U srcu kvantne mehanike

Richard Feynman, jedan od najvećih fizičara XNUMX. stoljeća, tvrdio je da je ključ za razumijevanje kvantne mehanike "eksperiment sa dvostrukim prorezom". Ovaj konceptualno jednostavan eksperiment, sproveden danas, nastavlja da daje neverovatna otkrića. Oni pokazuju koliko je kvantna mehanika nespojiva sa zdravim razumom, koja je na kraju dovela do najvažnijih izuma u posljednjih pedeset godina.

Po prvi put je izveo eksperiment sa dvostrukim prorezom. Thomas Young (1) u Engleskoj početkom devetnaestog veka.

Youngov eksperiment

Eksperiment je korišten da se pokaže da je svjetlost talasne prirode, a ne korpuskularne prirode, kao što je ranije navedeno. Isak Njutn. Young je upravo pokazao da se svjetlost povinuje intervencija - pojava koja je najkarakterističnija karakteristika (bez obzira na vrstu talasa i sredinu u kojoj se širi). Danas kvantna mehanika pomiruje ova dva logički kontradiktorna pogleda.

Prisjetimo se suštine eksperimenta s dvostrukim prorezom. Kao i obično, mislim na val na površini vode koji se koncentrično širi oko mjesta gdje je kamenčić bačen. 

Talas se formira uzastopnim vrhovima i koritima koji zrače iz tačke poremećaja, uz održavanje konstantne udaljenosti između vrhova, koja se naziva talasna dužina. Na putu vala može se postaviti barijera, na primjer, u obliku daske s dva uska proreza kroz koja voda može slobodno teći. Bacajući kamenčić u vodu, val se zaustavlja na pregradi - ali ne sasvim. Dva nova koncentrična talasa (2) sada se šire na drugu stranu pregrade iz oba slota. One se nalažu jedna na drugu, ili, kako mi kažemo, ometaju jedna drugu, stvarajući karakterističan uzorak na površini. Na mjestima gdje se vrh jednog vala susreće s vrhom drugog, vodeno izbočenje se pojačava, a gdje se udubljenje spaja sa dolinom, udubljenje se produbljuje.

2. Interferencija talasa koji izlaze iz dva proreza.

U Youngovom eksperimentu, jednobojna svjetlost koja se emituje iz tačkastog izvora prolazi kroz neprozirnu dijafragmu sa dva proreza i udara u ekran iza njih (danas bismo radije koristili lasersko svjetlo i CCD). Na ekranu se uočava interferentna slika svetlosnog talasa u obliku niza naizmeničnih svetlih i tamnih pruga (3). Ovaj rezultat je učvrstio uvjerenje da je svjetlost talas, prije nego što su otkrića ranih XNUMX-ih pokazala da je svjetlost također talas. fotonski tok su lake čestice koje nemaju masu mirovanja. Kasnije se ispostavilo da je tajanstvena dualnost talas-česticaprvi put otkriven za svjetlost, odnosi se i na druge čestice obdarene masom. Ubrzo je postao osnova za novi kvantnomehanički opis svijeta.

3. Vizija Youngovog eksperimenta

Čestice takođe ometaju

Klaus Jonsson sa Univerziteta u Tibingenu je 1961. demonstrirao interferenciju masivnih čestica - elektrona pomoću elektronskog mikroskopa. Deset godina kasnije, tri italijanska fizičara sa Univerziteta u Bolonji izvela su sličan eksperiment sa interferencija jednog elektrona (koristeći tzv. biprizmu umjesto dvostrukog proreza). Oni su smanjili intenzitet elektronskog snopa na tako nisku vrijednost da su elektroni prolazili kroz biprizmu jedan za drugim, jedan za drugim. Ovi elektroni su registrovani na fluorescentnom ekranu.

U početku, tragovi elektrona su bili nasumično raspoređeni po ekranu, ali su vremenom formirali jasnu interferencijsku sliku interferencijskih rubova. Čini se nemogućim da dva elektrona koji uzastopno prolaze kroz proreze u različito vrijeme mogu interferirati jedan s drugim. Stoga to moramo priznati jedan elektron interferira sam sa sobom! Ali tada bi elektron morao proći kroz oba proreza u isto vrijeme.

Možda je primamljivo pogledati rupu kroz koju je elektron zapravo prošao. Kasnije ćemo vidjeti kako napraviti takvo zapažanje bez ometanja kretanja elektrona. Ispada da ako dobijemo informaciju o tome šta je elektron primio, onda će interferencija ... nestati! Informacija "kako" uništava smetnje. Da li to znači da prisustvo svjesnog posmatrača utiče na tok fizičkog procesa?

Prije nego što progovorim o još iznenađujućim rezultatima eksperimenata s dvostrukim prorezom, napravit ću malu digresiju o veličinama ometajućih objekata. Kvantna interferencija masenih objekata otkrivena je prvo za elektrone, zatim za čestice sve veće mase: neutrone, protone, atome i na kraju za velike hemijske molekule.

Godine 2011. oboren je rekord veličine objekta na kojem je demonstrirana pojava kvantne interferencije. Eksperiment je na Univerzitetu u Beču izveo tadašnji doktorand. Sandra Eibenberger i njenih saradnika. Za eksperiment sa dva prekida odabrana je složena organska molekula koja sadrži oko 5 protona, 5 hiljada neutrona i 5 hiljada elektrona! U veoma složenom eksperimentu uočena je kvantna interferencija ovog ogromnog molekula.

Ovo je potvrdilo uvjerenje da Zakoni kvantne mehanike pokoravaju se ne samo elementarnim česticama, već i svakom materijalnom objektu. Samo da što je objekt kompleksniji, to više stupa u interakciju sa okolinom, što narušava njegova suptilna kvantna svojstva i uništava efekte interferencije..

Kvantna zapetljanost i polarizacija svjetlosti

Najiznenađujući rezultati eksperimenata sa dvostrukim prorezom došli su upotrebom posebne metode praćenja fotona, koja ni na koji način nije poremetila njegovo kretanje. Ova metoda koristi jedan od najčudnijih kvantnih fenomena, tzv kvantna zapetljanost. Ovu pojavu je još 30-ih godina primijetio jedan od glavnih kreatora kvantne mehanike, Erwin Schrödinger.

Skeptični Ajnštajn (vidi i 🙂 nazvao ih je sablasnim delovanjem na daljinu. Međutim, tek pola veka kasnije spoznao se značaj ovog efekta, koji je danas postao predmet posebnog interesovanja fizičara.

O čemu se radi u ovom efektu? Ako dvije čestice koje su blizu jedna drugoj u nekom trenutku u vremenu tako snažno stupe u interakciju jedna s drugom da formiraju neku vrstu "blizanačke veze", tada odnos traje čak i kada su čestice udaljene stotinama kilometara. Tada se čestice ponašaju kao jedan sistem. To znači da kada izvršimo radnju na jednoj čestici, ona odmah utiče na drugu česticu. Međutim, na ovaj način ne možemo bezvremenski prenositi informacije na daljinu.

Foton je čestica bez mase - elementarni dio svjetlosti, koji je elektromagnetski talas. Nakon prolaska kroz ploču odgovarajućeg kristala (koji se naziva polarizator), svjetlost postaje linearno polarizirana, tj. vektor električnog polja elektromagnetnog talasa oscilira u određenoj ravni. Zauzvrat, prolaskom linearno polarizirane svjetlosti kroz ploču određene debljine iz drugog određenog kristala (tzv. četvrtvalna ploča), ona se može pretvoriti u kružno polariziranu svjetlost, u kojoj se vektor električnog polja kreće spiralno ( u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu) kretanje duž smjera prostiranja talasa. Shodno tome, može se govoriti o linearno ili kružno polarizovanim fotonima.

Eksperimenti sa upletenim fotonima

4a. Nelinearni BBO kristal pretvara foton koji emituje argonski laser u dva zapletena fotona sa upola manjom energijom i međusobno okomitom polarizacijom. Ovi fotoni se raspršuju u različitim pravcima i registruju se detektorima D1 i D2, povezanim brojačem koincidencija LK.Na putu jednog od fotona postavljena je dijafragma sa dva proreza. Kada oba detektora registruju skoro istovremeni dolazak oba fotona, signal se pohranjuje u memoriju uređaja, a detektor D2 korača paralelno sa prorezima. Broj fotona u zavisnosti od položaja detektora D2, koji je tako snimljen, prikazan je u okviru, pokazujući maksimume i minimume, što ukazuje na interferenciju.

Grupa brazilskih fizičara u Belo Horizonteu je 2001. nastupila pod vodstvom Stephen Walborn neobičan eksperiment. Njegovi autori su koristili svojstva posebnog kristala (skraćeno BBO), koji pretvara određeni dio fotona koje emituje argonski laser u dva fotona sa upola manjom energijom. Ova dva fotona su upletena jedan u drugi; kada jedan od njih ima, na primjer, horizontalnu polarizaciju, drugi ima vertikalnu polarizaciju. Ovi fotoni se kreću u dva različita smjera i igraju različite uloge u opisanom eksperimentu.

Jedan od fotona koje ćemo imenovati kontrola, ide direktno na fotonski detektor D1 (4a). Detektor registruje svoj dolazak tako što šalje električni signal uređaju koji se zove brojač pogodaka. LK Eksperiment interferencije će biti izveden na drugom fotonu; zvaćemo ga signalni foton. Na njegovom putu nalazi se dvostruki prorez, praćen drugim detektorom fotona, D2, malo dalje od izvora fotona od detektora D1. Ovaj detektor može skočiti u odnosu na dvostruki slot svaki put kada primi odgovarajući signal od brojača pogodaka. Kada detektor D1 registruje foton, on šalje signal brojaču koincidencija. Ako za trenutak detektor D2 također registruje foton i pošalje signal mjeraču, tada će prepoznati da dolazi od upletenih fotona i ta činjenica će biti pohranjena u memoriji uređaja. Ovaj postupak isključuje registraciju slučajnih fotona koji ulaze u detektor.

Zapetljani fotoni traju 400 sekundi. Nakon tog vremena, detektor D2 se pomjera za 1 mm u odnosu na položaj proreza, a brojanje upletenih fotona traje još 400 sekundi. Zatim se detektor ponovo pomera za 1 mm i postupak se ponavlja više puta. Pokazalo se da raspodjela broja fotona snimljenih na ovaj način u zavisnosti od položaja detektora D2 ima karakteristične maksimume i minimume koji odgovaraju svjetlu i tami i interferencijskim rubovima u Youngovom eksperimentu (4a).

To ponovo saznajemo pojedinačni fotoni koji prolaze kroz dvostruki prorez interferiraju jedan s drugim.

Kako?

Sljedeći korak u eksperimentu bio je određivanje rupe kroz koju je određeni foton prošao bez ometanja njegovog kretanja. Ovdje korištena svojstva četvrt talasna ploča. Ispred svakog proreza postavljena je četvrttalasna ploča, od kojih je jedna promijenila linearnu polarizaciju upadnog fotona u kružnu u smjeru kazaljke na satu, a druga u lijevu kružnu polarizaciju (4b). Provjereno je da tip polarizacije fotona nije utjecao na broj prebrojanih fotona. Sada, određivanjem rotacije polarizacije fotona nakon što je prošao kroz proreze, moguće je naznačiti kroz koji od njih je foton prošao. Znati "u kom pravcu" uništava smetnje.

4b. Postavljanjem četvrttalasnih ploča (osenčenih pravougaonika) ispred proreza, može se dobiti informacija „u kom pravcu“ i slika interferencije će nestati.

4c. Postavljanjem odgovarajuće orijentisanog polarizatora P ispred detektora D1 briše se informacije "koji put" i vraća se interferencija.

U stvari, nakon pravilnog postavljanja četvrttalasnih ploča ispred proreza, prethodno uočena distribucija brojanja, koja ukazuje na interferenciju, nestaje. Najčudnije je da se to dešava bez učešća svjesnog posmatrača koji može napraviti odgovarajuća mjerenja! Samo postavljanje četvrttalasnih ploča proizvodi efekat poništavanja interferencije.. Pa kako foton zna da nakon umetanja ploča možemo odrediti jaz kroz koji je prošao?

Međutim, ovo nije kraj čudnosti. Sada možemo vratiti smetnje fotona signala bez direktnog utjecaja na njih. Da biste to učinili, na putanju kontrolnog fotona koji stiže do detektora D1, postavite polarizator na način da prenosi svjetlost sa polarizacijom koja je kombinacija polarizacija oba upletena fotona (4c). Ovo odmah u skladu s tim mijenja polaritet signalnog fotona. Sada više nije moguće sa sigurnošću utvrditi koja je polarizacija fotona koji upada na proreze i kroz koji prorez je foton prošao. U ovom slučaju, smetnje se vraćaju!

Obrišite informacije o odloženom odabiru

Gore opisani eksperimenti izvedeni su na način da je kontrolni foton registrovao detektor D1 prije nego što je signalni foton stigao do detektora D2. Brisanje informacije "koje staze" je izvršeno promjenom polarizacije kontrolnog fotona prije nego što je signalni foton stigao do detektora D2. Tada se može zamisliti da je foton koji kontroliše već rekao svom "blizancu" šta dalje: da interveniše ili ne.

Sada modificiramo eksperiment na način da kontrolni foton pogodi detektor D1 nakon što se signalni foton registruje na detektoru D2. Da biste to učinili, odmaknite detektor D1 od izvora fotona. Obrazac interferencije izgleda isto kao i prije. Sada postavimo četvrttalasne ploče ispred proreza da odredimo kojim je putem foton prošao. Obrazac interferencije nestaje. Zatim, izbrišemo informaciju "u kom pravcu" postavljanjem odgovarajuće orijentisanog polarizatora ispred detektora D1. Ponovo se pojavljuje interferentni obrazac! Ipak, brisanje je obavljeno nakon što je signalni foton registrovao detektor D2. Kako je to moguće? Foton je morao biti svjestan promjene polariteta prije nego što bi bilo kakva informacija o njemu stigla do njega.

5. Eksperimenti sa laserskim snopom.

Prirodni slijed događaja je ovdje obrnut; posledica prethodi uzroku! Ovaj rezultat podriva princip uzročnosti u stvarnosti oko nas. Ili možda vrijeme nije važno kada su u pitanju upletene čestice? Kvantna isprepletenost krši princip lokalnosti u klasičnoj fizici, prema kojem na objekt može utjecati samo njegova neposredna okolina.

Od brazilskog eksperimenta provedeno je mnogo sličnih eksperimenata koji u potpunosti potvrđuju ovdje prikazane rezultate. Na kraju, čitalac želi da jasno objasni misteriju ovih neočekivanih pojava. Nažalost, to se ne može učiniti. Logika kvantne mehanike je drugačija od logike svijeta koji vidimo svaki dan. Moramo to ponizno prihvatiti i radovati se činjenici da zakoni kvantne mehanike tačno opisuju fenomene koji se dešavaju u mikrokosmosu, a koji se korisno koriste u sve naprednijim tehničkim uređajima.