I hjärtat av kvantmekaniken

Richard Feynman, en av XNUMX-talets största fysiker, hävdade att nyckeln till att förstå kvantmekaniken var "experimentet med dubbla spalter". Detta konceptuellt enkla experiment, utfört idag, fortsätter att ge fantastiska upptäckter. De visar hur oförenlig kvantmekaniken är med sunt förnuft, vilket i slutändan ledde till de senaste femtio årens viktigaste uppfinningar.

Genomförde ett dubbelslitsexperiment för första gången. Thomas Young (1) i England i början av artonhundratalet.

experiment till Yang

Experimentet användes för att visa att ljus är av vågnatur och inte av partikelnatur, som tidigare hävdats. Isaac Newton. Young visade helt enkelt att ljus lyder intervention - ett fenomen som är den mest karakteristiska egenskapen (oavsett vilken typ av våg och i vilket medium den utbreder sig). Idag förenar kvantmekaniken dessa två logiskt motsägelsefulla åsikter.

Låt oss komma ihåg kärnan i experimentet med dubbelslits. Som vanligt syftar jag på en våg på vattenytan som färdas koncentriskt runt platsen där stenen kastas. 

En våg bildas av på varandra följande toppar och dalar som strålar ut från platsen för störningen, samtidigt som man upprätthåller ett konstant avstånd mellan topparna, kallat våglängden. I vågens bana kan du sätta en barriär, till exempel i form av en bräda med två smala slitsar genomskurna genom vilka vatten kan rinna fritt. Efter att ha kastat en sten i vattnet stannar vågen på skiljeväggen - men inte riktigt. Två nya koncentriska vågor (2) fortplantar sig nu till andra sidan av skiljeväggen från båda slitsarna. De överlappar varandra, eller, som vi säger, stör varandra och skapar ett karakteristiskt mönster på ytan. På platser där toppen av en våg möter toppen av en annan, förstärks vattenutbuktningen, och där en hålighet möter en dal, fördjupas fördjupningen.

2. Interferens av vågor som kommer ut från två slitsar.

I Youngs experiment passerar enfärgat ljus som emitteras av en punktkälla genom ett ogenomskinligt membran med två slitsar och träffar en skärm bakom dem (idag skulle vi föredra att använda laserljus och en CCD). En interferensbild av en ljusvåg observeras på skärmen i form av en serie omväxlande ljusa och mörka ränder (3). Detta resultat stärkte tron ​​att ljus var en våg, innan upptäckter i början av XNUMX-talet visade att ljus också var en våg. fotonflöde är lätta partiklar som inte har någon vilomassa. Senare visade det sig att den mystiska våg-partikeldualitetupptäcktes först för ljus, gäller även andra partiklar utrustade med massa. Det blev snart grunden för en ny kvantmekanisk beskrivning av världen.

3. Youngs vision av experimentet

Partiklar stör också

1961 demonstrerade Klaus Jonsson från universitetet i Tübingen interferensen av massiva partiklar som kallas elektroner med hjälp av ett elektronmikroskop. Tio år senare genomförde tre italienska fysiker från universitetet i Bologna ett liknande experiment med en-elektron interferens (med en så kallad biprisma istället för en dubbel slits). De reducerade elektronstrålens intensitet till ett så lågt värde att elektronerna passerade genom biprismat en efter en, en efter en. Dessa elektroner registrerades på en fluorescerande skärm.

Inledningsvis fördelades spåren av elektroner slumpmässigt över skärmen, men med tiden bildade de en tydlig interferensbild av interferensfransar. Det verkar omöjligt att två elektroner som passerar successivt genom slitsar vid olika tidpunkter skulle kunna störa varandra. Därför måste vi erkänna det en elektron stör sig själv! Men då skulle elektronen behöva passera genom båda slitsarna samtidigt.

Det kan vara frestande att observera hålet genom vilket elektronen faktiskt passerade. Vi kommer att se senare hur man gör denna observation utan att störa elektronens rörelse. Det visar sig att om vi får information som elektronen har accepterat, så försvinner störningarna...! "Hur"-information eliminerar störningar. Betyder detta att närvaron av en medveten observatör påverkar förloppet av en fysisk process?

Innan jag pratar om de ännu mer överraskande resultaten av dubbelslitsexperiment kommer jag att göra en kort avvikelse om storleken på störande föremål. Kvantinterferens av massobjekt upptäcktes först för elektroner, sedan för partiklar med ökande massa: neutroner, protoner, atomer och slutligen för stora kemiska molekyler.

2011 slogs rekordet för storleken på ett objekt som visade fenomenet kvantinterferens. Experimentet utfördes vid universitetet i Wien av en dåvarande doktorand. Sandra Eibenberger och hennes medarbetare. För dubbelbrytningsexperimentet valdes en komplex organisk molekyl innehållande cirka 5 protoner, 5 tusen neutroner och 5 tusen elektroner! I ett mycket komplext experiment observerades kvantinterferens av denna enorma molekyl.

Detta bekräftade tron ​​att Inte bara elementarpartiklar, utan också varje materiellt föremål är föremål för kvantmekanikens lagar. Bara att ju mer komplext ett objekt är, desto mer interagerar det med sin omgivning, vilket bryter mot dess subtila kvantegenskaper och förstör interferenseffekter..

Kvantintrassling och polarisering av ljus

De mest överraskande resultaten av dubbelslitsexperimenten kom från att använda en speciell metod för att spåra fotonen, som inte störde dess rörelse på något sätt. Denna metod använder ett av de märkligaste kvantfenomenen, den så kallade kvantsammanflätning. Detta fenomen uppmärksammades redan på 30-talet av en av kvantmekanikens främsta skapare, Erwin Schrödinger.

Skeptisk Einstein (se även 🙂) kallade dem spöklik handling på distans, men bara ett halvt sekel senare insåg man betydelsen av denna effekt, och idag har den blivit ett ämne av särskilt intresse för fysiker.

Vad handlar denna effekt om? Om två partiklar som var nära varandra vid en tidpunkt interagerade så starkt med varandra att de bildade ett slags "tvillingförhållande", så gäller förhållandet även när partiklarna är hundratals kilometer från varandra. Då beter sig partiklarna som ett enda system. Det betyder att när vi utför en åtgärd på en partikel så påverkar det omedelbart den andra partikeln. Men på detta sätt kan vi inte överföra information över ett avstånd i förtid.

En foton är en masslös partikel - en elementär del av ljus, som är en elektromagnetisk våg. Efter att ha passerat genom en platta av motsvarande kristall (kallad polarisator) blir ljuset linjärt polariserat, d.v.s. den elektriska fältvektorn för en elektromagnetisk våg oscillerar i ett visst plan. I sin tur, genom att passera linjärt polariserat ljus genom en platta med en viss tjocklek från en annan specifik kristall (den så kallade kvartsvågsplattan), kan det omvandlas till cirkulärt polariserat ljus, där det elektriska fältvektorn rör sig i en spiralform ( medurs eller moturs) rörelse längs vågens utbredningsriktning. Följaktligen kan vi tala om linjärt eller cirkulärt polariserade fotoner.

Experiment med intrasslade fotoner

4a. Den olinjära BBO-kristallen omvandlar en foton som emitteras av en argonlaser till två intrasslade fotoner med hälften av energin och ömsesidigt vinkelrät polarisation. Dessa fotoner sprids i olika riktningar och registreras av detektorerna D1 och D2, sammankopplade med en koincidensräknare LC. Ett diafragma med två slitsar placeras på en av fotonernas väg. När båda detektorerna detekterar den nästan samtidiga ankomsten av båda fotonerna, lagras signalen i enhetens minne och detektor D2 rör sig parallellt med slitsarna. Antalet fotoner som en funktion av positionen för detektor D2 som registrerats på detta sätt visas i rutan och visar maxima och minima som indikerar interferens.

2001 ledde en grupp brasilianska fysiker i Belo Horizonte Stephen Walbourn ovanligt experiment. Dess författare använde egenskaperna hos en speciell kristall (förkortad som BBO), som omvandlar en viss del av fotonerna som emitteras av en argonlaser till två fotoner med hälften av energin. Dessa två fotoner är intrasslade med varandra; när en av dem har till exempel horisontell polarisation, har den andra vertikal polarisation. Dessa fotoner rör sig i två olika riktningar och spelar olika roller i det beskrivna experimentet.

En av de fotoner vi ska kalla kontroll, går direkt till fotondetektorn Dl (1a). Detektorn registrerar sin ankomst genom att skicka en elektrisk signal till en enhet som kallas sammanfallsräknare. LK Ett interferensexperiment kommer att utföras på den andra fotonen; vi ringer honom signalfoton. I dess väg finns en dubbel slits följt av en andra fotondetektor D2, något längre från fotonkällan än detektor D1. Denna detektor kan hoppa över sin position i förhållande till den dubbla luckan varje gång den tar emot en motsvarande signal från koincidensräknaren. När detektor D1 detekterar en foton skickar den en signal till koincidensräknaren. Om detektor D2 en stund senare också upptäcker en foton och skickar en signal till mätaren, kommer den att känna igen att den kommer från intrasslade fotoner, och detta faktum kommer att lagras i enhetens minne. Denna procedur eliminerar registreringen av slumpmässiga fotoner som kommer in i detektorn.

Intrasslade fotoner kvarstår i 400 sekunder. Efter denna tid förskjuts D2-detektorn med 1 mm i förhållande till slitsarnas position, och att räkna intrasslade fotoner tar ytterligare 400 sekunder. Detektorn flyttas sedan igen med 1 mm och proceduren upprepas många gånger. Det visar sig att fördelningen av antalet fotoner som registrerats på detta sätt beroende på positionen för detektorn D2 har karakteristiska maxima och minima som motsvarar ljus och mörker och interferensfransar i Youngs experiment (4a).

Det får vi reda på igen enkla fotoner som passerar genom den dubbla slitsen interfererar med varandra.

Hur så?

Nästa steg i experimentet var att bestämma hålet genom vilket en viss foton skulle passera utan att störa dess rörelse. Egenskaper som används här kvartsvågsplatta. En kvartsvågsplatta placerades framför varje slits, varav en ändrade den linjära polariseringen av den infallande fotonen till medurs cirkulär polarisation och den andra till vänsterhänt cirkulär polarisation (4b). Det verifierades att typen av fotonpolarisation inte påverkade antalet räknade fotoner. Nu, genom att bestämma rotationen av polarisationen av en foton efter att den passerat genom slitsarna, kan vi indikera vilken av dem som fotonen passerade genom. Att veta "i vilken riktning" eliminerar störningar.

4b. Genom att placera kvartsvågsplattor (skuggade rektanglar) framför slitsarna kan information om "vilken väg" erhållas och störningsbilden försvinner.

4c. Placering av en lämpligt orienterad polarisator P framför detektorn Dl raderar "vilken väg"-informationen och återställer interferensen.

Faktum är att När väl kvartsvågsplattorna är korrekt placerade framför slitsarna försvinner den tidigare observerade räknefördelningen som indikerar interferens. Det märkligaste är att detta sker utan deltagande av en medveten observatör som kan göra lämpliga mätningar! Att helt enkelt placera kvartsvågsplattor ger en störningsdämpande effekt.. Så hur vet fotonen att efter att ha satt in plattorna kan vi bestämma gapet genom vilket den passerade?

Detta är dock inte slutet på konstigheterna. Vi kan nu rekonstruera signalfotoninterferensen utan att påverka den direkt. För att göra detta, placera en polarisator i vägen för kontrollfotonen som når detektorn D1 så att den sänder ljus med en polarisation som är en kombination av polarisationerna för båda intrasslade fotonerna (4c). Detta ändrar omedelbart polariteten för signalfotonen i enlighet därmed. Nu är det inte längre möjligt att med säkerhet avgöra vad polariseringen av en foton som infaller på slitsarna är och genom vilken slits fotonen passerade. I detta fall återställs störningarna!

Radera information om fördröjt val

Experimenten som beskrivits ovan utfördes på ett sådant sätt att kontrollfotonen detekterades av detektor Dl innan signalfotonen nådde detektor D1. Radering av "vilken väg"-informationen åstadkoms genom att ändra polariseringen av den drivande fotonen innan signalfotonen nådde detektor D2. Då kan man föreställa sig att kontrollfotonen redan har sagt till sin "tvilling" vad den ska göra härnäst: att ingripa eller inte.

Nu modifierar vi experimentet på ett sådant sätt att kontrollfotonen träffar detektor D1 efter att ha registrerat signalfotonen vid detektor D2. För att göra detta, flytta detektor D1 bort från fotonkällan. Interferensmönstret ser likadant ut. Låt oss nu placera kvartsvågsplattor framför slitsarna för att bestämma vilken väg fotonen har tagit. Interferensmönstret försvinner. Låt oss sedan radera "vilken väg"-informationen genom att placera en lämpligt orienterad polarisator framför detektor D1. Störningsmönstret visas igen! Ändå gjordes raderingen efter att signalfotonen detekterades av detektor D2. Hur är detta möjligt? Fotonen var tvungen att vara medveten om polaritetsförändringen innan någon information om den kunde nå den.

5. Experimentera med en laserstråle.

Det naturliga händelseförloppet här är omvänt; effekten föregår orsaken! Detta resultat undergräver principen om kausalitet i verkligheten omkring oss. Eller kanske tiden inte spelar någon roll när det kommer till intrasslade partiklar? Kvantintrassling bryter mot lokalitetsprincipen, som gäller i klassisk fysik, enligt vilken ett föremål endast kan påverkas av sin omedelbara omgivning.

Sedan det brasilianska experimentet har många liknande experiment utförts, som till fullo bekräftar resultaten som presenteras här. I slutet vill läsaren tydligt förklara mysteriet med dessa oväntade fenomen. Tyvärr kan detta inte göras. Kvantmekanikens logik skiljer sig från logiken i världen som vi ser varje dag. Vi måste ödmjukt acceptera detta och glädjas åt det faktum att kvantmekanikens lagar exakt beskriver fenomen som förekommer i mikrokosmos, som används användbart i allt mer avancerade tekniska anordningar.