В основі квантової механіки

Річард Фейнман, один із найбільших фізиків XNUMX століття, стверджував, що ключем до розуміння квантової механіки є «експеримент із двома щілинами». Цей концептуально простий експеримент, який проводиться сьогодні, продовжує приносити дивовижні відкриття. Вони показують, наскільки несумісна зі здоровим глуздом квантова механіка, яка, зрештою, призвела до найважливіших винаходів останніх п'ятдесяти років.

Вперше провів двощілинний експеримент. Томас Янг (1) в Англії на початку дев'ятнадцятого століття.

експеримент Янга

Експеримент був використаний, щоб показати, що світло має хвильову природу, а не корпускулярну, як стверджувалося раніше. Ісаак Ньютон. Янг просто продемонстрував, що світло підкоряється втручання - явище, що є найбільш характерною ознакою (незалежно від типу хвилі та середовища, в якому вона поширюється). Сьогодні квантова механіка примиряє обидва ці логічно суперечливі погляди.

Нагадаємо суть двощілинного експерименту. Як завжди, я маю на увазі хвилю на поверхні води, яка розповсюджується концентрично навколо місця, куди було кинуто камінчик. 

Хвиля утворена послідовними гребенями та западинами, що розходяться від місця обурення, зберігаючи при цьому постійну відстань між гребенями, яка називається довжиною хвилі. На шляху хвилі можна поставити перешкоду, наприклад, у вигляді дошки з двома вузькими прорізаними щілинами, через які може вільно текти вода. Кинувши у воду камінчик, хвиля зупиняється на перегородці, але не зовсім. Дві нові концентричні хвилі (2) тепер поширюються на інший бік перегородки з обох щілин. Вони накладаються один на одного або, як ми говоримо, заважають один одному, створюючи характерний малюнок на поверхні. У місцях, де гребінь однієї хвилі зустрічається з гребенем іншої, водна опуклість посилюється, а там, де лощина зустрічається з долиною, поглиблення заглиблюється.

2. Інтерференція хвиль, що виходять із двох щілин.

В експерименті Юнга однокольорове світло, що випромінюється точковим джерелом, проходить через непрозору діафрагму з двома прорізами і потрапляє на екран позаду них (сьогодні ми хотіли б використовувати лазерне світло та ПЗЗ-матрицю). На екрані спостерігається інтерференційне зображення світлової хвилі у вигляді низки світлих і темних смуг, що чергуються (3). Цей результат зміцнив віру в те, що світло є хвилею, до того, як відкриття на початку XNUMX століття показали, що світло також є хвилею. потік фотонів - Легкі частинки, що не мають маси спокою. Пізніше з'ясувалося, що таємничий корпускулярно-хвильовий дуалізмвиявлене першим для світла, також можна застосувати і до інших частинок, наділених масою. Незабаром він став основою нового квантово-механічного описи світу.

3. Бачення експерименту Янга

Частинки також заважають

1961 року Клаус Йонссон із Тюбінгенського університету продемонстрував інтерференцію масивних частинок — електронів за допомогою електронного мікроскопа. Десять років по тому троє італійських фізиків з Болонського університету провели аналогічний експеримент з одноелектронна інтерференція (з використанням так званої біпризми замість подвійної щілини). Вони зменшили інтенсивність електронного променя до такого низького значення, що електрони проходили через біпризму один за одним, один за одним. Ці електрони реєструвалися на флуоресцентному екрані.

Спочатку сліди електронів були розподілені на екрані хаотично, але з часом вони утворили чітке інтерференційне зображення інтерференційних смуг. Здається неможливим, щоб два електрони, послідовно проходячи через щілини в різний час, могли інтерферувати один з одним. Тому ми маємо визнати, що один електрон інтерферує сам із собою! Але тоді електрон мав би пройти через обидві щілини одночасно.

Може виникнути спокуса спостерігати за отвором, через який насправді пройшов електрон. Пізніше ми побачимо, як зробити це спостереження, не порушуючи руху електрона. Виходить, якщо ми отримаємо інформацію про те, що електрон прийняв, то інтерференція… зникне! Інформація «як» знищує перешкоди. Чи означає це, що присутність свідомого спостерігача впливає перебіг фізичного процесу?

Перш ніж розповісти про ще дивовижніші результати двощілинних експериментів, зроблю невеликий відступ про розміри об'єктів, що інтерферують. Квантова інтерференція масових об'єктів була виявлена ​​спочатку для електронів, потім для часток із зростаючою масою: нейтронів, протонів, атомів і, нарешті, великих хімічних молекул.

У 2011 році було побито рекорд розмірів об'єкта, на якому було продемонстровано явище квантової інтерференції. Експеримент проводився у Віденському університеті того часу докторантом. Сандра Айбенбергер та її соратників. Для експерименту з двома розривами було обрано складну органічну молекулу, що містить близько 5 протонів, 5 тис. нейтронів та 5 тис. електрони! У дуже складному експерименті спостерігалася квантова інтерференція цієї величезної молекули.

Це підтвердило переконання, що Законам квантової механіки підпорядковуються як елементарні частки, а й кожен матеріальний об'єкт. Тільки те, що складніший об'єкт, тим більше він взаємодіє з навколишнім середовищем, що порушує його тонкі квантові властивості та руйнує інтерференційні ефекти..

Квантова заплутаність та поляризація світла

Найдивовижніші результати експериментів з двома щілинами виявилися при використанні спеціального методу стеження за фотоном, який ніяк не порушував його руху. У цьому методі використовується одне з найдивніших квантових явищ, так зване квантова заплутаність. Це явище було помічено ще в 30-х роках одним із головних творців квантової механіки, Ервін Шредінгер.

Скептично налаштований Ейнштейн (див. також 🙂 називав їх примарною дією на відстані. Однак лише через півстоліття значення цього ефекту було усвідомлено, і сьогодні він став предметом особливого інтересу фізиків.

Про що цей ефект? Якщо дві частинки, що знаходяться близько один до одного в якийсь момент часу, настільки сильно взаємодіяли один з одним, що утворили свого роду «близнюкові відносини», то відносини зберігаються навіть тоді, коли частинки знаходяться на відстані сотень кілометрів одна від одної. Тоді частки поводяться як єдина система. Це означає, що коли ми чинимо дію над однією часткою, вона негайно впливає на іншу частинку. Однак таким чином ми не можемо передчасно передавати інформацію на відстань.

Фотон - це безмасова частка - елементарна частина світла, що є електромагнітною хвилею. Пройшовши через пластину з відповідного кристала (звану поляризатором), світло стає лінійно поляризованим, тобто. вектор електричного поля електромагнітної хвилі коливається у певній площині. У свою чергу, пропускаючи лінійно поляризоване світло через пластину певної товщини з іншого певного кристала (так звану чвертьхвильову пластину), його можна перетворити на циркулярно поляризоване світло, в якому вектор електричного поля рухається по гвинтовій (за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки) рух уздовж напрями поширення хвилі. Відповідно, можна говорити про лінійно або циркулярно поляризовані фотони.

Експерименти із заплутаними фотонами

4а. Нелінійний кристал BBO перетворює фотон, що випромінюється аргоновим лазером, у два заплутані фотони з удвічі меншою енергією та взаємно перпендикулярною поляризацією. Ці фотони розбігаються у різні боки і реєструються детекторами Д1 і Д2, з'єднаними лічильником збігів ЛК. По дорозі однієї з фотонів ставиться діафрагма з двома щілинами. Коли обидва детектори реєструють майже одночасний прихід обох фотонів, сигнал зберігається у пам'яті пристрою, а детектор D2 крокує паралельно щілинам. Кількість фотонів залежно від положення детектора D2, записане таким чином, показано у рамці, показує максимуми та мінімуми, що вказують на інтерференцію.

2001 року група бразильських фізиків у Белу-Орізонті виступила під керівництвом Стівен Волборн незвичайний експеримент. Його автори використовували властивості спеціального кристала (скорочено BBO), який перетворює певну частину фотонів, що випускаються аргоновим лазером, у два фотони з удвічі меншою енергією. Ці два фотони заплутані один з одним; коли один із них має, наприклад, горизонтальну поляризацію, інший – вертикальну поляризацію. Ці фотони рухаються у двох різних напрямках і виконують різні ролі в описуваному експерименті.

Один із фотонів ми збираємось назвати контроль, надходить безпосередньо на детектор фотонів D1 (4a). Детектор реєструє його прибуття, відправляючи електричний сигнал на пристрій, який називається лічильником збігів. LK На другому фотоне проводитиметься інтерференційний експеримент; ми назвемо його сигнальний фотон. На його шляху є подвійна щілина, за якою слідує другий детектор фотонів D2, трохи далі від джерела фотонів, ніж детектор D1. Цей детектор може стрибкоподібно змінювати своє положення щодо подвійного слота щоразу, коли отримує відповідний сигнал від лічильника збігів. Коли детектор D1 реєструє фотон, він надсилає сигнал на лічильник збігів. Якщо за мить детектор D2 теж зареєструє фотон і надішле сигнал на вимірювач, то він розпізнає, що він виходить від заплутаних фотонів, і цей факт буде збережено в пам'яті приладу. Така процедура унеможливлює реєстрацію випадкових фотонів, що потрапляють у детектор.

Заплутані фотони зберігаються 400 секунд. Після цього часу детектор Д2 зміщується на 1 мм по відношенню до положення щілин, і підрахунок заплутаних фотонів займає ще 400 секунд. Потім детектор знову переміщають на 1 мм і повторюють процедуру багато разів. Виявляється, що зареєстрований таким чином розподіл кількості фотонів залежно від положення детектора D2 має характерні максимуми та мінімуми, що відповідають світлим та темним та інтерференційним смугам в експерименті Юнга (4а).

Ми знову дізнаємось, що одиночні фотони, що проходять через подвійну щілину, інтерферують один з одним.

Яким чином?

Наступним кроком в експерименті було визначення отвору, через яке проходив конкретний фотон, не порушуючи його рух. Тут використовувалися властивості чвертьхвильова пластина. Перед кожною щілиною містилася чвертьхвильова пластинка, одна з яких змінювала лінійну поляризацію падає фотона на кругову за годинниковою стрілкою, а інша - на ліву кругову поляризацію (4б). Було перевірено, що тип поляризації фотонів не впливав на кількість фотонів, що підраховуються. Тепер, визначаючи поворот поляризації фотона після проходження ним щілин, можна вказати, через які їх пройшов фотон. Знання «у яку сторону» знищує перешкоди.

4б. Помістивши чвертьхвильові пластини (заштриховані прямокутники) перед щілинами, можна отримати інформацію про те, який шлях, і інтерференційне зображення зникне.

4 в. Розміщення відповідним чином орієнтованого поляризатора P перед детектором D1 стирає інформацію про те, який шлях, і відновлює інтерференцію.

фактично, після правильного розміщення чвертьхвильових пластин перед щілинами раніше спостерігається розподіл відліків, що свідчить про інтерференцію, зникає. Найдивніше, що це відбувається без участі свідомого спостерігача, який може зробити відповідні виміри! Просте розміщення чвертьхвильових пластин викликає ефект придушення інтерференції.. Тож звідки ж фотон знає, що після вставки пластин ми можемо визначити проміжок, через який він пройшов?

Однак це ще не кінець дивно. Тепер ми можемо відновити інтерференцію сигнальних фотонів, не впливаючи безпосередньо на неї. Для цього на шляху керуючого фотона, що досягає детектора D1, помістіть поляризатор таким чином, щоб він пропускав світло з поляризацією, що є комбінацією поляризацій обох заплутаних фотонів (4c). Це негайно належним чином змінює полярність сигнального фотона. Зараз уже не можна з упевненістю визначити, яка поляризація фотона, що падає на щілини, і через яку щілину фотон пройшов. І тут перешкоди відновлюються!

Стерти інформацію з відкладеним вибором

Наведені вище експерименти проводилися таким чином, що контрольний фотон реєструвався детектором D1 раніше, ніж сигнальний фотон досягав детектора D2. Стирання інформації "який шлях" було виконано шляхом зміни поляризації керуючого фотона до того, як сигнальний фотон досяг детектора D2. Тоді можна уявити, що керуючий фотон вже повідомив свого «близнюка», що робити далі: втручатися чи ні.

Тепер модифікуємо експеримент так, щоб контрольний фотон потрапляв на детектор D1 після реєстрації сигнального фотона на детекторі D2. Для цього відсуньте детектор D1 подалі від джерела фотонів. Інтерференційна картина виглядає як раніше. Тепер давайте помістимо чвертьхвильові пластини перед щілинами, щоб визначити, який шлях пройшов фотон. Інтерференційна картина зникає. Потім давайте зітремо інформацію про те, «який шлях», помістивши відповідним чином орієнтований поляризатор перед детектором D1. Знову з'являється інтерференційна картина! І все ж таки стирання було зроблено вже після того, як сигнальний фотон був зареєстрований детектором D2. Як це можливо? Фотон повинен був знати про зміну полярності до того, як будь-яка інформація про це могла його досягти.

5. Експерименти із лазерним променем.

Природна послідовність подій тут обернена; слідство передує причині! Цей результат підриває принцип причинності в навколишній дійсності. А може, час не має значення, коли йдеться про заплутані частки? Квантова заплутаність порушує принцип локальності, що діє у класичній фізиці, згідно з яким на об'єкт може впливати лише його безпосереднє оточення.

Після бразильського експерименту було проведено безліч подібних експериментів, які підтверджують представлені тут результати. Насамкінець читач хотів би ясно пояснити таємницю цих несподіваних явищ. На жаль, цього не можна зробити. Логіка квантової механіки відрізняється від логіки світу, який ми бачимо щодня. Ми повинні смиренно прийняти це і радіти з того, що закони квантової механіки точно описують явища, що відбуваються в мікросвіті, які з користю використовуються у більш досконалих технічних пристроях.