W sercu mechaniki kwantowej

Richard Feynman, jeden z największych fizyków XX wieku, przekonywał, że kluczem do zrozumienia mechaniki kwantowej jest „eksperyment z podwójną szczeliną”. Ten koncepcyjnie prosty eksperyment, przeprowadzony dzisiaj, nadal przynosi niesamowite odkrycia. Pokazują, jak niezgodna ze zdrowym rozsądkiem jest mechanika kwantowa, która ostatecznie doprowadziła do najważniejszych wynalazków ostatnich pięćdziesięciu lat.

Po raz pierwszy przeprowadził eksperyment z podwójną szczeliną. Tomasz Młody (1) w Anglii na początku XIX wieku.

eksperyment do Yang

Eksperyment wykorzystano do wykazania, że ​​światło ma naturę falową, a nie korpuskularną, jak wcześniej stwierdzono. Isaac Newton. Young właśnie pokazał, że światło jest posłuszne interwencja - zjawisko, które jest najbardziej charakterystyczną cechą (niezależnie od rodzaju fali i ośrodka, w którym się rozchodzi). Dziś mechanika kwantowa godzi oba te logicznie sprzeczne poglądy.

Przypomnijmy sobie istotę eksperymentu z podwójną szczeliną. Jak zwykle mam na myśli falę na powierzchni wody, która rozchodzi się koncentrycznie wokół miejsca, w którym rzucono kamyk. 

Fala jest tworzona przez kolejne grzbiety i doliny rozchodzące się promieniście od punktu zakłócenia, przy zachowaniu stałej odległości między grzbietami, którą nazywamy długością fali. Na drodze fali można umieścić barierę, np. w postaci deski z wyciętymi dwoma wąskimi szczelinami, przez które woda może swobodnie przepływać. Wrzucając kamyk do wody, fala zatrzymuje się na przegrodzie - ale nie do końca. Dwie nowe koncentryczne fale (2) rozchodzą się teraz na drugą stronę przegrody z obu gniazd. Nakładają się one na siebie lub, jak to się mówi, kolidują ze sobą, tworząc charakterystyczny wzór na powierzchni. W miejscach, gdzie grzbiet jednej fali styka się z grzbietem drugiej, wybrzuszenie wody nasila się, a tam, gdzie zagłębienie styka się z doliną, zagłębienie się pogłębia.

2. Interferencja fal wychodzących z dwóch szczelin.

W eksperymencie Younga jednokolorowe światło emitowane ze źródła punktowego przechodzi przez nieprzezroczystą przysłonę z dwoma szczelinami i pada na ekran za nimi (dziś wolelibyśmy użyć światła laserowego i matrycy CCD). Na ekranie obserwuje się interferencyjny obraz fali świetlnej w postaci serii naprzemiennych jasnych i ciemnych pasków (3). Wynik ten wzmocnił przekonanie, że światło jest falą, zanim odkrycia na początku XX wieku wykazały, że światło również jest falą. strumień fotonów są lekkimi cząstkami, które nie mają masy spoczynkowej. Później okazało się, że tajemniczy dualizm korpuskularno-falowypierwszy odkryty dla światła odnosi się również do innych cząstek obdarzonych masą. Wkrótce stał się podstawą nowego kwantowo-mechanicznego opisu świata.

3. Wizja eksperymentu Younga

Cząsteczki również przeszkadzają

W 1961 roku Klaus Jonsson z Uniwersytetu w Tybindze za pomocą mikroskopu elektronowego wykazał interferencję masywnych cząstek - elektronów. Dziesięć lat później trzech włoskich fizyków z Uniwersytetu w Bolonii przeprowadziło podobny eksperyment interferencja pojedynczych elektronów (stosując tzw. bipryzmat zamiast podwójnej szczeliny). Zmniejszyli intensywność wiązki elektronów do tak niskiej wartości, że elektrony przechodziły przez bipryzmat jeden po drugim, jeden po drugim. Elektrony te zarejestrowano na ekranie fluorescencyjnym.

Początkowo ślady elektronów były losowo rozmieszczone na ekranie, ale z czasem utworzyły wyraźny obraz interferencyjny prążków interferencyjnych. Wydaje się niemożliwe, aby dwa elektrony przechodzące kolejno przez szczeliny w różnym czasie mogły ze sobą interferować. Dlatego musimy to przyznać jeden elektron interferuje sam ze sobą! Ale wtedy elektron musiałby przejść przez obie szczeliny w tym samym czasie.

Kuszące może być przyjrzenie się dziurze, przez którą faktycznie przeszedł elektron. Później zobaczymy, jak przeprowadzić taką obserwację bez zakłócania ruchu elektronu. Okazuje się, że jeśli dostaniemy informację o tym, co otrzymał elektron, to interferencja… zniknie! Informacje „jak” niszczą zakłócenia. Czy to oznacza, że ​​obecność świadomego obserwatora wpływa na przebieg procesu fizycznego?

Zanim opowiem o jeszcze bardziej zaskakujących wynikach eksperymentów z podwójną szczeliną, zrobię małą dygresję na temat rozmiarów obiektów zakłócających. Kwantową interferencję obiektów masowych odkryto najpierw dla elektronów, potem dla cząstek o rosnącej masie: neutronów, protonów, atomów, aw końcu dla dużych cząsteczek chemicznych.

W 2011 roku padł rekord wielkości obiektu, na którym zademonstrowano zjawisko interferencji kwantowej. Eksperyment został przeprowadzony na Uniwersytecie Wiedeńskim przez ówczesnego doktoranta. Sandrę Eibenberger i jej współpracowników. Złożona cząsteczka organiczna zawierająca około 5 protonów, 5 tysięcy neutronów i 5 tysięcy elektronów została wybrana do eksperymentu z dwoma przerwami! W bardzo złożonym eksperymencie zaobserwowano interferencję kwantową tej ogromnej cząsteczki.

To utwierdziło mnie w przekonaniu, że Prawa mechaniki kwantowej obowiązują nie tylko cząstki elementarne, ale także każdy obiekt materialny. Tylko, że im bardziej złożony obiekt, tym bardziej oddziałuje z otoczeniem, co narusza jego subtelne właściwości kwantowe i niszczy efekty interferencyjne..

Kwantowe splątanie i polaryzacja światła

Najbardziej zaskakujące wyniki eksperymentów z podwójną szczeliną przyniosły zastosowanie specjalnej metody śledzenia fotonu, która w żaden sposób nie zakłócała ​​jego ruchu. Metoda ta wykorzystuje jedno z najdziwniejszych zjawisk kwantowych, tzw splątanie kwantowe. Zjawisko to zauważył już w latach 30-tych jeden z głównych twórców mechaniki kwantowej, Erwin Schrödinger.

Sceptyczny Einstein (patrz też 🙂) nazwał je widmowym działaniem na odległość. Jednak dopiero pół wieku później uświadomiono sobie znaczenie tego efektu, a dziś stał się on przedmiotem szczególnego zainteresowania fizyków.

O co chodzi z tym efektem? Jeśli dwie cząstki, które są blisko siebie w pewnym momencie, oddziałują ze sobą tak silnie, że tworzą rodzaj „bliźniaczego związku”, to związek ten utrzymuje się nawet wtedy, gdy cząstki są oddalone od siebie o setki kilometrów. Cząsteczki zachowują się wówczas jak jeden układ. Oznacza to, że kiedy wykonujemy działanie na jednej cząstce, natychmiast wpływa to na inną cząsteczkę. Jednak w ten sposób nie możemy bezczasowo przekazywać informacji na odległość.

Foton to bezmasowa cząstka - elementarna część światła, która jest falą elektromagnetyczną. Po przejściu przez płytkę odpowiedniego kryształu (zwanego polaryzatorem) światło zostaje spolaryzowane liniowo, tj. wektor pola elektrycznego fali elektromagnetycznej oscyluje w określonej płaszczyźnie. Z kolei przepuszczając światło spolaryzowane liniowo przez płytkę o określonej grubości z innego konkretnego kryształu (tzw. ćwierćfalówka), można je przekształcić w światło spolaryzowane kołowo, w którym wektor pola elektrycznego porusza się po spirali ( zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) wzdłuż kierunku propagacji fali. W związku z tym można mówić o fotonach spolaryzowanych liniowo lub kołowo.

Eksperymenty ze splątanymi fotonami

4a. Nieliniowy kryształ BBO przekształca foton emitowany przez laser argonowy w dwa splątane fotony o połowie energii i wzajemnie prostopadłej polaryzacji. Fotony te rozpraszają się w różnych kierunkach i są rejestrowane przez detektory D1 i D2, połączone licznikiem koincydencji LK.Na drodze jednego z fotonów umieszczona jest przesłona z dwiema szczelinami. Gdy oba detektory zarejestrują niemal równoczesne nadejście obu fotonów, sygnał zostaje zapisany w pamięci urządzenia, a detektor D2 porusza się równolegle do szczelin. Zarejestrowana w ten sposób liczba fotonów w zależności od położenia detektora D2 jest pokazana w ramce, pokazując maksima i minima wskazujące na interferencję.

W 2001 roku grupa brazylijskich fizyków wystąpiła w Belo Horizonte pod kierunkiem prof Stephena Walborna niezwykły eksperyment. Jego autorzy wykorzystali właściwości specjalnego kryształu (w skrócie BBO), który zamienia pewną część fotonów emitowanych przez laser argonowy na dwa fotony z połową energii. Te dwa fotony są ze sobą splątane; gdy jeden z nich ma np. polaryzację poziomą, drugi ma polaryzację pionową. Fotony te poruszają się w dwóch różnych kierunkach i odgrywają różne role w opisywanym eksperymencie.

Jeden z fotonów, które zamierzamy nazwać kontrolować, trafia bezpośrednio do detektora fotonów D1 (4a). Detektor rejestruje swoje przybycie, wysyłając sygnał elektryczny do urządzenia zwanego licznikiem trafień. LK Na drugim fotonie zostanie przeprowadzony eksperyment interferencyjny; zadzwonimy do niego foton sygnałowy. Na swojej drodze znajduje się podwójna szczelina, za którą znajduje się drugi detektor fotonów, D2, nieco dalej od źródła fotonów niż detektor D1. Detektor ten może przeskakiwać wokół podwójnego gniazda za każdym razem, gdy otrzyma odpowiedni sygnał z licznika trafień. Kiedy detektor D1 zarejestruje foton, wysyła sygnał do licznika koincydencji. Jeśli za chwilę detektor D2 również zarejestruje foton i wyśle ​​sygnał do miernika, to rozpozna, że ​​pochodzi on od splątanych fotonów i fakt ten zostanie zapisany w pamięci urządzenia. Ta procedura wyklucza rejestrację przypadkowych fotonów wchodzących do detektora.

Splątane fotony utrzymują się przez 400 sekund. Po tym czasie detektor D2 przesuwa się o 1 mm względem położenia szczelin, a zliczanie splątanych fotonów trwa kolejne 400 sekund. Następnie ponownie przesuwa się detektor o 1 mm i procedurę powtarza się wiele razy. Okazuje się, że rozkład liczby zarejestrowanych w ten sposób fotonów w zależności od położenia detektora D2 ma charakterystyczne maksima i minima odpowiadające prążkom światła i ciemności oraz interferencji w doświadczeniu Younga (4a).

Dowiadujemy się tego ponownie pojedyncze fotony przechodzące przez podwójną szczelinę interferują ze sobą.

W jaki sposób?

Kolejnym krokiem w eksperymencie było wyznaczenie dziury, przez którą dany foton przeszedł bez zakłócania jego ruchu. Użyte tutaj właściwości płyta ćwierćfalowa. Płytka ćwierćfalowa została umieszczona przed każdą szczeliną, z których jedna zmieniła polaryzację liniową padającego fotonu na kołową zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a druga na lewoskrętną polaryzację kołową (4b). Potwierdzono, że rodzaj polaryzacji fotonów nie wpływa na liczbę zliczonych fotonów. Teraz, określając rotację polaryzacji fotonu po przejściu przez szczeliny, można wskazać, przez którą z nich foton przeszedł. Wiedza „w jakim kierunku” niszczy zakłócenia.

4b. Umieszczając płytki ćwierćfalowe (zacienione prostokąty) przed szczelinami, można uzyskać informację „która ścieżka” i obraz interferencyjny zniknie.

4c. Umieszczenie odpowiednio zorientowanego polaryzatora P przed detektorem D1 kasuje informację „w którą stronę” i przywraca zakłócenia.

W rzeczywistości po prawidłowym umieszczeniu płytek ćwierćfalowych przed szczelinami, obserwowany wcześniej rozkład zliczeń, wskazujący na interferencję, zanika. Najdziwniejsze jest to, że dzieje się to bez udziału świadomego obserwatora, który potrafi dokonać odpowiednich pomiarów! Samo umieszczenie płytek ćwierćfalowych powoduje efekt eliminacji zakłóceń.. Skąd więc foton wie, że po włożeniu płytek możemy określić szczelinę, przez którą przeszedł?

To jednak nie koniec dziwactw. Teraz możemy przywrócić interferencję fotonów sygnałowych bez bezpośredniego wpływu na nią. W tym celu na drodze dotarcia fotonu kontrolnego do detektora D1 umieść polaryzator tak, aby przepuszczał światło o polaryzacji będącej kombinacją polaryzacji obu splątanych fotonów (4c). To natychmiast odpowiednio zmienia polaryzację fotonu sygnałowego. Obecnie nie można już z całą pewnością określić, jaka jest polaryzacja fotonu padającego na szczeliny i przez którą szczelinę foton przeszedł. W takim przypadku interferencja zostaje przywrócona!

Usuń informacje o opóźnionym wyborze

Opisane powyżej eksperymenty przeprowadzono w taki sposób, aby foton kontrolny został zarejestrowany przez detektor D1, zanim foton sygnałowy dotarł do detektora D2. Wymazywanie informacji „która ścieżka” odbywało się poprzez zmianę polaryzacji fotonu kontrolnego, zanim foton sygnałowy dotarł do detektora D2. Wtedy można sobie wyobrazić, że kontrolujący foton już powiedział swojemu „bliźniakowi”, co ma dalej robić: interweniować czy nie.

Teraz modyfikujemy eksperyment w taki sposób, aby foton kontrolny trafił na detektor D1 po zarejestrowaniu fotonu sygnałowego na detektorze D2. W tym celu odsuń detektor D1 od źródła fotonu. Wzór interferencji wygląda tak samo jak poprzednio. Teraz umieśćmy płytki ćwierćfalowe przed szczelinami, aby określić, jaką drogę przebył foton. Wzór interferencji znika. Następnie usuńmy informację „w którą stronę” umieszczając odpowiednio zorientowany polaryzator przed detektorem D1. Wzór interferencji pojawia się ponownie! Jednak wymazanie nastąpiło po zarejestrowaniu fotonu sygnałowego przez detektor D2. Jak to jest możliwe? Foton musiał być świadomy zmiany biegunowości, zanim jakakolwiek informacja o niej mogła do niego dotrzeć.

5. Eksperymenty z wiązką laserową.

Naturalna kolejność zdarzeń jest tu odwrócona; skutek poprzedza przyczynę! Wynik ten podważa zasadę przyczynowości w otaczającej nas rzeczywistości. A może czas nie ma znaczenia, jeśli chodzi o splątane cząstki? Splątanie kwantowe narusza zasadę lokalności w fizyce klasycznej, zgodnie z którą na obiekt może oddziaływać tylko jego bezpośrednie otoczenie.

Od czasu brazylijskiego eksperymentu przeprowadzono wiele podobnych eksperymentów, które w pełni potwierdzają przedstawione tutaj wyniki. Na koniec czytelnik chciałby jasno wyjaśnić tajemnicę tych nieoczekiwanych zjawisk. Niestety nie da się tego zrobić. Logika mechaniki kwantowej różni się od logiki świata, który widzimy na co dzień. Musimy to z pokorą przyjąć i cieszyć się, że prawa mechaniki kwantowej dokładnie opisują zjawiska zachodzące w mikrokosmosie, które są z pożytkiem wykorzystywane w coraz bardziej zaawansowanych urządzeniach technicznych.