Kvantinės mechanikos esmė

Richardas Feynmanas, vienas didžiausių XX amžiaus fizikų, teigė, kad kvantinės mechanikos supratimo raktas yra „dvigubo plyšio eksperimentas“. Šis konceptualiai paprastas eksperimentas, atliktas šiandien, ir toliau duoda nuostabių atradimų. Jie parodo, kaip su sveiku protu nesuderinama kvantinė mechanika, kuri galiausiai atvedė prie svarbiausių pastarųjų penkiasdešimties metų išradimų.

Pirmą kartą jis atliko dvigubo plyšio eksperimentą. Tomas Youngas (1) Anglijoje XIX amžiaus pradžioje.

Youngo eksperimentas

Eksperimentas buvo naudojamas norint parodyti, kad šviesa yra banginės, o ne korpuskulinės, kaip minėta anksčiau. Isaac Newton. Youngas ką tik pademonstravo, kad šviesa paklūsta intervencija - reiškinys, kuris yra būdingiausias požymis (nepriklausomai nuo bangos tipo ir terpės, kurioje ji sklinda). Šiandien kvantinė mechanika suderina abu šiuos logiškai prieštaringus požiūrius.

Prisiminkime dvigubo plyšio eksperimento esmę. Kaip įprasta, turiu omenyje bangą vandens paviršiuje, kuri koncentriškai plinta aplink akmenuko išmetimo vietą. 

Bangą sudaro vienas po kito einantys keteros ir duburiai, spinduliuojantys iš trikdymo taško, išlaikant pastovų atstumą tarp keterų, kuris vadinamas bangos ilgiu. Bangos kelyje galima pastatyti užtvarą, pavyzdžiui, lentos pavidalu su dviem siauromis išpjovomis, pro kurias vanduo gali laisvai tekėti. Įmetus akmenuką į vandenį, banga sustoja ant pertvaros – bet ne visai. Dvi naujos koncentrinės bangos (2) dabar sklinda į kitą pertvaros pusę iš abiejų lizdų. Jie yra vienas ant kito arba, kaip sakome, trukdo vienas kitam, sukurdami būdingą raštą ant paviršiaus. Vietose, kur vienos bangos ketera susikerta su kitos, vandens išsipūtimas sustiprėja, o ten, kur įduba susikerta su slėniu, įdubimas gilėja.

2. Iš dviejų plyšių kylančių bangų trukdžiai.

Youngo eksperimente taškinio šaltinio skleidžiama vienos spalvos šviesa praeina per nepermatomą diafragmą su dviem plyšiais ir patenka į ekraną už jų (šiandien norėtume naudoti lazerio šviesą ir CCD). Ekrane stebimas šviesos bangos interferencinis vaizdas kintančių šviesių ir tamsių juostelių pavidalu (3). Šis rezultatas sustiprino įsitikinimą, kad šviesa yra banga, prieš tai, kai atradimai XNUMX-ųjų pradžioje parodė, kad šviesa taip pat yra banga. fotonų srautas yra lengvos dalelės, kurios neturi ramybės masės. Vėliau paaiškėjo, kad paslaptingasis bangos-dalelės dvilypumaspirmą kartą aptiktas šviesai taikomas ir kitoms dalelėms, turinčioms masę. Netrukus jis tapo naujo kvantinio mechaninio pasaulio aprašymo pagrindu.

3. Youngo eksperimento vizija

Dalelės taip pat trukdo

1961 metais Klausas Jonssonas iš Tiubingeno universiteto elektroniniu mikroskopu pademonstravo masyvių dalelių – elektronų – interferenciją. Po dešimties metų trys italų fizikai iš Bolonijos universiteto atliko panašų eksperimentą su vieno elektrono trukdžiai (naudojant vadinamąją biprizmą vietoj dvigubo plyšio). Jie sumažino elektronų pluošto intensyvumą iki tokios mažos vertės, kad elektronai vienas po kito pereidavo per biprizmą. Šie elektronai buvo užregistruoti fluorescenciniame ekrane.

Iš pradžių elektronų takai buvo atsitiktinai paskirstyti ekrane, tačiau laikui bėgant jie suformavo aiškų trukdžių kraštų trukdžių vaizdą. Atrodo neįmanoma, kad du elektronai, einantys pro plyšius iš eilės skirtingu laiku, galėtų trukdyti vienas kitam. Todėl turime tai pripažinti vienas elektronas trukdo pats sau! Bet tada elektronas turėtų praeiti pro abu plyšius vienu metu.

Gali kilti pagunda pažvelgti į skylę, pro kurią iš tikrųjų praėjo elektronas. Vėliau pamatysime, kaip atlikti tokį stebėjimą netrikdant elektrono judėjimo. Pasirodo, jei gausime informaciją apie tai, ką gavo elektronas, tada trukdžiai... išnyks! „Kaip“ informacija naikina trukdžius. Ar tai reiškia, kad sąmoningo stebėtojo buvimas įtakoja fizinio proceso eigą?

Prieš kalbėdamas apie dar labiau stebinančius dvigubo plyšio eksperimentų rezultatus, padarysiu nedidelį nukrypimą apie trukdančių objektų dydžius. Masės objektų kvantiniai trukdžiai buvo atrasti pirmiausia elektronams, vėliau – didėjančios masės dalelėms: neutronams, protonams, atomams ir galiausiai didelėms cheminėms molekulėms.

2011 metais buvo sumuštas objekto dydžio rekordas, ant kurio buvo pademonstruotas kvantinių trukdžių fenomenas. Eksperimentą Vienos universitete atliko to meto doktorantas. Sandra Eibenberger ir jos bendražygiai. Eksperimentui buvo pasirinkta sudėtinga organinė molekulė, turinti apie 5 protonus, 5 tūkstančius neutronų ir 5 tūkstančius elektronų su dviem pertraukomis! Labai sudėtingame eksperimente buvo pastebėti šios didžiulės molekulės kvantiniai trukdžiai.

Tai patvirtino įsitikinimą, kad Kvantinės mechanikos dėsniai paklūsta ne tik elementariosioms dalelėms, bet ir kiekvienam materialiam objektui. Tik kuo sudėtingesnis objektas, tuo labiau jis sąveikauja su aplinka, o tai pažeidžia jo subtiliąsias kvantines savybes ir naikina trukdžių efektus..

Šviesos kvantinis įsipainiojimas ir poliarizacija

Labiausiai nustebino dvigubo plyšio eksperimentų rezultatai, naudojant specialų fotono sekimo metodą, kuris jokiu būdu netrikdė jo judėjimo. Taikant šį metodą naudojamas vienas keisčiausių kvantinių reiškinių, vadinamasis kvantinis susipynimas. Šį reiškinį dar 30-aisiais pastebėjo vienas pagrindinių kvantinės mechanikos kūrėjų, Erwinas Schrödingeris.

Skeptiškasis Einšteinas (taip pat žr. 🙂 juos pavadino vaiduoklišku veiksmu per atstumą. Tačiau tik po pusės šimtmečio šio efekto reikšmė buvo suvokta, o šiandien jis tapo ypatingo fizikų susidomėjimo objektu.

Apie ką šis efektas? Jei dvi dalelės, kurios tam tikru momentu yra arti viena kitos, taip stipriai sąveikauja viena su kita, kad suformuoja savotišką „dvynių ryšį“, tai ryšys išlieka net tada, kai dalelės yra nutolusios šimtus kilometrų. Tada dalelės elgiasi kaip viena sistema. Tai reiškia, kad kai atliekame veiksmą vienai dalelei, tai iškart paveikia kitą dalelę. Tačiau tokiu būdu negalime laikui bėgant perduoti informacijos per atstumą.

Fotonas yra bemasė dalelė – elementari šviesos dalis, kuri yra elektromagnetinė banga. Praėjusi pro atitinkamo kristalo plokštelę (vadinamą poliarizatoriumi), šviesa tampa tiesiškai poliarizuota, t.y. elektromagnetinės bangos elektrinio lauko vektorius svyruoja tam tikroje plokštumoje. Savo ruožtu, praleidžiant tiesiškai poliarizuotą šviesą per tam tikro storio plokštę iš kito konkretaus kristalo (vadinamosios ketvirtinės bangos plokštės), ji gali būti paversta žiedine poliarizuota šviesa, kurioje elektrinio lauko vektorius juda spiraline ( pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę) judėjimas pagal bangos sklidimo kryptį. Atitinkamai, galima kalbėti apie tiesiškai arba cirkuliariai poliarizuotus fotonus.

Eksperimentai su įsipainiojusiais fotonais

4a. Netiesinis BBO kristalas paverčia argono lazerio skleidžiamą fotoną į du įsipainiojusius fotonus, kurių energija yra perpus mažesnė ir viena kitai statmena poliarizacija. Šie fotonai sklinda skirtingomis kryptimis ir yra fiksuojami detektoriais D1 ir D2, sujungtais sutapimų skaitikliu LK. Vieno iš fotonų kelyje dedama diafragma su dviem plyšiais. Kai abu detektoriai užregistruoja beveik vienu metu atplaukiančius abu fotonus, signalas išsaugomas įrenginio atmintyje, o detektorius D2 žingsniuoja lygiagrečiai plyšiams. Taip užfiksuotas fotonų skaičius, priklausantis nuo detektoriaus D2 padėties, rodomas langelyje, rodantis maksimumus ir minimumus, nurodančius trukdžius.

2001 m. Brazilijos fizikų grupė Belo Horizonte koncertavo vadovaujama Steponas Volbornas neįprastas eksperimentas. Jo autoriai panaudojo specialaus kristalo (sutrumpintai BBO), kuris tam tikrą dalį argono lazerio skleidžiamų fotonų paverčia dviem fotonais, kurių energija yra perpus mažesnė. Šie du fotonai yra įsipainioję vienas į kitą; kai vienas iš jų turi, pavyzdžiui, horizontalią poliarizaciją, kitas turi vertikalią poliarizaciją. Šie fotonai juda dviem skirtingomis kryptimis ir atlieka skirtingus vaidmenis aprašytame eksperimente.

Vienas iš fotonų, kurį ketiname pavadinti контроль, eina tiesiai į fotonų detektorių D1 (4a). Detektorius registruoja savo atvykimą siųsdamas elektrinį signalą į įrenginį, vadinamą smūgių skaitikliu. LK Interferencinis eksperimentas bus atliktas su antruoju fotonu; mes jam paskambinsime signalo fotonas. Jo kelyje yra dvigubas plyšys, po kurio yra antrasis fotonų detektorius D2, šiek tiek toliau nuo fotono šaltinio nei detektorius D1. Šis detektorius gali šokinėti aplink dvigubą lizdą kiekvieną kartą, kai gauna atitinkamą signalą iš smūgių skaitiklio. Kai detektorius D1 užregistruoja fotoną, jis siunčia signalą į sutapimų skaitiklį. Jei detektorius D2 akimirksniu taip pat užregistruoja fotoną ir siunčia signalą į matuoklį, tada jis atpažins, kad jis ateina iš įsipainiojusių fotonų, ir šis faktas bus išsaugotas įrenginio atmintyje. Ši procedūra neapima atsitiktinių fotonų, patenkančių į detektorių, registravimo.

Įsipainioję fotonai išlieka 400 sekundžių. Po šio laiko detektorius D2 pasislenka 1 mm plyšių padėties atžvilgiu, o įsipainiojusių fotonų skaičiavimas užtrunka dar 400 sekundžių. Tada detektorius vėl pajudinamas 1 mm ir procedūra kartojama daug kartų. Pasirodo, kad tokiu būdu užfiksuotų fotonų skaičiaus pasiskirstymas priklausomai nuo detektoriaus padėties D2 turi būdingus maksimumus ir minimumus, atitinkančius šviesos ir tamsos bei trukdžių pakraščius Youngo eksperimente (4a).

Mes vėl tai sužinome pavieniai fotonai, praeinantys per dvigubą plyšį, trukdo vienas kitam.

Kaip taip?

Kitas eksperimento žingsnis buvo nustatyti skylę, per kurią tam tikras fotonas praėjo netrikdydamas jo judėjimo. Čia naudojamos savybės ketvirčio bangos plokštė. Prieš kiekvieną plyšį buvo padėta ketvirčio bangos plokštė, iš kurių viena krintančio fotono tiesinę poliarizaciją pakeitė į apskritimą pagal laikrodžio rodyklę, o kita - į kairiąją apskritą poliarizaciją (4b). Buvo patikrinta, ar fotonų poliarizacijos tipas neturėjo įtakos skaičiuojamų fotonų skaičiui. Dabar, nustačius fotono poliarizacijos sukimąsi jam perėjus pro plyšius, galima nurodyti, per kurį iš jų fotonas praėjo. Žinojimas „į kurią pusę“ naikina trukdžius.

4b. Prieš plyšius padėjus ketvirčio bangos plokštes (tamsuotus stačiakampius), galima gauti informaciją „į kurią pusę“ ir trukdžių vaizdas išnyks.

4c. Tinkamai orientuoto poliarizatoriaus P padėjimas prieš detektorių D1 ištrina informaciją „į kurią pusę“ ir atkuria trukdžius.

Tiesą sakant, teisingai padėjus ketvirčio bangos plokštes prieš plyšius, anksčiau pastebėtas skaičių pasiskirstymas, rodantis trukdžius, išnyksta. Keisčiausia, kad tai vyksta nedalyvaujant sąmoningam stebėtojui, galinčiam atlikti atitinkamus matavimus! Vien ketvirčio bangos plokščių išdėstymas sukuria trukdžių panaikinimo efektą.. Taigi iš kur fotonas žino, kad įdėję plokštes galime nustatyti tarpą, per kurį jis praėjo?

Tačiau tai dar ne keistenybių pabaiga. Dabar galime atkurti signalo fotonų trukdžius, nedarant jiems tiesioginio poveikio. Norėdami tai padaryti, kontrolinio fotono, pasiekiančio detektorių D1, kelyje įdėkite poliarizatorių taip, kad jis perduotų šviesą, kurios poliarizacija yra abiejų įsipainiojusių fotonų poliarizacijų derinys (4c). Tai iš karto atitinkamai pakeičia signalo fotono poliškumą. Dabar nebeįmanoma tiksliai nustatyti, kokia yra fotono, patenkančio į plyšius, poliarizacija ir per kurią plyšį fotonas praėjo. Tokiu atveju trukdžiai atkuriami!

Ištrinti atidėto pasirinkimo informaciją

Aukščiau aprašyti eksperimentai buvo atlikti taip, kad kontrolinis fotonas buvo užregistruotas detektoriumi D1, kol signalo fotonas pasiekė detektorių D2. „Kuriu būdu“ informacija buvo ištrinta pakeitus kontrolinio fotono poliarizaciją, kol signalo fotonas pasiekė detektorių D2. Tada galima įsivaizduoti, kad valdantis fotonas savo „dvyniui“ jau pasakė, ką daryti toliau: įsikišti ar ne.

Dabar eksperimentą modifikuojame taip, kad kontrolinis fotonas patektų į detektorių D1 po to, kai signalo fotonas užregistruojamas detektoriuje D2. Norėdami tai padaryti, perkelkite detektorių D1 toliau nuo fotono šaltinio. Trikdžių modelis atrodo taip pat, kaip ir anksčiau. Dabar prieš plyšius pastatykime ketvirčio bangos plokštes, kad nustatytų, kuriuo keliu nuėjo fotonas. Interferencinis modelis išnyksta. Tada ištrinkite informaciją „į kurį kelią“ pastatydami tinkamai orientuotą poliarizatorių prieš detektorių D1. Trikdžių modelis vėl pasirodo! Tačiau ištrynimas buvo atliktas po to, kai signalo fotoną užregistravo detektorius D2. Kaip tai įmanoma? Fotonas turėjo žinoti apie poliškumo pasikeitimą, kad jį pasiektų bet kokia informacija apie jį.

5. Eksperimentai su lazerio spinduliu.

Natūrali įvykių seka čia yra atvirkštinė; pasekmė yra prieš priežastį! Šis rezultatas pažeidžia priežastingumo principą mus supančioje tikrovėje. O gal laikas neturi reikšmės, kai kalbama apie įsipainiojusias daleles? Kvantinis įsipainiojimas pažeidžia klasikinės fizikos lokalumo principą, pagal kurį objektą gali paveikti tik jo artimiausia aplinka.

Nuo Brazilijos eksperimento buvo atlikta daug panašių eksperimentų, kurie visiškai patvirtina čia pateiktus rezultatus. Pabaigoje skaitytojas norėtų aiškiai paaiškinti šių netikėtų reiškinių paslaptį. Deja, to padaryti negalima. Kvantinės mechanikos logika skiriasi nuo pasaulio, kurį matome kiekvieną dieną, logikos. Turime tai nuolankiai priimti ir pasidžiaugti tuo, kad kvantinės mechanikos dėsniai tiksliai apibūdina mikrokosmose vykstančius reiškinius, kurie naudingai panaudojami vis tobulesniuose techniniuose įrenginiuose.