В основата на квантовата механика

Ричард Файнман, един от най-великите физици на XNUMX-ти век, твърди, че ключът към разбирането на квантовата механика е „експериментът с двоен процеп“. Този концептуално прост експеримент, проведен днес, продължава да дава невероятни открития. Те показват колко несъвместима със здравия разум е квантовата механика, която в крайна сметка доведе до най-важните изобретения през последните петдесет години.

За първи път той провежда експеримент с двоен процеп. Томас Йънг (1) в Англия в началото на деветнадесети век.

Експериментът на Янг

Експериментът беше използван, за да се покаже, че светлината има вълнова природа, а не корпускулярна, както беше посочено по-горе. Исак Нютон. Йънг просто демонстрира, че светлината се подчинява интервенция - явление, което е най-характерната особеност (независимо от вида на вълната и средата, в която се разпространява). Днес квантовата механика примирява тези две логически противоречиви гледни точки.

Нека си припомним същността на експеримента с двоен процеп. Както обикновено, имам предвид вълна на повърхността на водата, която се разпространява концентрично около мястото, където е хвърлено камъчето. 

Вълна се образува от последователни гребени и вдлъбнатини, излъчващи се от точката на смущение, като същевременно се поддържа постоянно разстояние между гребените, което се нарича дължина на вълната. По пътя на вълната може да се постави бариера, например под формата на дъска с два тесни прореза, през които водата може да тече свободно. Хвърляйки камъче във водата, вълната спира на преградата - но не съвсем. Две нови концентрични вълни (2) вече се разпространяват от другата страна на преградата от двата слота. Те се наслагват един върху друг или, както казваме, пречат един на друг, създавайки характерен модел на повърхността. На места, където гребена на една вълна се среща с гребена на друга, водната издутина се усилва, а където хралупата се среща с долината, депресията се задълбочава.

2. Интерференция на вълни, излизащи от два слота.

В експеримента на Йънг едноцветната светлина, излъчвана от точков източник, преминава през непрозрачна диафрагма с два процепа и удря екрана зад тях (днес бихме предпочели да използваме лазерна светлина и CCD). На екрана се наблюдава интерференционно изображение на светлинна вълна под формата на поредица от редуващи се светли и тъмни ивици (3). Този резултат затвърди вярата, че светлината е вълна, преди откритията в началото на XNUMX-те да покажат, че светлината също е вълна. фотонен поток са леки частици, които нямат маса в покой. По-късно се оказа, че мистериозното дуалност вълна-частицаза първи път открит за светлина, се отнася и за други частици, надарени с маса. Скоро се превърна в основа за ново квантово механично описание на света.

3. Визия за експеримента на Йънг

Частиците също пречат

През 1961 г. Клаус Йонсон от университета в Тюбинген демонстрира интерференцията на масивни частици – електрони с помощта на електронен микроскоп. Десет години по-късно трима италиански физици от университета в Болоня извършват подобен експеримент с единична електронна интерференция (използвайки така наречената бипризма вместо двоен процеп). Те намалиха интензитета на електронния лъч до толкова ниска стойност, че електроните преминаваха през бипризмата един след друг, един след друг. Тези електрони бяха регистрирани на флуоресцентен екран.

Първоначално следите на електроните бяха разпределени на случаен принцип по екрана, но с течение на времето те образуваха отчетливо интерференционно изображение на интерференционните ресни. Изглежда невъзможно два електрона, преминаващи последователно през процепите в различно време, да си пречат един на друг. Затова трябва да признаем това един електрон се намесва в себе си! Но тогава електронът ще трябва да премине през двата процепа едновременно.

Може да е изкушаващо да погледнем дупката, през която всъщност е минал електронът. По-късно ще видим как да направим такова наблюдение, без да нарушаваме движението на електрона. Оказва се, че ако получим информация какво е получил електронът, тогава интерференцията... ще изчезне! Информацията „как“ унищожава смущенията. Това означава ли, че присъствието на съзнателен наблюдател влияе върху хода на физическия процес?

Преди да говоря за още по-изненадващите резултати от експерименти с двоен процеп, ще направя малко отклонение относно размерите на пречещите обекти. Квантовата интерференция на обекти с маса е открита първо за електрони, след това за частици с нарастваща маса: неутрони, протони, атоми и накрая за големи химически молекули.

През 2011 г. е счупен рекордът за размера на обект, на който е демонстриран феноменът квантова интерференция. Експериментът е проведен във Виенския университет от докторант от онова време. Сандра Айбенбергер и нейните сътрудници. За експеримента с две прекъсвания е избрана сложна органична молекула, съдържаща около 5 протона, 5 хиляди неутрона и 5 хиляди електрона! В един много сложен експеримент е наблюдавана квантовата интерференция на тази огромна молекула.

Това потвърди убеждението, че Законите на квантовата механика се подчиняват не само на елементарните частици, но и на всеки материален обект. Само че колкото по-сложен е обектът, толкова повече той взаимодейства с околната среда, което нарушава фините му квантови свойства и унищожава ефектите на интерференцията..

Квантово заплитане и поляризация на светлината

Най-изненадващите резултати от експериментите с двоен процеп идват от използването на специален метод за проследяване на фотона, който по никакъв начин не нарушава неговото движение. Този метод използва едно от най-странните квантови явления, т.нар квантово заплитане. Това явление е забелязано още през 30-те години от един от основните създатели на квантовата механика, Ервин Шрьодингер.

Скептичният Айнщайн (виж също 🙂 ги нарече призрачно действие от разстояние. Само половин век по-късно обаче значението на този ефект е осъзнато и днес той се превърна в обект на особен интерес за физиците.

За какво е този ефект? Ако две частици, които са близо една до друга в даден момент от време, взаимодействат толкова силно помежду си, че образуват един вид „близнаци“, тогава връзката продължава дори когато частиците са на стотици километри една от друга. Тогава частиците се държат като единна система. Това означава, че когато извършим действие върху една частица, то незабавно засяга друга частица. По този начин обаче не можем да предаваме безвремино информация на разстояние.

Фотонът е безмасова частица - елементарна част от светлината, която е електромагнитна вълна. След преминаване през плоча от съответния кристал (наречен поляризатор), светлината става линейно поляризирана, т.е. векторът на електрическото поле на електромагнитната вълна осцилира в определена равнина. От своя страна, чрез преминаване на линейно поляризирана светлина през плоча с определена дебелина от друг конкретен кристал (т.нар. четвъртвълнова плоча), тя може да бъде превърната в кръгово поляризирана светлина, в която векторът на електрическото поле се движи по спираловидна ( по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка) движение по посока на разпространение на вълната. Съответно може да се говори за линейно или кръгово поляризирани фотони.

Експерименти със заплетени фотони

4а. Нелинеен BBO кристал преобразува фотон, излъчван от аргонов лазер, в два заплетени фотона с половината енергия и взаимно перпендикулярна поляризация. Тези фотони се разпръскват в различни посоки и се записват от детектори D1 и D2, свързани с брояч на съвпаденията LK.На пътя на един от фотоните е поставена диафрагма с два процепа. Когато и двата детектора регистрират почти едновременното пристигане на двата фотона, сигналът се съхранява в паметта на устройството, а детекторът D2 стъпва успоредно на процепите. Броят на фотоните в зависимост от позицията на детектора D2, записан по този начин, е показан в полето, показвайки максимумите и минимумите, показващи смущения.

През 2001 г. група бразилски физици в Бело Оризонти изпълняват под ръководството на Стивън Уолборн необичаен експеримент. Неговите автори са използвали свойствата на специален кристал (съкратено BBO), който преобразува определена част от фотоните, излъчени от аргонов лазер, в два фотона с половината от енергията. Тези два фотона са заплетени един в друг; когато единият от тях има например хоризонтална поляризация, другият има вертикална поляризация. Тези фотони се движат в две различни посоки и играят различни роли в описания експеримент.

Един от фотоните, които ще назовем контрол, отива директно към фотонен детектор D1 (4a). Детекторът регистрира пристигането си, като изпраща електрически сигнал към устройство, наречено брояч на ударите. LK На втория фотон ще се проведе интерференционен експеримент; ще му се обадим сигнален фотон. По пътя му има двоен процеп, последван от втори фотонен детектор, D2, малко по-далеч от източника на фотони, отколкото детектор D1. Този детектор може да скача около двойния слот всеки път, когато получи подходящия сигнал от брояча на ударите. Когато детектор D1 регистрира фотон, той изпраща сигнал към брояча на съвпаденията. Ако след миг детектор D2 също регистрира фотон и изпрати сигнал към измервателния уред, тогава той ще разпознае, че идва от заплетени фотони и този факт ще бъде съхранен в паметта на устройството. Тази процедура изключва регистрирането на произволни фотони, влизащи в детектора.

Заплетените фотони се запазват за 400 секунди. След това време детекторът D2 се измества с 1 mm спрямо позицията на процепите и преброяването на заплетените фотони отнема още 400 секунди. След това детекторът отново се премества с 1 mm и процедурата се повтаря многократно. Оказва се, че разпределението на броя на фотоните, записани по този начин в зависимост от позицията на детектора D2, има характерни максимуми и минимуми, съответстващи на светлината и тъмната и интерференционните ресни в експеримента на Young (4a).

Отново го установяваме единични фотони, преминаващи през двойния процеп, си пречат един на друг.

Как така?

Следващата стъпка в експеримента беше да се определи дупката, през която е минал определен фотон, без да се нарушава движението му. Свойства, използвани тук четвърт вълнова плоча. Четвъртвълнова плоча беше поставена пред всеки процеп, едната от които промени линейната поляризация на падащия фотон на кръгова по посока на часовниковата стрелка, а другата на лява кръгова поляризация (4b). Беше потвърдено, че видът на поляризацията на фотоните не влияе на броя на преброените фотони. Сега, като се определи въртенето на поляризацията на фотон, след като е преминал през процепите, е възможно да се посочи през коя от тях е минал фотонът. Знаейки „в коя посока“ унищожава смущенията.

4б. Поставяйки четвъртвълнови плочи (защриховани правоъгълници) пред процепите, може да се получи информация "по кой път" и интерференционното изображение ще изчезне.

4в. Поставянето на подходящо ориентиран поляризатор P пред детектор D1 изтрива информацията "по кой път" и възстановява смущенията.

Всъщност, след правилно поставяне на четвъртвълновите плочи пред процепите, наблюдаваното по-рано разпределение на броя, което показва интерференция, изчезва. Най-странното е, че това се случва без участието на съзнателен наблюдател, който може да направи съответните измервания! Самото поставяне на четвъртвълнови плочи произвежда ефект на премахване на смущенията.. И така, как фотонът знае, че след като поставим плочите, можем да определим пролуката, през която е минал?

Това обаче не е краят на странностите. Сега можем да възстановим смущенията на сигналните фотони, без да ги засягаме директно. За да направите това, по пътя на контролния фотон, достигащ детектор D1, поставете поляризатор по такъв начин, че да предава светлина с поляризация, която е комбинация от поляризациите на двата заплетени фотона (4c). Това незабавно променя съответно полярността на сигналния фотон. Сега вече не е възможно да се определи със сигурност каква е поляризацията на фотон, падащ върху процепите, и през кой процеп е минал фотонът. В този случай смущенията се възстановяват!

Изтриване на информация за отложен избор

Описаните по-горе експерименти бяха проведени по такъв начин, че контролният фотон беше регистриран от детектор D1, преди сигналният фотон да достигне детектор D2. Изтриването на информацията "кой път" беше извършено чрез промяна на поляризацията на контролния фотон, преди сигналният фотон да достигне детектор D2. Тогава човек може да си представи, че управляващият фотон вече е казал на своя "близнак" какво да прави по-нататък: да се намеси или не.

Сега модифицираме експеримента по такъв начин, че контролният фотон да удари детектор D1, след като сигналният фотон е регистриран в детектор D2. За да направите това, преместете детектор D1 далеч от източника на фотони. Моделът на интерференция изглежда същият като преди. Сега нека поставим плочи с четвърт вълна пред процепите, за да определим кой път е поел фотонът. Моделът на интерференция изчезва. След това нека изтрием информацията "по кой път", като поставим подходящо ориентиран поляризатор пред детектор D1. Моделът на смущения се появява отново! И все пак изтриването е извършено, след като сигналният фотон е регистриран от детектор D2. Как е възможно? Фотонът трябваше да е наясно с промяната на полярността, преди каквато и да е информация за него да достигне до него.

5. Експерименти с лазерен лъч.

Тук естествената последователност на събитията е обърната; следствието предхожда причината! Този резултат подкопава принципа на причинно-следствената връзка в реалността около нас. Или може би времето няма значение, когато става дума за заплетени частици? Квантовото заплитане нарушава принципа на локалност в класическата физика, според който обект може да бъде засегнат само от непосредствената му среда.

След бразилския експеримент са проведени много подобни експерименти, които напълно потвърждават резултатите, представени тук. В крайна сметка читателят би искал ясно да обясни мистерията на тези неочаквани явления. За съжаление това не може да се направи. Логиката на квантовата механика е различна от логиката на света, който виждаме всеки ден. Трябва смирено да приемем това и да се радваме на факта, че законите на квантовата механика описват точно явленията, случващи се в микрокосмоса, които се използват полезно във все по-напреднали технически устройства.