A kvantummechanika középpontjában

Richard Feynman, a XNUMX. század egyik legnagyobb fizikusa amellett érvelt, hogy a kvantummechanika megértésének kulcsa a "kettős rés kísérlet". Ez a fogalmilag egyszerű kísérlet, amelyet ma végeznek, továbbra is elképesztő felfedezéseket hoz. Bemutatják, mennyire összeegyeztethetetlen a józan ésszel a kvantummechanika, amely végül az elmúlt ötven év legfontosabb találmányaihoz vezetett.

Először végzett kettős réses kísérletet. Thomas Young (1) Angliában a tizenkilencedik század elején.

Young kísérlete

A kísérletet arra használták, hogy bemutassák, hogy a fény hullám jellegű, és nem korpuszkuláris jellegű, amint azt korábban említettük. Isaac Newton. Young most demonstrálta, hogy a fény engedelmeskedik közbelépés - olyan jelenség, amely a legjellemzőbb tulajdonság (függetlenül attól, hogy milyen típusú hullám és milyen közegben terjed). Ma a kvantummechanika összeegyezteti ezt a két logikailag ellentmondó nézetet.

Emlékezzünk vissza a kettős réses kísérlet lényegére. Szokás szerint a víz felszínén lévő hullámra gondolok, amely koncentrikusan terjed a kavicsdobás helyén. 

Hullámot a zavarás helyéről kisugárzó, egymást követő csúcsok és mélyedések képeznek, miközben a csúcsok között állandó távolságot tartanak, amit hullámhossznak nevezünk. A hullám útjába akadályt lehet helyezni, például deszka formájában, amelyen két keskeny rés van kivágva, amelyeken a víz szabadon áramolhat. Egy kavicsot a vízbe dobva a hullám megáll a válaszfalon – de nem egészen. Két új koncentrikus hullám (2) most mindkét résből a partíció másik oldalára terjed. Egymásra rakódnak, vagy ahogy mondani szoktuk, zavarják egymást, jellegzetes mintázatot hozva létre a felületen. Azokon a helyeken, ahol az egyik hullám gerince találkozik a másikkal, a vízkidudorodás felerősödik, és ahol az üreg találkozik a völgytel, ott a mélyedés mélyül.

2. Két résből kilépő hullámok interferenciája.

Young kísérletében a pontforrásból kibocsátott egyszínű fény egy átlátszatlan membránon halad át két réssel, és a mögöttük lévő képernyőt éri (ma inkább lézerfényt és CCD-t használnánk). Egy fényhullám interferenciaképe látható a képernyőn váltakozó világos és sötét csíkok sorozata formájában (3). Ez az eredmény megerősítette azt a meggyőződést, hogy a fény hullám, mielőtt az XNUMX-as évek elején végzett felfedezések kimutatták, hogy a fény is hullám. fotonfluxus könnyű részecskék, amelyeknek nincs nyugalmi tömegük. Később kiderült, hogy a titokzatos hullám-részecske kettősségelőször a fényre fedezett fel más tömeggel felruházott részecskékre is. Hamarosan ez lett az alapja a világ új kvantummechanikai leírásának.

3. Young-kísérlet víziója

A részecskék is zavarják

1961-ben Klaus Jonsson, a Tübingeni Egyetem munkatársa elektronmikroszkóp segítségével demonstrálta a hatalmas részecskék – az elektronok – interferenciáját. Tíz évvel később a Bolognai Egyetem három olasz fizikusa végzett hasonló kísérletet egyelektronos interferencia (dupla rés helyett úgynevezett biprizmát használva). Olyan alacsony értékre csökkentették az elektronsugár intenzitását, hogy az elektronok egymás után, egymás után haladtak át a biprizmán. Ezeket az elektronokat fluoreszcens képernyőn regisztráltuk.

Kezdetben az elektronnyomok véletlenszerűen oszlottak el a képernyőn, de idővel külön interferenciaképet alkottak az interferencia peremeiről. Lehetetlennek tűnik, hogy a réseken különböző időpontokban egymás után áthaladó két elektron interferáljon egymással. Ezért ezt el kell ismernünk egy elektron interferál önmagával! De akkor az elektronnak egyszerre kell áthaladnia mindkét résen.

Csábító lehet megnézni azt a lyukat, amelyen az elektron ténylegesen áthaladt. Később látni fogjuk, hogyan lehet ilyen megfigyelést végezni anélkül, hogy megzavarnánk az elektron mozgását. Kiderül, hogy ha információt kapunk arról, hogy mit kapott az elektron, akkor az interferencia ... eltűnik! A „hogyan” információ megsemmisíti az interferenciát. Ez azt jelenti, hogy a tudatos megfigyelő jelenléte befolyásolja a fizikai folyamat lefolyását?

Mielőtt a kettős réses kísérletek még meglepőbb eredményeiről beszélnék, teszek egy kis kitérőt a zavaró objektumok méretéről. A tömeges objektumok kvantuminterferenciáját először az elektronok, majd a növekvő tömegű részecskék: neutronok, protonok, atomok, végül pedig a nagy kémiai molekulák esetében fedezték fel.

2011-ben megdőlt az objektum méretének rekordja, amelyen a kvantuminterferencia jelenségét demonstrálták. A kísérletet a Bécsi Egyetemen végezte egy akkori doktorandusz. Sandra Eibenberger és társai. Körülbelül 5 protonból, 5 ezer neutronból és 5 ezer elektronból álló komplex szerves molekulát választottunk a kísérlethez két megszakítással! Egy nagyon összetett kísérlet során ennek a hatalmas molekulának a kvantuminterferenciáját figyelték meg.

Ez megerősítette azt a hitet, hogy A kvantummechanika törvényei nemcsak az elemi részecskéknek engedelmeskednek, hanem minden anyagi tárgynak is. Csak annyit, hogy minél összetettebb az objektum, annál inkább kölcsönhatásba lép a környezettel, ami sérti finom kvantumtulajdonságait és tönkreteszi az interferenciahatásokat..

A fény kvantumösszefonódása és polarizációja

A kettős réses kísérletek legmeglepőbb eredményei a foton nyomkövetésének speciális módszeréből származtak, amely semmilyen módon nem zavarta a mozgását. Ez a módszer az egyik legfurcsább kvantumjelenség, az ún kvantumösszefonódás. Ezt a jelenséget még a 30-as években vette észre a kvantummechanika egyik fő alkotója, Erwin Schrödinger.

A szkeptikus Einstein (lásd még 🙂 kísérteties cselekvésnek nevezte őket távolról. Azonban csak fél évszázaddal később jött rá ennek a hatásnak a jelentősége, és mára a fizikusok különös érdeklődésének tárgyává vált.

Miről szól ez a hatás? Ha két egymáshoz közel eső részecske olyan erős kölcsönhatásba lép egymással, hogy egyfajta "ikerkapcsolatot" alkotnak, akkor a kapcsolat akkor is fennáll, ha a részecskék több száz kilométeres távolságra vannak egymástól. Ekkor a részecskék egységes rendszerként viselkednek. Ez azt jelenti, hogy amikor végrehajtunk egy műveletet az egyik részecskén, az azonnal hatással van egy másik részecskére. Ilyen módon azonban nem tudjuk időtlenül távolról továbbítani az információkat.

A foton tömeg nélküli részecske - a fény elemi része, amely elektromágneses hullám. A megfelelő kristály lemezén (úgy nevezett polarizátoron) áthaladva a fény lineárisan polarizálódik, azaz. az elektromágneses hullám elektromos térvektora egy bizonyos síkban oszcillál. Ha viszont lineárisan polarizált fényt vezetünk át egy bizonyos vastagságú lemezen egy másik kristályból (ún. negyedhullámú lemez), az körkörösen polarizált fénnyé alakítható, amelyben az elektromos térvektor spirálisan mozog ( óramutató járásával megegyező vagy ellentétes) mozgás a hullámterjedés iránya mentén. Ennek megfelelően lineárisan vagy cirkulárisan polarizált fotonokról beszélhetünk.

Kísérletek összegabalyodott fotonokkal

4a. Egy nemlineáris BBO kristály az argonlézer által kibocsátott fotont két összefonódott fotonná alakítja át, feleannyi energiával és egymásra merőleges polarizációval. Ezek a fotonok különböző irányokba szóródnak, és az LK koincidenciaszámlálóval összekapcsolt D1 és D2 detektorok regisztrálják őket.Az egyik foton útjába egy két réssel rendelkező membrán kerül. Amikor mindkét detektor mindkét foton közel egyidejű érkezését regisztrálja, a jel eltárolódik a készülék memóriájában, és a D2 detektor párhuzamosan lépked a réseken. A D2 detektor helyzetétől függő fotonok így rögzített száma a dobozban látható, a maximumot és minimumot mutatva, jelezve az interferenciát.

2001-ben brazil fizikusok egy csoportja Belo Horizonte-ban lépett fel irányítása alatt. Stephen Walborn szokatlan kísérlet. Szerzői egy speciális kristály (rövidítve BBO) tulajdonságait használták fel, amely az argonlézer által kibocsátott fotonok egy részét két fotonná alakítja át feleannyi energiával. Ez a két foton összefonódik egymással; ha az egyiknek például vízszintes polarizációja van, a másiknak függőleges polarizációja van. Ezek a fotonok két különböző irányba mozognak, és különböző szerepet játszanak a leírt kísérletben.

Az egyik foton, amelyet meg fogunk nevezni ellenőrzés, közvetlenül a D1 fotondetektorhoz (4a) megy. Az érzékelő úgy regisztrálja az érkezését, hogy elektromos jelet küld a találatszámlálónak nevezett eszközhöz. LK A második fotonon interferenciakísérletet fogunk végezni; hívjuk őt jel foton. Egy kettős rés van az útjában, amelyet egy második fotondetektor, a D2 követ, valamivel távolabb a fotonforrástól, mint a D1 detektor. Ez az érzékelő ugrálhat a kettős réshez képest minden alkalommal, amikor megfelelő jelet kap a találatszámlálótól. Amikor a D1 detektor egy fotont regisztrál, jelet küld a koincidencia-számlálónak. Ha egy pillanat alatt a D2 detektor is regisztrál egy fotont és jelet küld a mérőnek, akkor felismeri, hogy az összegabalyodott fotonokból származik, és ez a tény eltárolódik a készülék memóriájában. Ez az eljárás kizárja a detektorba belépő véletlenszerű fotonok regisztrálását.

Az összegabalyodott fotonok 400 másodpercig fennmaradnak. Ezen idő elteltével a D2 detektor 1 mm-rel elmozdul a rések helyzetéhez képest, és az összegabalyodott fotonok számlálása további 400 másodpercet vesz igénybe. Ezután a detektor ismét 1 mm-rel elmozdul, és az eljárást többször megismételjük. Kiderült, hogy az így rögzített fotonok számának a D2 detektor helyzetétől függő eloszlása ​​rendelkezik Young-kísérletben (4a) a fény-sötétségnek és az interferencia-peremeknek megfelelő karakterisztikus maximumokkal és minimumokkal.

Megint megtudjuk a kettős résen áthaladó egyes fotonok interferálnak egymással.

Hogy érti ezt?

A kísérlet következő lépése az volt, hogy meghatározzuk azt a lyukat, amelyen egy adott foton áthaladt anélkül, hogy megzavarná a mozgását. Az itt használt tulajdonságok negyed hullámlemez. Mindegyik rés elé egy negyedhullámú lemezt helyeztek el, amelyek közül az egyik a beeső foton lineáris polarizációját az óramutató járásával megegyezően cirkulárisra, a másik pedig bal oldali cirkuláris polarizációra változtatta (4b). Igazoltuk, hogy a fotonpolarizáció típusa nem befolyásolta a megszámlált fotonok számát. Most, ha meghatározzuk a foton polarizációjának forgását, miután az áthaladt a réseken, meg lehet mutatni, hogy a foton melyiken haladt át. A „melyik irányba” ismerete megsemmisíti az interferenciát.

4b. A rések elé negyedhullámú lemezeket (árnyékolt téglalapokat) helyezve "melyik irányba" lehet információt szerezni, és az interferenciakép eltűnik.

4c. Megfelelően orientált P polarizátor elhelyezése a D1 detektor elé törli a "merrefelé" információt és helyreállítja az interferenciát.

Valójában a negyedhullámú lemezek rések előtti helyes elhelyezése után a korábban megfigyelt, interferenciát jelző számlálások eloszlása ​​eltűnik. A legfurcsább az, hogy ez tudatos megfigyelő részvétele nélkül történik, aki képes elvégezni a megfelelő méréseket! A negyedhullámú lemezek puszta elhelyezése zavarszűrő hatást eredményez.. Tehát honnan tudja a foton, hogy a lemezek behelyezése után meg tudjuk határozni azt a rést, amelyen áthaladt?

Ezzel azonban még nincs vége a furcsaságoknak. Most visszaállíthatjuk a jel foton interferenciáját anélkül, hogy közvetlenül befolyásolnánk. Ehhez a D1 detektort elérő vezérlőfoton útjába helyezzünk el egy polarizátort úgy, hogy az olyan polarizációjú fényt bocsásson át, amely mindkét összefonódott foton polarizációjának kombinációja (4c). Ez azonnal ennek megfelelően megváltoztatja a jel foton polaritását. Most már nem lehet biztosan meghatározni, hogy mi a réseken beeső foton polarizációja, és melyik résen haladt át a foton. Ebben az esetben az interferencia helyreáll!

A késleltetett kiválasztási információk törlése

A fent leírt kísérleteket úgy végeztük, hogy a kontrollfotont a D1 detektor regisztrálta, mielőtt a jelfoton elérte volna a D2 detektort. A „hogyan” információ törlése a vezérlőfoton polarizációjának megváltoztatásával történt, mielőtt a jelfoton elérte volna a D2 detektort. Ekkor el lehet képzelni, hogy a vezérlő foton már megmondta "ikerpárjának", hogy mit tegyen ezután: beavatkozzon vagy ne.

Most úgy módosítjuk a kísérletet, hogy a vezérlőfoton a D1 detektorba ütközik, miután a jelfoton regisztrálásra került a D2 detektoron. Ehhez távolítsa el a D1 detektort a fotonforrástól. Az interferencia minta ugyanúgy néz ki, mint korábban. Most helyezzünk el negyedhullámú lemezeket a rések elé, hogy meghatározzuk, melyik utat járta be a foton. Az interferencia minta eltűnik. Ezután töröljük a „melyik irányba” információt úgy, hogy egy megfelelően orientált polarizátort helyezünk a D1 detektor elé. Ismét megjelenik az interferencia minta! A törlés azonban megtörtént, miután a jel fotonját a D2 detektor regisztrálta. Hogyan lehetséges ez? A fotonnak tisztában kellett lennie a polaritásváltozással, mielőtt bármilyen információ elérhette volna.

5. Kísérletek lézersugárral.

Az események természetes sorrendje itt megfordul; a hatás megelőzi az okot! Ez az eredmény aláássa az oksági elvet a minket körülvevő valóságban. Vagy talán az idő nem számít, ha összegabalyodott részecskékről van szó? A kvantumösszefonódás sérti a lokalitás elvét a klasszikus fizikában, mely szerint egy tárgyra csak a közvetlen környezete lehet hatással.

A brazil kísérlet óta sok hasonló kísérletet végeztek, amelyek teljes mértékben megerősítik az itt bemutatott eredményeket. A végén az olvasó szeretné világosan megmagyarázni e váratlan jelenségek rejtélyét. Sajnos ezt nem lehet megtenni. A kvantummechanika logikája eltér annak a világnak a logikájától, amelyet nap mint nap látunk. Ezt alázatosan el kell fogadnunk, és örülnünk kell annak, hogy a kvantummechanika törvényei pontosan leírják a mikrokozmoszban előforduló jelenségeket, amelyeket hasznosan hasznosítanak az egyre fejlettebb technikai eszközökben.