројот на фотони во функција на позицијата на детекторот D2 снимен на овој начин е прикажан во полето, покажувајќи ги максималните и минималните што укажуваат на пречки.

Во 2001 година, предводеше група бразилски физичари во Бело Хоризонте Стивен Волбурн необичен експеримент. Неговите автори користеле својства на специјален кристал (скратено BBO), кој конвертира одреден дел од фотоните емитирани од аргонскиот ласер во два фотони со половина од енергијата. Овие два фотони се заплеткани еден со друг; кога еден од нив има, на пример, хоризонтална поларизација, другиот има вертикална поларизација. Овие фотони се движат во две различни насоки и играат различни улоги во експериментот што се опишува.

Еден од фотоните што ќе го повикаме контрола, оди директно до фотонскиот детектор D1 (4а). Детекторот го регистрира неговото пристигнување со испраќање електричен сигнал до уред наречен бројач на случајност. LK Ќе се изврши експеримент со интерференција на вториот фотон; ќе му се јавиме сигнален фотон. На неговиот пат има двоен процеп проследен со втор фотонски детектор D2, малку подалеку од изворот на фотонот од детекторот D1. Овој детектор може да ја прескокне својата позиција во однос на двојниот отвор секогаш кога ќе прими соодветен сигнал од бројачот на случајност. Кога детекторот D1 детектира фотон, тој испраќа сигнал до бројачот на случајност. Ако, момент подоцна, детекторот D2 исто така детектира фотон и испрати сигнал до мерачот, ќе препознае дека доаѓа од заплеткани фотони и овој факт ќе биде зачуван во меморијата на уредот. Оваа постапка ја елиминира регистрацијата на случајни фотони кои влегуваат во детекторот.

Заплетканите фотони опстојуваат 400 секунди. По ова време, детекторот D2 се поместува за 1 mm во однос на положбата на процепите, а броењето на заплетканите фотони трае уште 400 секунди. Детекторот потоа повторно се поместува за 1 mm и постапката се повторува многу пати. Излегува дека распределбата на бројот на фотони снимени на овој начин во зависност од положбата на детекторот D2 има карактеристични максимални и минимуми што одговараат на светлината и темнината и интерферентните рабови во експериментот на Јанг (4а).

Тоа повторно ќе го дознаеме единечните фотони кои минуваат низ двојниот процеп се мешаат едни со други.

Како тоа?

Следниот чекор во експериментот беше да се одреди дупката низ која ќе помине одреден фотон без да го наруши неговото движење. Својства што се користат овде четвртина бранова плоча. Плоча со четвртина бран беше поставена пред секој процеп, од кои едната ја промени линеарната поларизација на упадниот фотон во кружна поларизација во насока на стрелките на часовникот, а другата во кружна поларизација на левата страна (4б). Беше потврдено дека типот на поларизација на фотоните не влијаеше на бројот на изброени фотони. Сега, со одредување на ротацијата на поларизацијата на фотонот откако ќе помине низ процепите, можеме да означиме низ кој од нив поминал фотонот. Знаењето „во која насока“ го елиминира мешањето.

4б. Со поставување на четврт-бранови плочи (засенчени правоаголници) пред процепите, може да се добијат информации за „која патека“ и сликата на пречки ќе исчезне.

4в. Со поставување на соодветно ориентиран поларизатор P пред детекторот D1 се бришат информациите за „која патека“ и се враќаат пречките.

Всушност, Откако четврт-брановите плочи се правилно поставени пред процепите, исчезнува претходно набљудуваната дистрибуција на бројот што укажува на пречки. Најчудно е што тоа се случува без учество на свесен набљудувач кој може да ги направи соодветните мерења! Едноставното поставување на четврт-бранови плочи произведува ефект на потиснување на пречки.. Па, како знае фотонот дека по вметнувањето на плочите, можеме да ја одредиме празнината низ која поминал?

Сепак, тука не е крајот на чудноста. Сега можеме да ја реконструираме сигналната фотонска интерференција без директно да влијаеме на неа. За да го направите ова, поставете поларизатор на патеката на контролниот фотон што допира до детекторот D1, така што тој ја пренесува светлината со поларизација што е комбинација од поларизациите на двата заплеткани фотони (4c). Ова веднаш соодветно го менува поларитетот на сигналниот фотон. Сега веќе не е можно со сигурност да се утврди каква е поларизацијата на фотон инцидент на процепите и низ кој процеп поминал фотонот. Во овој случај, пречките се враќаат!

Избришете ги информациите за одложен избор

Експериментите опишани погоре беа спроведени на таков начин што контролниот фотон беше откриен од детекторот D1 пред сигналниот фотон да стигне до детекторот D2. Бришењето на информациите „на која страна“ беше постигнато со промена на поларизацијата на погонскиот фотон пред сигналниот фотон да стигне до детекторот D2. Тогаш може да се замисли дека контролниот фотон веќе му кажал на својот „близнак“ што да прави следно: да интервенира или не.

Сега го модифицираме експериментот на таков начин што контролниот фотон ќе го погоди детекторот D1 откако ќе го регистрира сигналниот фотон во детекторот D2. За да го направите ова, поместете го детекторот D1 подалеку од изворот на фотонот. Моделот на пречки изгледа исто. Сега, ајде да поставиме четврт-бранови плочи пред процепите за да одредиме кој пат го поминал фотонот. Моделот на пречки исчезнува. Следно, ајде да ги избришеме информациите „на која страна“ со поставување соодветно ориентиран поларизатор пред детекторот D1. Шемата за пречки се појавува повторно! Сепак, бришењето беше направено откако сигналниот фотон беше откриен од детекторот D2. Како е ова можно? Фотонот мораше да биде свесен за промената на поларитетот пред да дојде до него каква било информација за него.

5. Експерименти со ласерски зрак.

Природната низа на настани овде е обратна; ефектот претходи на причината! Овој резултат го поткопува принципот на каузалност во реалноста околу нас. Или можеби времето не е важно кога станува збор за заплетканите честички? Квантното заплеткување го нарушува принципот на локалитет, кој се применува во класичната физика, според кој на објектот може да влијае само неговата непосредна околина.

Од бразилскиот експеримент, направени се многу слични експерименти, кои целосно ги потврдуваат резултатите презентирани овде. На крајот, читателот би сакал јасно да ја објасни мистеријата на овие неочекувани појави. За жал, тоа не може да се направи. Логиката на квантната механика е различна од логиката на светот што го гледаме секој ден. Мораме понизно да го прифатиме ова и да се радуваме на фактот што законите на квантната механика точно ги опишуваат феномените што се случуваат во микрокосмосот, а кои корисно се користат во сè понапредните технички уреди.