У срцу квантне механике

Ричард Фајнман, један од највећих физичара XNUMX. века, тврдио је да је кључ за разумевање квантне механике „експеримент са двоструким прорезом”. Овај концептуално једноставан експеримент, спроведен данас, наставља да даје невероватна открића. Они показују колико је квантна механика неспојива са здравим разумом, која је на крају довела до најважнијих изума у ​​последњих педесет година.

По први пут је спровео експеримент са двоструким прорезом. Тхомас Иоунг (1) у Енглеској почетком деветнаестог века.

Јангов експеримент

Експеримент је коришћен да се покаже да је светлост таласне природе, а не корпускуларне природе, као што је претходно наведено. Исак Њутн. Иоунг је управо показао да се светлост повинује intervencija - појава која је најкарактеристичнија особина (без обзира на врсту таласа и средину у којој се шири). Данас квантна механика помирује ова два логички контрадикторна погледа.

Подсетимо се суштине експеримента са двоструким прорезом. Као и обично, мислим на талас на површини воде који се концентрично шири око места где је каменчић бачен. 

Талас се формира узастопним врховима и коритима који зраче из тачке поремећаја, уз одржавање константне удаљености између врхова, која се назива таласна дужина. На путу таласа може се поставити баријера, на пример, у облику даске са два уска прореза кроз која вода може слободно да тече. Бацајући каменчић у воду, талас се зауставља на прегради - али не сасвим. Два нова концентрична таласа (2) се сада шире на другу страну преграде из оба слота. Они се налажу једни на друге, или, како ми кажемо, ометају једни друге, стварајући карактеристичан узорак на површини. На местима где се гребен једног таласа сусреће са врхом другог, водено избочење се појачава, а где се удубљење спаја са долином, удубљење се продубљује.

2. Интерференција таласа који излазе из два прореза.

У Јанговом експерименту, једнобојна светлост која се емитује из тачкастог извора пролази кроз непрозирну дијафрагму са два прореза и удара у екран иза њих (данас бисмо радије користили ласерско светло и ЦЦД). На екрану се уочава интерференцијска слика светлосног таласа у виду низа наизменичних светлих и тамних пруга (3). Овај резултат је ојачао уверење да је светлост талас, пре него што су открића раних XNUMX-их показала да је светлост такође талас. флукс фотона су лаке честице које немају масу мировања. Касније се испоставило да је мистериозан дуалност талас-честицапрви пут откривен за светлост важи и за друге честице обдарене масом. Убрзо је постао основа за нови квантномеханички опис света.

3. Визија Јанговог експеримента

Честице такође ометају

Клаус Јонсон са Универзитета у Тибингену је 1961. демонстрирао интерференцију масивних честица – електрона помоћу електронског микроскопа. Десет година касније, три италијанска физичара са Универзитета у Болоњи извела су сличан експеримент са интерференција једног електрона (користећи такозвану бипризму уместо двоструког прореза). Они су смањили интензитет електронског снопа на тако ниску вредност да су електрони пролазили кроз бипризму један за другим, један за другим. Ови електрони су регистровани на флуоресцентном екрану.

У почетку, трагови електрона су били насумично распоређени по екрану, али су временом формирали јасну интерференцијску слику интерференцијских рубова. Чини се немогућим да два електрона који пролазе кроз прорезе узастопно у различито време могу да интерферишу један са другим. Стога то морамо признати један електрон интерферира сам са собом! Али тада би електрон морао да прође кроз оба прореза у исто време.

Можда је примамљиво погледати рупу кроз коју је електрон заправо прошао. Касније ћемо видети како направити такво запажање без ометања кретања електрона. Испоставило се да ако добијемо информацију о томе шта је електрон примио, онда ће сметња ... нестати! Информације „како“ уништавају сметње. Да ли то значи да присуство свесног посматрача утиче на ток физичког процеса?

Пре него што причам о још изненађујућим резултатима експеримената са двоструким прорезом, направићу малу дигресију о величинама ометајућих објеката. Квантна интерференција масених објеката откривена је прво за електроне, затим за честице са повећањем масе: неутроне, протоне, атоме и на крају за велике хемијске молекуле.

Године 2011. оборен је рекорд величине објекта на коме је демонстрирана појава квантне интерференције. Експеримент је на Универзитету у Бечу извео тадашњи докторант. Сандре Эйбенбергер и њени сарадници. За експеримент са два прекида изабран је сложен органски молекул који садржи око 5 протона, 5 хиљада неутрона и 5 хиљада електрона! У веома сложеном експерименту уочена је квантна интерференција овог огромног молекула.

Ово је потврдило уверење да Закони квантне механике покоравају се не само елементарним честицама, већ и сваком материјалном објекту. Само да што је објекат сложенији, то је више у интеракцији са околином, што нарушава његова суптилна квантна својства и уништава ефекте интерференције..

Квантна запетљаност и поларизација светлости

Најизненађујући резултати експеримената са двоструким прорезом дошли су од употребе посебне методе праћења фотона, која ни на који начин није пореметила његово кретање. Овај метод користи један од најчуднијих квантних феномена, тзв квантна уплитање. Овај феномен је још тридесетих година прошлог века приметио један од главних твораца квантне механике, Ервин Шредингер.

Скептични Ајнштајн (видети и 🙂 назвао их је сабласним деловањем на даљину. Међутим, тек пола века касније увидео се значај овог ефекта, који је данас постао предмет посебног интересовања физичара.

О чему се ради у овом ефекту? Ако две честице које су близу једна другој у неком временском тренутку толико снажно делују једна на другу да формирају неку врсту „близаначке везе“, онда та веза траје чак и када су честице удаљене стотинама километара. Тада се честице понашају као јединствен систем. То значи да када извршимо акцију на једној честици, она одмах утиче на другу честицу. Међутим, на овај начин не можемо ванвременски преносити информације на даљину.

Фотон је честица без масе - елементарни део светлости, који је електромагнетни талас. Након проласка кроз плочу одговарајућег кристала (који се назива поларизатор), светлост постаје линеарно поларизована, тј. вектор електричног поља електромагнетног таласа осцилује у одређеној равни. Заузврат, пропуштањем линеарно поларизоване светлости кроз плочу одређене дебљине са другог одређеног кристала (тзв. четвртталасна плоча), она се може претворити у кружно поларизовану светлост, у којој се вектор електричног поља креће спирално ( у смеру казаљке на сату или супротно од казаљке на сату) кретање дуж правца простирања таласа. Сходно томе, може се говорити о линеарно или кружно поларизованим фотонима.

Експерименти са уплетеним фотонима

4а. Нелинеарни ББО кристал претвара фотон који емитује аргонски ласер у два заплетена фотона са упола мањом енергијом и међусобно окомитом поларизацијом. Ови фотони се распршују у различитим правцима и региструју их детектори Д1 и Д2, повезани бројачем коинциденција ЛК.На путу једног од фотона поставља се дијафрагма са два прореза. Када оба детектора региструју скоро истовремени долазак оба фотона, сигнал се чува у меморији уређаја, а детектор Д2 корача паралелно са прорезима. Број фотона у зависности од положаја детектора Д2, који је тако снимљен, приказан је у оквиру, приказујући максимуме и минимуме, што указује на интерференцију.

Група бразилских физичара у Бело Хоризонтеу је 2001. наступила под вођством Степхен Валборн необичан експеримент. Његови аутори су користили својства специјалног кристала (скраћено ББО), који конвертује одређени део фотона које емитује аргонски ласер у два фотона са упола мањом енергијом. Ова два фотона су уплетена један у други; када један од њих има, на пример, хоризонталну поларизацију, други има вертикалну поларизацију. Ови фотони се крећу у два различита правца и играју различите улоге у описаном експерименту.

Један од фотона које ћемо именовати контролише, иде директно на фотонски детектор Д1 (4а). Детектор региструје свој долазак тако што шаље електрични сигнал уређају који се зове бројач погодака. LK Експеримент интерференције ће бити изведен на другом фотону; зваћемо га сигнални фотон. На његовом путу налази се двоструки прорез, праћен другим детектором фотона, Д2, мало даље од извора фотона од детектора Д1. Овај детектор може да скаче око двоструког слота сваки пут када добије одговарајући сигнал од бројача погодака. Када детектор Д1 региструје фотон, он шаље сигнал бројачу случајности. Ако за тренутак детектор Д2 такође региструје фотон и пошаље сигнал мерачу, тада ће препознати да долази од уплетених фотона и та чињеница ће бити сачувана у меморији уређаја. Овај поступак искључује регистрацију случајних фотона који улазе у детектор.

Запетљани фотони трају 400 секунди. Након овог времена, Д2 детектор се помера за 1 мм у односу на положај прореза, а бројање уплетених фотона траје још 400 секунди. Затим се детектор поново помера за 1 мм и поступак се понавља више пута. Испоставило се да расподела броја фотона снимљених на овај начин у зависности од положаја детектора Д2 има карактеристичне максимуме и минимуме који одговарају светлости и тами и интерферентним ивицама у Јанговом експерименту (4а).

То поново сазнајемо појединачни фотони који пролазе кроз двоструки прорез ометају једни друге.

Како то?

Следећи корак у експерименту био је одређивање рупе кроз коју је одређени фотон прошао без ометања његовог кретања. Овде се користе својства четврт таласна плоча. Испред сваког прореза постављена је четвртталасна плоча, од којих је једна променила линеарну поларизацију упадног фотона у кружну у смеру казаљке на сату, а друга у леву кружну поларизацију (4б). Верификовано је да тип поларизације фотона није утицао на број пребројаних фотона. Сада, одређивањем ротације поларизације фотона након што је прошао кроз прорезе, могуће је указати кроз који од њих је фотон прошао. Знање „у ком правцу“ уништава сметње.

4б. Постављањем четвртталасних плоча (осенчених правоугаоника) испред прореза, може се добити информација „у ком правцу“ и слика интерференције ће нестати.

4ц. Постављањем одговарајуће оријентисаног поларизатора П испред детектора Д1 брише се информације „у ком правцу“ и враћа се сметња.

У ствари, након правилног постављања четвртталасних плоча испред прореза, нестаје претходно уочена расподела бројања, која указује на интерференцију. Најчудније је што се то дешава без учешћа свесног посматрача који може да изврши одговарајућа мерења! Само постављање четвртталасних плоча производи ефекат поништавања сметњи.. Дакле, како фотон зна да након уметања плоча можемо одредити јаз кроз који је прошао?

Међутим, ово није крај чудности. Сада можемо да обновимо интерференцију фотона сигнала без директног утицаја на то. Да бисте то урадили, на путањи контролног фотона који стиже до детектора Д1, поставите поларизатор на такав начин да преноси светлост са поларизацијом која је комбинација поларизације оба уплетена фотона (4ц). Ово одмах мења поларитет фотона сигнала у складу са тим. Сада више није могуће са сигурношћу утврдити која је поларизација фотона који упада на прорезе и кроз који прорез је фотон прошао. У овом случају, сметње се враћају!

Обришите информације о одложеном избору

Горе описани експерименти су изведени на начин да је контролни фотон регистровао детектор Д1 пре него што је сигнални фотон стигао до детектора Д2. Брисање информације „који пут“ је извршено променом поларизације контролног фотона пре него што је сигнални фотон стигао до детектора Д2. Тада се може замислити да је контролни фотон већ рекао свом „близанцу“ шта даље: да интервенише или не.

Сада модификујемо експеримент на начин да контролни фотон погоди детектор Д1 након што се сигнални фотон региструје на детектору Д2. Да бисте то урадили, померите детектор Д1 од извора фотона. Образац интерференције изгледа исто као и раније. Сада поставимо четвртталасне плоче испред прореза да одредимо којим је путем фотон прошао. Образац интерференције нестаје. Затим, хајде да избришемо информацију „у ком правцу“ постављањем одговарајуће оријентисаног поларизатора испред детектора Д1. Поново се појављује образац интерференције! Ипак, брисање је обављено након што је детектор Д2 регистровао сигнални фотон. Како је то могуће? Фотон је морао да буде свестан промене поларитета пре него што је било каква информација о њему стигла до њега.

5. Експерименти са ласерским снопом.

Природни след догађаја је овде обрнут; последица претходи узроку! Овај резултат подрива принцип узрочности у стварности око нас. Или можда време није важно када су у питању уплетене честице? Квантна запетљаност крши принцип локалности у класичној физици, према којем на објекат може утицати само његово непосредно окружење.

Од бразилског експеримента спроведено је много сличних експеримената, који у потпуности потврђују резултате који су овде приказани. На крају, читалац би желео да јасно објасни мистерију ових неочекиваних појава. Нажалост, то се не може учинити. Логика квантне механике је другачија од логике света који видимо сваки дан. Морамо то понизно прихватити и радовати се чињеници да закони квантне механике тачно описују појаве које се дешавају у микрокосмосу, које се корисно користе у све напреднијим техничким уређајима.