Die basis van kwantummeganika

Richard Feynman, een van die grootste fisici van die 19de eeu, het aangevoer dat die sleutel tot die verstaan ​​van kwantummeganika die "dubbelspleet-eksperiment" was. Hierdie konseptueel eenvoudige eksperiment, wat vandag uitgevoer word, lewer steeds wonderlike ontdekkings op. Hulle wys hoe onversoenbaar kwantummeganika is met gesonde verstand, wat uiteindelik gelei het tot die belangrikste uitvindings van die afgelope vyftig jaar.

Het vir die eerste keer 'n dubbelspleet-eksperiment uitgevoer. Thomas Jong (1) in Engeland aan die begin van die negentiende eeu.

eksperimenteer na Yang

Die eksperiment is gebruik om aan te toon dat lig van 'n golfaard is en nie van 'n partikelaard nie, soos voorheen beweer is. Isaac Newton. Young het eenvoudig gedemonstreer dat lig gehoorsaam ingryping - 'n verskynsel wat die mees kenmerkende kenmerk is (ongeag die tipe golf en die medium waarin dit voortplant). Vandag versoen kwantummeganika beide hierdie logies teenstrydige sienings.

Kom ons onthou die kern van die dubbelspleet-eksperiment. Soos gewoonlik verwys ek na 'n golf op die oppervlak van die water wat konsentries beweeg om die plek waar die klippie gegooi word. 

'n Golf word gevorm deur opeenvolgende kruine en trôe wat uitstraal vanaf die plek van die versteuring, terwyl 'n konstante afstand tussen die kruine gehandhaaf word, wat die golflengte genoem word. In die pad van die golf kan jy 'n versperring plaas, byvoorbeeld in die vorm van 'n bord met twee smal splete wat gesny is waardeur water vrylik kan vloei. Nadat 'n klippie in die water gegooi is, stop die golf op die afskorting - maar nie heeltemal nie. Twee nuwe konsentriese golwe (2) trek nou voort na die ander kant van die skeiding vanaf albei splete. Hulle oorvleuel mekaar, of, soos ons sê, meng in met mekaar en skep 'n kenmerkende patroon op die oppervlak. Op plekke waar die kruin van een golf die kruin van 'n ander ontmoet, vererger die waterbult, en waar die holte die vallei ontmoet, verdiep die depressie.

2. Interferensie van golwe wat uit twee splete opkom.

In Young se eksperiment gaan enkelkleurlig wat deur 'n puntbron uitgestraal word deur 'n ondeursigtige diafragma met twee splete en tref 'n skerm agter hulle (vandag sal ons verkies om laserlig en 'n CCD te gebruik). 'n Interferensiebeeld van 'n liggolf word op die skerm waargeneem in die vorm van 'n reeks afwisselende ligte en donker strepe (3). Hierdie resultaat het die oortuiging versterk dat lig 'n golf is, voordat ontdekkings in die vroeë XNUMX's gewys het dat lig ook 'n golf is. foton vloed – ligte deeltjies wat geen rusmassa het nie. Dit het later geblyk dat die geheimsinnige golf-deeltjie dualiteiteerste ontdek vir lig, is ook van toepassing op ander deeltjies wat met massa toegerus is. Dit het gou die basis geword vir 'n nuwe kwantummeganiese beskrywing van die wêreld.

3. Young se visie van die eksperiment

Deeltjies meng ook in

In 1961 het Klaus Jonsson van die Universiteit van Tübingen die interferensie van massiewe deeltjies genoem elektrone met behulp van 'n elektronmikroskoop gedemonstreer. Tien jaar later het drie Italiaanse fisici van die Universiteit van Bologna 'n soortgelyke eksperiment met enkel-elektron interferensie (met 'n sogenaamde biprisma in plaas van 'n dubbelspleet). Hulle het die intensiteit van die elektronstraal tot so 'n lae waarde verminder dat die elektrone een vir een, een na die ander deur die biprisma gegaan het. Hierdie elektrone is op 'n fluoresserende skerm aangeteken.

Aanvanklik is die elektronspore ewekansig oor die skerm versprei, maar met verloop van tyd het dit 'n duidelike interferensiebeeld van interferensierandjies gevorm. Dit lyk onmoontlik dat twee elektrone wat op verskillende tye opeenvolgend deur splete gaan, met mekaar kan inmeng. Daarom moet ons dit erken een elektron interfereer met homself! Maar dan sal die elektron op dieselfde tyd deur beide splete moet gaan.

Dit kan aanloklik wees om die gat waar te neem waardeur die elektron eintlik beweeg het. Ons sal later sien hoe om hierdie waarneming te maak sonder om die elektron se beweging te versteur. Dit blyk dat as ons inligting ontvang wat die elektron aanvaar het, dan sal die interferensie... verdwyn! "Hoe"-inligting skakel inmenging uit. Beteken dit dat die teenwoordigheid van 'n bewuste waarnemer die verloop van 'n fisiese proses beïnvloed?

Voordat ek oor die selfs meer verrassende resultate van dubbelspleet-eksperimente praat, sal ek 'n kort afwyking maak oor die groottes van voorwerpe wat inmeng. Kwantuminterferensie van massa-voorwerpe is eers ontdek vir elektrone, toe vir deeltjies met toenemende massa: neutrone, protone, atome, en uiteindelik vir groot chemiese molekules.

In 2011 is die rekord vir die grootte van 'n voorwerp wat die verskynsel van kwantuminterferensie gedemonstreer het, gebreek. Die eksperiment is destyds deur 'n doktorale student by die Universiteit van Wene uitgevoer. Sandra Eibenberger en haar medewerkers. Vir die dubbelbreek-eksperiment is 'n komplekse organiese molekule wat ongeveer 5 protone, 5 duisend neutrone en 5 duisend elektrone bevat, gekies! In 'n baie komplekse eksperiment is kwantuminterferensie van hierdie groot molekule waargeneem.

Dit het die oortuiging bevestig dat Nie net elementêre deeltjies nie, maar ook elke materiële voorwerp is onderworpe aan die wette van kwantummeganika. Net dat hoe meer kompleks 'n voorwerp is, hoe meer interaksie het dit met sy omgewing, wat sy subtiele kwantum-eienskappe skend en interferensie-effekte vernietig..

Kwantumverstrengeling en polarisasie van lig

Die mees verrassende resultate van die dubbelspleet-eksperimente het gekom van die gebruik van 'n spesiale metode om die foton op te spoor, wat nie sy beweging op enige manier versteur het nie. Hierdie metode gebruik een van die vreemdste kwantumverskynsels, die sg kwantumverstrengeling. Hierdie verskynsel is in die 30's opgemerk deur een van die hoofskeppers van kwantummeganika, Erwin Schrödinger.

Skeptiese Einstein (sien ook 🙂) het hulle spookagtige optrede op 'n afstand genoem, maar eers 'n halfeeu later is die betekenis van hierdie effek besef, en vandag het dit 'n onderwerp van besondere belang vir fisici geword.

Waaroor gaan hierdie effek? As twee deeltjies wat op 'n tydstip naby mekaar was, so sterk met mekaar in wisselwerking was dat hulle 'n soort "tweelingverhouding" gevorm het, dan geld die verhouding selfs wanneer die deeltjies honderde kilometers uitmekaar is. Dan tree die deeltjies as 'n enkele sisteem op. Dit beteken dat wanneer ons 'n aksie op een deeltjie uitvoer, dit onmiddellik die ander deeltjie beïnvloed. Op hierdie manier kan ons egter nie ontydig inligting oor 'n afstand oordra nie.

'n Foton is 'n massalose deeltjie - 'n elementêre deel van lig, wat 'n elektromagnetiese golf is. Nadat die lig deur 'n plaat van die ooreenstemmende kristal (genoem 'n polarisator) gegaan het, word die lig lineêr gepolariseer, d.w.s. die elektriese veldvektor van 'n elektromagnetiese golf ossilleer in 'n sekere vlak. Op sy beurt, deur lineêr gepolariseerde lig deur 'n plaat van 'n sekere dikte vanaf 'n ander spesifieke kristal (die sogenaamde kwartgolf plaat), kan dit omgeskakel word in sirkelvormige gepolariseerde lig, waarin die elektriese veldvektor in 'n heliese ( kloksgewys of antikloksgewys) beweging langs die rigting van golfvoortplanting. Gevolglik kan ons praat van lineêr of sirkelvormig gepolariseerde fotone.

Eksperimenteer met verstrengelde fotone

4a. Die nie-lineêre BBO-kristal omskep 'n foton wat deur 'n argonlaser uitgestraal word in twee verstrengelde fotone met die helfte van die energie en onderling loodregte polarisasie. Hierdie fotone verstrooi in verskillende rigtings en word aangeteken deur detektors D1 en D2, verbind deur 'n toevalsteller LC 'n Diafragma met twee splete word op die pad van een van die fotone geplaas. Wanneer beide detektors die byna gelyktydige aankoms van albei fotone bespeur, word die sein in die toestel se geheue gestoor, en detektor D2 beweeg parallel met die splete. Die aantal fotone as 'n funksie van die posisie van detektor D2 wat op hierdie manier aangeteken is, word in die blokkie getoon, wat maksima en minima toon wat interferensie aandui.

In 2001 het 'n groep Brasiliaanse fisici in Belo Horizonte gelei Stephen Walbourn ongewone eksperiment. Die skrywers daarvan het die eienskappe van 'n spesiale kristal (afgekort BBO) gebruik, wat 'n sekere deel van die fotone wat deur 'n argonlaser uitgestraal word in twee fotone met die helfte van die energie omskakel. Hierdie twee fotone is met mekaar verstrengel; wanneer een van hulle byvoorbeeld horisontale polarisasie het, het die ander vertikale polarisasie. Hierdie fotone beweeg in twee verskillende rigtings en speel verskillende rolle in die eksperiment wat beskryf word.

Een van die fotone wat ons gaan noem beheer, gaan direk na die fotondetektor D1 (4a). Die detektor registreer sy aankoms deur 'n elektriese sein te stuur na 'n toestel wat 'n toevalsteller genoem word. LK 'n Interferensie-eksperiment sal op die tweede foton uitgevoer word; ons sal hom bel sein foton. In sy pad is daar 'n dubbelspleet gevolg deur 'n tweede fotondetektor D2, effens verder van die fotonbron as detektor D1. Hierdie detektor kan sy posisie relatief tot die dubbele gleuf spring elke keer as dit 'n ooreenstemmende sein van die toevalsteller ontvang. Wanneer detektor D1 'n foton opspoor, stuur dit 'n sein na die toevalsteller. As detektor D2 'n oomblik later ook 'n foton bespeur en 'n sein na die meter stuur, sal dit herken dat dit van verstrengelde fotone kom, en hierdie feit sal in die toestel se geheue gestoor word. Hierdie prosedure skakel die registrasie van ewekansige fotone wat die detektor binnegaan uit.

Verstrengelde fotone hou 400 sekondes aan. Na hierdie tyd word die D2-detektor met 1 mm verskuif relatief tot die posisie van die splete, en die tel van verstrengelde fotone neem nog 400 sekondes. Die detektor word dan weer met 1 mm verskuif en die prosedure word baie keer herhaal. Dit blyk dat die verspreiding van die aantal fotone wat op hierdie manier aangeteken is, afhangende van die posisie van die detektor D2, kenmerkende maksima en minima het wat ooreenstem met lig en donker en interferensierandjies in Young se eksperiment (4a).

Ons sal dit weer uitvind enkelfotone wat deur die dubbelspleet gaan, meng in met mekaar.

Hoe?

Die volgende stap in die eksperiment was om die gat te bepaal waardeur 'n spesifieke foton sou beweeg sonder om sy beweging te versteur. Eienskappe wat hier gebruik word kwartgolf plaat. ’n Kwartgolfplaat is voor elke spleet geplaas, waarvan een die lineêre polarisasie van die invallende foton na kloksgewys sirkelpolarisasie verander het, en die ander na linkshandige sirkelpolarisasie (4b). Dit is geverifieer dat die tipe fotonpolarisasie nie die aantal fotone wat getel is, beïnvloed het nie. Nou, deur die rotasie van die polarisasie van 'n foton te bepaal nadat dit deur die splete gegaan het, kan ons aandui deur watter van hulle die foton gegaan het. Om te weet "in watter rigting" skakel inmenging uit.

4b. Deur kwartgolfplate (geskakeerde reghoeke) voor die splete te plaas, kan inligting oor "watter pad" verkry word en sal die interferensiebeeld verdwyn.

4c. Deur 'n toepaslik georiënteerde polarisator P voor die detektor D1 te plaas, vee die "watter pad"-inligting uit en herstel die interferensie.

Eintlik, Sodra die kwartgolfplate behoorlik voor die splete geplaas is, verdwyn die voorheen waargenome tellingverspreiding wat dui op interferensie. Die vreemdste is dat dit gebeur sonder die deelname van 'n bewuste waarnemer wat die gepaste metings kan maak! Deur eenvoudig kwartgolfplate te plaas, lewer 'n interferensie-onderdrukkende effek.. So, hoe weet die foton dat ons, nadat ons die plate ingesit het, die gaping kan bepaal waardeur dit gegaan het?

Dit is egter nie die einde van die vreemdheid nie. Ons kan nou die seinfotoninterferensie rekonstrueer sonder om dit direk te beïnvloed. Om dit te doen, plaas 'n polarisator in die pad van die beheerfoton wat detektor D1 bereik sodat dit lig uitstuur met 'n polarisasie wat 'n kombinasie is van die polarisasies van beide verstrengelde fotone (4c). Dit verander onmiddellik die polariteit van die seinfoton dienooreenkomstig. Nou is dit nie meer moontlik om met sekerheid te bepaal wat die polarisasie is van 'n foton wat op die splete inval, en deur watter spleet die foton gegaan het nie. In hierdie geval word die inmenging herstel!

Vee vertraagde seleksie-inligting uit

Die eksperimente wat hierbo beskryf is, is op so 'n wyse uitgevoer dat die kontrolefoton deur detektor D1 opgespoor is voordat die seinfoton detektor D2 bereik het. Die uitvee van die "watter manier" inligting is bewerkstellig deur die polarisasie van die dryffoton te verander voordat die seinfoton detektor D2 bereik het. Dan kan mens jou voorstel dat die beheerfoton reeds vir sy “tweeling” gesê het wat om volgende te doen: om in te gryp of nie.

Nou wysig ons die eksperiment op so 'n manier dat die kontrolefoton detektor D1 tref nadat die seinfoton by detektor D2 geregistreer is. Om dit te doen, beweeg detektor D1 weg van die fotonbron. Die interferensiepatroon lyk dieselfde. Kom ons plaas nou kwartgolfplate voor die splete om te bepaal watter pad die foton geneem het. Die interferensiepatroon verdwyn. Kom ons vee dan die "watter rigting"-inligting uit deur 'n toepaslik georiënteerde polarisator voor detektor D1 te plaas. Die interferensiepatroon verskyn weer! Tog is die uitvee gedoen nadat die seinfoton deur detektor D2 opgespoor is. Hoe is dit moontlik? Die foton moes bewus wees van die polariteitsverandering voordat enige inligting daaroor dit kon bereik.

5. Eksperimenteer met 'n laserstraal.

Die natuurlike volgorde van gebeure hier is omgekeer; die effek gaan die oorsaak vooraf! Hierdie resultaat ondermyn die beginsel van kousaliteit in die werklikheid rondom ons. Of maak tyd dalk nie saak wanneer dit by verstrengelde deeltjies kom nie? Kwantumverstrengeling skend die beginsel van lokaliteit, wat in klassieke fisika geld, waarvolgens 'n voorwerp slegs deur sy onmiddellike omgewing beïnvloed kan word.

Sedert die Brasiliaanse eksperiment is baie soortgelyke eksperimente uitgevoer, wat die resultate wat hier aangebied word ten volle bevestig. Aan die einde wil die leser die misterie van hierdie onverwagte verskynsels duidelik verduidelik. Ongelukkig kan dit nie gedoen word nie. Die logika van kwantummeganika verskil van die logika van die wêreld wat ons elke dag sien. Ons moet dit nederig aanvaar en ons verheug in die feit dat die wette van kwantummeganika verskynsels wat in die mikrokosmos voorkom, wat nuttig in steeds meer gevorderde tegniese toestelle gebruik word, akkuraat beskryf.