Sa puso ng quantum mechanics

Richard Feynman, isa sa mga pinakadakilang physicist ng ika-XNUMX siglo, ay nagtalo na ang susi sa pag-unawa sa quantum mechanics ay ang "double slit experiment". Ang konseptong simpleng eksperimentong ito, na isinasagawa ngayon, ay patuloy na nagbubunga ng mga kamangha-manghang pagtuklas. Ipinakita nila kung gaano hindi katugma sa sentido komun ang mga mekanika ng quantum, na sa kalaunan ay humantong sa pinakamahalagang imbensyon sa nakalipas na limampung taon.

Sa unang pagkakataon nagsagawa siya ng double-slit experiment. Thomas Young (1) sa England noong unang bahagi ng ikalabinsiyam na siglo.

Eksperimento ni Young

Ginamit ang eksperimento upang ipakita na ang liwanag ay likas na alon at hindi corpuscular, gaya ng naunang sinabi. Isaac Newton. Ipinakita lang ni Young na sumusunod si liwanag pakikialam - isang kababalaghan na ang pinaka-katangian na katangian (anuman ang uri ng alon at ang daluyan kung saan ito lumalaganap). Ngayon, pinagkasundo ng quantum mechanics ang dalawang lohikal na magkasalungat na pananaw na ito.

Alalahanin natin ang kakanyahan ng double-slit na eksperimento. Gaya ng dati, ang ibig kong sabihin ay isang alon sa ibabaw ng tubig na kumakalat sa paligid ng lugar kung saan itinapon ang pebble. 

Ang isang alon ay nabuo sa pamamagitan ng sunud-sunod na mga crest at trough na nagmumula sa punto ng kaguluhan, habang pinapanatili ang isang pare-parehong distansya sa pagitan ng mga crest, na tinatawag na wavelength. Ang isang hadlang ay maaaring ilagay sa landas ng alon, halimbawa, sa anyo ng isang board na may dalawang makitid na mga puwang na pinutol kung saan ang tubig ay malayang dumaloy. Ang paghagis ng isang maliit na bato sa tubig, ang alon ay huminto sa partisyon - ngunit hindi lubos. Dalawang bagong concentric wave (2) ang kumakalat na ngayon sa kabilang panig ng partition mula sa magkabilang puwang. Ang mga ito ay superimposed sa bawat isa, o, tulad ng sinasabi namin, makagambala sa bawat isa, na lumilikha ng isang katangian na pattern sa ibabaw. Sa mga lugar kung saan ang taluktok ng isang alon ay nakakatugon sa taluktok ng isa pa, ang bulge ng tubig ay tumitindi, at kung saan ang guwang ay nakakatugon sa lambak, ang depresyon ay lumalalim.

2. Interference ng mga alon na lumalabas mula sa dalawang puwang.

Sa eksperimento ni Young, ang solong kulay na liwanag na ibinubuga mula sa isang point source ay dumadaan sa isang opaque na diaphragm na may dalawang slits at tumama sa screen sa likod ng mga ito (ngayon ay mas gusto naming gumamit ng laser light at isang CCD). Ang isang interference na imahe ng isang light wave ay sinusunod sa screen sa anyo ng isang serye ng mga alternating light at dark stripes (3). Ang resultang ito ay nagpatibay sa paniniwala na ang liwanag ay isang alon, bago ang mga pagtuklas noong unang bahagi ng XNUMXs ay nagpakita na ang liwanag ay isang alon din. flux ng photon ay mga light particle na walang rest mass. Mamaya ito pala ang misteryoso wave-particle dualityunang natuklasan para sa liwanag ay nalalapat din sa iba pang mga particle na pinagkalooban ng masa. Sa lalong madaling panahon ito ay naging batayan para sa isang bagong quantum mechanical na paglalarawan ng mundo.

3. Pananaw ng eksperimento ni Young

Nakakasagabal din ang mga particle

Noong 1961, ipinakita ni Klaus Jonsson mula sa Unibersidad ng Tübingen ang interference ng napakalaking particle - mga electron gamit ang electron microscope. Pagkalipas ng sampung taon, tatlong Italyano na pisiko mula sa Unibersidad ng Bologna ang nagsagawa ng katulad na eksperimento sa single-electron interference (gamit ang tinatawag na biprism sa halip na double slit). Binawasan nila ang intensity ng electron beam sa mababang halaga na ang mga electron ay dumaan sa biprism nang sunud-sunod, isa-isa. Ang mga electron na ito ay nakarehistro sa isang fluorescent screen.

Sa una, ang mga electron trail ay random na ipinamahagi sa ibabaw ng screen, ngunit sa paglipas ng panahon sila ay bumuo ng isang natatanging interference na imahe ng interference fringes. Mukhang imposible na ang dalawang electron na dumadaan sa mga slits na magkakasunod sa magkaibang oras ay maaaring makagambala sa isa't isa. Samakatuwid, dapat nating kilalanin iyon ang isang elektron ay nakakasagabal sa sarili nito! Ngunit pagkatapos ay ang electron ay kailangang dumaan sa parehong mga slits sa parehong oras.

Maaaring nakatutukso na tingnan ang butas kung saan aktwal na dumaan ang elektron. Mamaya makikita natin kung paano gumawa ng ganoong obserbasyon nang hindi nakakagambala sa paggalaw ng elektron. Ito ay lumalabas na kung makakakuha tayo ng impormasyon tungkol sa kung ano ang natanggap ng elektron, kung gayon ang pagkagambala ... ay mawawala! Ang "paano" na impormasyon ay sumisira sa pagkagambala. Nangangahulugan ba ito na ang pagkakaroon ng isang may malay na tagamasid ay nakakaimpluwensya sa takbo ng pisikal na proseso?

Bago pag-usapan ang tungkol sa mas nakakagulat na mga resulta ng double-slit na mga eksperimento, gagawa ako ng isang maliit na digression tungkol sa mga sukat ng mga nakakasagabal na bagay. Ang quantum interference ng mga mass object ay unang natuklasan para sa mga electron, pagkatapos ay para sa mga particle na may pagtaas ng masa: neutrons, protons, atoms, at panghuli para sa malalaking molekula ng kemikal.

Noong 2011, nasira ang rekord para sa laki ng isang bagay, kung saan ipinakita ang phenomenon ng quantum interference. Ang eksperimento ay isinagawa sa Unibersidad ng Vienna ng isang mag-aaral ng doktor noong panahong iyon. Sandra Eibenberger at ang kanyang mga kasama. Ang isang kumplikadong organikong molekula na naglalaman ng mga 5 proton, 5 libong neutron at 5 libong mga electron ay pinili para sa eksperimento na may dalawang pahinga! Sa isang napaka-komplikadong eksperimento, naobserbahan ang quantum interference ng malaking molekulang ito.

Kinumpirma nito ang paniniwala na Ang mga batas ng quantum mechanics ay sumusunod hindi lamang sa elementarya, kundi pati na rin sa bawat materyal na bagay. Lamang na mas kumplikado ang bagay, mas nakikipag-ugnayan ito sa kapaligiran, na lumalabag sa mga banayad na katangian ng kabuuan nito at sumisira sa mga epekto ng interference..

Quantum entanglement at polarization ng liwanag

Ang pinakanakakagulat na mga resulta ng double-slit na mga eksperimento ay nagmula sa paggamit ng isang espesyal na paraan ng pagsubaybay sa photon, na hindi nakakagambala sa paggalaw nito sa anumang paraan. Ang pamamaraang ito ay gumagamit ng isa sa mga kakaibang quantum phenomena, ang tinatawag na quantum entanglement. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay napansin noong 30s ng isa sa mga pangunahing tagalikha ng quantum mechanics, Erwin Schrödinger.

Ang may pag-aalinlangan na si Einstein (tingnan din ang 🙂 ay tinawag silang makamulto na pagkilos sa malayo. Gayunpaman, kalahating siglo lamang ang lumipas ang kahalagahan ng epektong ito ay natanto, at ngayon ito ay naging paksa ng espesyal na interes sa mga pisiko.

Tungkol saan ang epektong ito? Kung ang dalawang particle na malapit sa isa't isa sa isang punto ng oras ay nakikipag-ugnayan nang malakas sa isa't isa na bumubuo sila ng isang uri ng "kambal na relasyon," kung gayon ang relasyon ay nagpapatuloy kahit na ang mga particle ay daan-daang kilometro ang pagitan. Pagkatapos ang mga particle ay kumikilos bilang isang solong sistema. Nangangahulugan ito na kapag nagsagawa tayo ng aksyon sa isang particle, agad itong nakakaapekto sa isa pang particle. Gayunpaman, sa ganitong paraan hindi tayo makakapagpadala ng impormasyon nang walang oras sa malayo.

Ang photon ay isang massless particle - isang elementarya na bahagi ng liwanag, na isang electromagnetic wave. Matapos dumaan sa isang plato ng kaukulang kristal (tinatawag na polarizer), ang ilaw ay nagiging linearly polarized, i.e. ang electric field vector ng isang electromagnetic wave ay nag-o-oscillate sa isang tiyak na eroplano. Sa turn, sa pamamagitan ng pagpasa ng linearly polarized na ilaw sa pamamagitan ng isang plato ng isang tiyak na kapal mula sa isa pang partikular na kristal (ang tinatawag na quarter-wave plate), maaari itong ma-convert sa circularly polarized light, kung saan ang electric field vector ay gumagalaw sa isang helical ( clockwise o counterclockwise) na paggalaw sa direksyon ng pagpapalaganap ng alon. Alinsunod dito, ang isa ay maaaring magsalita ng linearly o circularly polarized photon.

Mga eksperimento sa mga naka-entangled photon

4a. Ang isang non-linear na kristal na BBO ay nagko-convert ng isang photon na ibinubuga ng isang argon laser sa dalawang gusot na mga photon na may kalahati ng enerhiya at mutually perpendicular polarization. Nakakalat ang mga photon na ito sa iba't ibang direksyon at nirerehistro ng mga detector D1 at D2, na konektado sa pamamagitan ng coincidence counter LK. Ang isang diaphragm na may dalawang slits ay inilalagay sa landas ng isa sa mga photon. Kapag ang parehong mga detektor ay nagrehistro ng halos sabay-sabay na pagdating ng parehong mga photon, ang signal ay naka-imbak sa memorya ng aparato, at ang detector D2 hakbang parallel sa slits. Ang bilang ng mga photon depende sa posisyon ng detector D2, kaya naitala, ay ipinapakita sa kahon, na nagpapakita ng maxima at minima, na nagpapahiwatig ng interference.

Noong 2001, isang grupo ng mga Brazilian physicist sa Belo Horizonte ang gumanap sa ilalim ng gabay ng Stephen Walborn hindi pangkaraniwang eksperimento. Ginamit ng mga may-akda nito ang mga katangian ng isang espesyal na kristal (pinaikling BBO), na nagko-convert ng isang tiyak na bahagi ng mga photon na ibinubuga ng isang argon laser sa dalawang photon na may kalahati ng enerhiya. Ang dalawang photon na ito ay nakakabit sa isa't isa; kapag ang isa sa kanila ay may, halimbawa, pahalang na polariseysyon, ang isa naman ay may patayong polariseysyon. Ang mga photon na ito ay gumagalaw sa dalawang magkaibang direksyon at gumaganap ng magkaibang mga tungkulin sa inilarawang eksperimento.

Isa sa mga photon na ating papangalanan kontrol, direktang pumupunta sa photon detector D1 (4a). Nirerehistro ng detector ang pagdating nito sa pamamagitan ng pagpapadala ng electrical signal sa isang device na tinatawag na hit counter. LK Ang isang interference experiment ay isasagawa sa pangalawang photon; tatawagan natin siya signal photon. May double slit sa landas nito, na sinusundan ng pangalawang photon detector, D2, bahagyang mas malayo sa photon source kaysa sa detector D1. Ang detektor na ito ay maaaring lumukso sa paligid ng dalawahang puwang sa tuwing makakatanggap ito ng naaangkop na signal mula sa hit counter. Kapag nagrerehistro ang detector D1 ng photon, nagpapadala ito ng signal sa coincidence counter. Kung sa isang sandali ang detector D2 ay nagrerehistro din ng isang photon at nagpapadala ng isang senyas sa metro, pagkatapos ay makikilala nito na ito ay nagmula sa mga gusot na photon, at ang katotohanang ito ay maiimbak sa memorya ng aparato. Ang pamamaraang ito ay hindi kasama ang pagpaparehistro ng mga random na photon na pumapasok sa detector.

Nananatili ang mga nakagapos na photon sa loob ng 400 segundo. Pagkatapos ng oras na ito, ang detektor na D2 ay inilipat ng 1 mm na may paggalang sa posisyon ng mga slits, at ang pagbibilang ng mga entangled photon ay tumatagal ng isa pang 400 segundo. Pagkatapos ang detektor ay muling inilipat ng 1 mm at ang pamamaraan ay paulit-ulit nang maraming beses. Lumalabas na ang pamamahagi ng bilang ng mga photon na naitala sa ganitong paraan depende sa posisyon ng detector D2 ay may katangian na maxima at minima na tumutugma sa liwanag at dilim at interference fringes sa eksperimento ni Young (4a).

Malalaman na naman natin yan Ang mga solong photon na dumadaan sa double slit ay nakakasagabal sa isa't isa.

Paano kaya?

Ang susunod na hakbang sa eksperimento ay upang matukoy ang butas kung saan dumaan ang isang partikular na photon nang hindi nakakagambala sa paggalaw nito. Mga property na ginamit dito quarter wave plate. Ang isang quarter-wave plate ay inilagay sa harap ng bawat slit, kung saan binago ng isa ang linear polarization ng photon ng insidente sa pabilog na clockwise, at ang isa sa kaliwang pabilog na polarization (4b). Na-verify na ang uri ng polarization ng photon ay hindi nakakaapekto sa bilang ng mga photon na binibilang. Ngayon, sa pamamagitan ng pagtukoy sa pag-ikot ng polarization ng photon pagkatapos nitong dumaan sa mga slits, posibleng ipahiwatig kung alin sa kanila ang lumipas ang photon. Ang pag-alam sa "kung saang direksyon" ay sumisira sa pagkagambala.

4b. Sa pamamagitan ng paglalagay ng quarter-wave plates (shaded rectangles) sa harap ng mga slits, "kung aling landas" ang impormasyon ay maaaring makuha at ang interference na imahe ay mawawala.

4c. Ang paglalagay ng isang naaangkop na naka-orient na polarizer P sa harap ng detector D1 ay binubura ang "saang paraan" na impormasyon at ibinabalik ang interference.

Sa katunayan, pagkatapos ng tamang paglalagay ng quarter-wave plates sa harap ng mga slits, ang dating naobserbahang pamamahagi ng mga bilang, na nagpapahiwatig ng interference, ay nawawala. Ang kakaibang bagay ay na ito ay nangyayari nang walang pakikilahok ng isang may malay na tagamasid na maaaring gumawa ng naaangkop na mga sukat! Ang paglalagay lamang ng quarter-wave plate ay nagdudulot ng interference cancellation effect.. Kaya paano malalaman ng photon na pagkatapos ipasok ang mga plato, matutukoy natin ang puwang kung saan ito dumaan?

Gayunpaman, hindi ito ang katapusan ng kakatwa. Ngayon ay maaari na nating ibalik ang signal photon interference nang hindi direktang naaapektuhan ito. Upang gawin ito, sa landas ng control photon na umaabot sa detektor D1, maglagay ng polarizer sa paraang nagpapadala ito ng liwanag na may polariseysyon na kumbinasyon ng mga polarisasyon ng parehong naka-entangled photon (4c). Agad nitong binago ang polarity ng signal photon nang naaayon. Ngayon ay hindi na posible na matukoy nang may katiyakan kung ano ang polarisasyon ng isang insidente ng photon sa mga slits, at kung saan dumaan ang slit ng photon. Sa kasong ito, naibalik ang pagkagambala!

Burahin ang naantalang impormasyon sa pagpili

Ang mga eksperimento na inilarawan sa itaas ay isinagawa sa paraang ang control photon ay nairehistro ng detector D1 bago umabot ang signal photon sa detector D2. Ang pagbubura ng "aling paraan" na impormasyon ay isinagawa sa pamamagitan ng pagbabago ng polariseysyon ng control photon bago umabot ang signal photon sa detector D2. Pagkatapos ay maiisip ng isang tao na ang nagkokontrol na photon ay nagsabi na sa kanyang "kambal" kung ano ang susunod na gagawin: upang mamagitan o hindi.

Ngayon ay binabago namin ang eksperimento sa paraang ang control photon ay tumama sa detector D1 pagkatapos mairehistro ang signal photon sa detector D2. Upang gawin ito, ilipat ang detector D1 palayo sa pinagmulan ng photon. Ang pattern ng interference ay mukhang katulad ng dati. Ngayon, ilagay natin ang mga quarter-wave plate sa harap ng mga slits upang matukoy kung aling landas ang tinahak ng photon. Nawawala ang pattern ng interference. Susunod, burahin natin ang impormasyong "sa aling paraan" sa pamamagitan ng paglalagay ng polarizer na angkop na nakatuon sa harap ng detector D1. Lumilitaw muli ang pattern ng interference! Ngunit ang pagbura ay ginawa pagkatapos na ang signal photon ay nairehistro ng detector D2. Paano ito posible? Kailangang malaman ng photon ang pagbabago ng polarity bago maabot ito ng anumang impormasyon tungkol dito.

5. Mga eksperimento gamit ang isang laser beam.

Ang natural na pagkakasunod-sunod ng mga pangyayari ay nababaligtad dito; ang epekto ay nauuna sa sanhi! Ang resultang ito ay sumisira sa prinsipyo ng causality sa realidad sa paligid natin. O baka naman hindi mahalaga ang oras pagdating sa mga gusot na particle? Ang quantum entanglement ay lumalabag sa prinsipyo ng lokalidad sa klasikal na pisika, ayon sa kung saan ang isang bagay ay maaari lamang maapektuhan ng kagyat na kapaligiran nito.

Mula noong eksperimento sa Brazil, maraming katulad na mga eksperimento ang isinagawa, na ganap na nagpapatunay sa mga resulta na ipinakita dito. Sa huli, nais ng mambabasa na malinaw na ipaliwanag ang misteryo ng mga hindi inaasahang pangyayaring ito. Sa kasamaang palad, hindi ito magagawa. Ang lohika ng quantum mechanics ay iba sa lohika ng mundo na nakikita natin araw-araw. Dapat nating buong kababaang-loob na tanggapin ito at magalak sa katotohanan na ang mga batas ng quantum mechanics ay tumpak na naglalarawan sa mga phenomena na nagaganap sa microcosm, na kapaki-pakinabang na ginagamit sa mas advanced na mga teknikal na aparato.