În centrul mecanicii cuantice

Richard Feynman, unul dintre cei mai mari fizicieni ai secolului al XX-lea, a susținut că cheia înțelegerii mecanicii cuantice este „experimentul cu dublu fante”. Acest experiment simplu din punct de vedere conceptual, desfășurat astăzi, continuă să producă descoperiri uimitoare. Ele arată cât de incompatibilă cu bunul simț este mecanica cuantică, care a dus în cele din urmă la cele mai importante invenții din ultimii cincizeci de ani.

Pentru prima dată a efectuat un experiment cu dublă fante. Thomas Young (1) în Anglia la începutul secolului al XIX-lea.

Experimentul lui Young

Experimentul a fost folosit pentru a arăta că lumina este de natură ondulatorie și nu de natură corpusculară, așa cum sa menționat anterior. Isaac Newton. Young tocmai a demonstrat că lumina se supune intervenţie - un fenomen care este trăsătura cea mai caracteristică (indiferent de tipul de undă și de mediul în care se propagă). Astăzi, mecanica cuantică reconciliază aceste două puncte de vedere logic contradictorii.

Amintiți-vă de esența experimentului cu dublă fante. Ca de obicei, ma refer la un val la suprafata apei care se intinde concentric in jurul locului in care a fost aruncata pietricica. 

Unda este formată din creste și jgheaburi succesive care radiază din punctul de perturbare, menținând în același timp o distanță constantă între creste, care se numește lungime de undă. O barieră poate fi plasată în calea valului, de exemplu, sub forma unei plăci cu două fante înguste tăiate prin care apa poate curge liber. Aruncând o pietricică în apă, valul se oprește pe despărțitor - dar nu chiar. Două noi unde concentrice (2) se propagă acum pe cealaltă parte a partiției din ambele sloturi. Ele sunt suprapuse unul peste altul sau, după cum spunem, interferează unul cu celălalt, creând un model caracteristic la suprafață. În locurile în care creasta unui val se întâlnește cu creasta altuia, umflarea apei se intensifică, iar acolo unde golul se întâlnește cu valea, depresiunea se adâncește.

2. Interferența undelor care ies din două sloturi.

În experimentul lui Young, lumina într-o singură culoare emisă de la o sursă punctuală trece printr-o diafragmă opacă cu două fante și lovește ecranul din spatele lor (azi am prefera să folosim lumină laser și un CCD). O imagine de interferență a unei unde luminoase este observată pe ecran sub forma unei serii de dungi alternative luminoase și întunecate (3). Acest rezultat a întărit credința că lumina este o undă, înainte ca descoperirile de la începutul anilor XNUMX să arate că lumina este și o undă. flux de fotoni sunt particule ușoare care nu au masă de repaus. Mai târziu s-a dovedit că misteriosul dualitate undă-particulădescoperit pentru prima dată pentru lumină se aplică și altor particule dotate cu masă. Curând a devenit baza pentru o nouă descriere mecanică cuantică a lumii.

3. Viziunea experimentului lui Young

De asemenea, particulele interferează

În 1961, Klaus Jonsson de la Universitatea din Tübingen a demonstrat interferența particulelor masive - electroni folosind un microscop electronic. Zece ani mai târziu, trei fizicieni italieni de la Universitatea din Bologna au efectuat un experiment similar cu interferență cu un singur electron (folosind o așa-numită biprismă în loc de o fantă dublă). Au redus intensitatea fasciculului de electroni la o valoare atât de mică încât electronii au trecut prin biprismă unul după altul, unul după altul. Acești electroni au fost înregistrați pe un ecran fluorescent.

Inițial, urmele de electroni au fost distribuite aleatoriu pe ecran, dar în timp au format o imagine de interferență distinctă a franjelor de interferență. Pare imposibil ca doi electroni care trec prin fante succesiv în momente diferite să poată interfera unul cu celălalt. Prin urmare, trebuie să recunoaștem că un electron interferează cu el însuși! Dar atunci electronul ar trebui să treacă prin ambele fante în același timp.

Poate fi tentant să ne uităm la gaura prin care a trecut efectiv electronul. Mai târziu vom vedea cum să facem o astfel de observație fără a perturba mișcarea electronului. Se dovedește că dacă obținem informații despre ceea ce a primit electronul, atunci interferența... va dispărea! Informația „cum” distruge interferența. Înseamnă aceasta că prezența unui observator conștient influențează cursul procesului fizic?

Înainte de a vorbi despre rezultatele și mai surprinzătoare ale experimentelor cu dublă fantă, voi face o mică digresiune despre dimensiunile obiectelor care interferează. Interferența cuantică a obiectelor de masă a fost descoperită mai întâi pentru electroni, apoi pentru particulele cu masă în creștere: neutroni, protoni, atomi și, în final, pentru molecule chimice mari.

În 2011, a fost doborât recordul pentru dimensiunea unui obiect, pe care a fost demonstrat fenomenul de interferență cuantică. Experimentul a fost realizat la Universitatea din Viena de un doctorand al vremii. Sandra Eibenberger și asociații ei. Pentru experimentul cu două pauze a fost aleasă o moleculă organică complexă care conține aproximativ 5 protoni, 5 mii de neutroni și 5 mii de electroni! Într-un experiment foarte complex, a fost observată interferența cuantică a acestei uriașe molecule.

Aceasta a confirmat convingerea că Legile mecanicii cuantice se supun nu numai particulelor elementare, ci și oricărui obiect material. Doar că, cu cât obiectul este mai complex, cu atât interacționează mai mult cu mediul înconjurător, ceea ce îi încalcă proprietățile cuantice subtile și distruge efectele de interferență..

Încurcarea cuantică și polarizarea luminii

Cele mai surprinzătoare rezultate ale experimentelor cu dublă fantă au venit din utilizarea unei metode speciale de urmărire a fotonului, care nu i-a perturbat în niciun fel mișcarea. Această metodă folosește unul dintre cele mai ciudate fenomene cuantice, așa-numitul legatura cuantica. Acest fenomen a fost observat în anii 30 de către unul dintre principalii creatori ai mecanicii cuantice, Erwin Schrödinger.

Scepticul Einstein (vezi și 🙂 i-a numit acțiune fantomatică la distanță. Cu toate acestea, doar o jumătate de secol mai târziu, semnificația acestui efect a fost realizată, iar astăzi a devenit un subiect de interes deosebit pentru fizicieni.

Despre ce este acest efect? Dacă două particule care sunt aproape una de cealaltă la un moment dat în timp interacționează atât de puternic între ele încât formează un fel de „relație gemenă”, atunci relația persistă chiar și atunci când particulele sunt la sute de kilometri una de cealaltă. Apoi particulele se comportă ca un singur sistem. Aceasta înseamnă că atunci când efectuăm o acțiune asupra unei particule, aceasta afectează imediat o altă particulă. Totuși, în acest fel nu putem transmite în mod atemporal informații la distanță.

Un foton este o particulă fără masă - o parte elementară a luminii, care este o undă electromagnetică. După trecerea printr-o placă a cristalului corespunzător (numit polarizator), lumina devine polarizată liniar, adică. vectorul câmpului electric al unei unde electromagnetice oscilează într-un anumit plan. La rândul său, prin trecerea luminii polarizate liniar printr-o placă de o anumită grosime dintr-un alt cristal particular (așa-numita placă cu un sfert de undă), aceasta poate fi transformată în lumină polarizată circular, în care vectorul câmpului electric se mișcă într-o formă elicoidală ( în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic) mișcare de-a lungul direcției de propagare a undei. În consecință, se poate vorbi de fotoni polarizați liniar sau circular.

Experimente cu fotoni încâlciți

4a. Un cristal BBO neliniar convertește un foton emis de un laser cu argon în doi fotoni încâlciți cu jumătate din energie și polarizare perpendiculară reciprocă. Acești fotoni se împrăștie în direcții diferite și sunt înregistrați de detectoarele D1 și D2, conectate printr-un numărător de coincidențe LK. Pe calea unuia dintre fotoni este plasată o diafragmă cu două fante. Când ambii detectoare înregistrează sosirea aproape simultană a ambilor fotoni, semnalul este stocat în memoria dispozitivului, iar detectorul D2 pășește paralel cu fante. Numărul de fotoni în funcție de poziția detectorului D2, astfel înregistrat, este afișat în casetă, arătând maximele și minimele, indicând interferența.

În 2001, un grup de fizicieni brazilieni din Belo Horizonte a efectuat spectacole sub îndrumarea lui Stephen Walborn experiment neobișnuit. Autorii săi au folosit proprietățile unui cristal special (abreviat ca BBO), care convertește o anumită parte din fotonii emiși de un laser cu argon în doi fotoni cu jumătate din energie. Acești doi fotoni sunt încâlciți unul cu celălalt; când unul dintre ele are, de exemplu, polarizare orizontală, celălalt are polarizare verticală. Acești fotoni se mișcă în două direcții diferite și joacă roluri diferite în experimentul descris.

Unul dintre fotonii pe care îi vom numi control, merge direct la detectorul de fotoni D1 (4a). Detectorul își înregistrează sosirea trimițând un semnal electric către un dispozitiv numit contor de lovituri. LK Se va efectua un experiment de interferență pe al doilea foton; îl vom chema foton de semnal. Există o fantă dublă în calea sa, urmată de un al doilea detector de fotoni, D2, puțin mai departe de sursa de fotoni decât detectorul D1. Acest detector poate sări în jurul slotului dublu de fiecare dată când primește un semnal potrivit de la contorul de lovituri. Când detectorul D1 înregistrează un foton, acesta trimite un semnal către contorul de coincidențe. Daca intr-un moment detectorul D2 inregistreaza si un foton si trimite un semnal la contor, atunci va recunoaste ca provine din fotoni incurcati, iar acest fapt va fi stocat in memoria aparatului. Această procedură exclude înregistrarea fotonilor aleatoriu care intră în detector.

Fotonii încurși persistă timp de 400 de secunde. După acest timp, detectorul D2 este deplasat cu 1 mm față de poziția fantelor, iar numărarea fotonilor încurcați durează încă 400 de secunde. Apoi detectorul este mișcat din nou cu 1 mm și procedura se repetă de mai multe ori. Rezultă că distribuția numărului de fotoni înregistrați în acest fel în funcție de poziția detectorului D2 are maxime și minime caracteristice corespunzătoare franjelor de lumină și întuneric și de interferență în experimentul lui Young (4a).

Aflam din nou ca fotonii simpli care trec prin fanta dublă interferează unul cu celălalt.

Cum așa?

Următorul pas al experimentului a fost să se determine gaura prin care a trecut un anumit foton fără a-i perturba mișcarea. Proprietăți folosite aici placă sfert de undă. O placă cu un sfert de undă a fost plasată în fața fiecărei fante, dintre care una a schimbat polarizarea liniară a fotonului incident în circular în sensul acelor de ceasornic, iar cealaltă la polarizarea circulară stânga (4b). S-a verificat că tipul de polarizare a fotonului nu a afectat numărul de fotoni numărați. Acum, determinând rotația polarizării fotonului după ce acesta a trecut prin fante, este posibil să se indice prin care dintre ele a trecut fotonul. A ști „în ce direcție” distruge interferența.

4b. Prin plasarea plăcilor cu un sfert de undă (dreptunghiuri umbrite) în fața fantelor, se pot obține informații „în ce direcție” și imaginea de interferență va dispărea.

4c. Plasarea unui polarizator P orientat corespunzător în fața detectorului D1 șterge informațiile „în ce direcție” și restabilește interferența.

De fapt, după așezarea corectă a plăcilor cu sfert de undă în fața fantelor, distribuția de numărare observată anterior, care indică interferența, dispare. Cel mai ciudat lucru este că acest lucru se întâmplă fără participarea unui observator conștient care poate face măsurătorile corespunzătoare! Simpla plasare a plăcilor cu un sfert de undă produce un efect de anulare a interferenței.. Deci, de unde știe fotonul că după introducerea plăcilor, putem determina golul prin care a trecut?

Cu toate acestea, acesta nu este sfârșitul ciudățeniei. Acum putem restabili interferența fotonului semnal fără a o afecta direct. Pentru a face acest lucru, pe calea fotonului de control care ajunge la detectorul D1, plasați un polarizator astfel încât să transmită lumină cu o polarizare care este o combinație a polarizărilor ambilor fotoni încâlciți (4c). Acest lucru schimbă imediat polaritatea fotonului semnal în consecință. Acum nu mai este posibil să se determine cu certitudine care este polarizarea unui foton incident pe fante și prin care fantă a trecut fotonul. În acest caz, interferența este restabilită!

Ștergeți informațiile de selecție întârziată

Experimentele descrise mai sus au fost efectuate în așa fel încât fotonul de control a fost înregistrat de detectorul D1 înainte ca fotonul semnal să ajungă la detectorul D2. Ștergerea informațiilor „în ce direcție” a fost efectuată prin schimbarea polarizării fotonului de control înainte ca fotonul semnal să ajungă la detectorul D2. Atunci ne putem imagina că fotonul de control i-a spus deja „geamănului” său ce să facă în continuare: să intervină sau nu.

Acum modificăm experimentul în așa fel încât fotonul de control să lovească detectorul D1 după ce fotonul semnal este înregistrat la detectorul D2. Pentru a face acest lucru, îndepărtați detectorul D1 de sursa de fotoni. Modelul de interferență arată la fel ca înainte. Acum să plasăm plăci cu un sfert de undă în fața fantelor pentru a determina ce cale a parcurs fotonul. Modelul de interferență dispare. Apoi, să ștergem informațiile „în ce direcție” plasând un polarizator orientat corespunzător în fața detectorului D1. Modelul de interferență apare din nou! Cu toate acestea, ștergerea a fost făcută după ce fotonul semnal a fost înregistrat de detectorul D2. Cum este posibil acest lucru? Fotonul trebuia să fie conștient de schimbarea polarității înainte ca orice informație despre el să poată ajunge la el.

5. Experimente cu un fascicul laser.

Secvența naturală a evenimentelor este inversată aici; efectul precede cauza! Acest rezultat subminează principiul cauzalității în realitatea din jurul nostru. Sau poate că timpul nu contează când vine vorba de particule încurcate? Entanglementul cuantic încalcă principiul localității din fizica clasică, conform căruia un obiect poate fi afectat doar de mediul său imediat.

De la experimentul brazilian, au fost efectuate multe experimente similare, care confirmă pe deplin rezultatele prezentate aici. În final, cititorul ar dori să explice clar misterul acestor fenomene neașteptate. Din păcate, acest lucru nu se poate face. Logica mecanicii cuantice este diferită de logica lumii pe care o vedem în fiecare zi. Trebuie să acceptăm acest lucru cu umilință și să ne bucurăm de faptul că legile mecanicii cuantice descriu cu acuratețe fenomenele care au loc în microcosmos, care sunt folosite cu folos în dispozitive tehnice din ce în ce mai avansate.