Ing jantung mekanika kuantum

Richard Feynman, salah sawijining fisikawan paling gedhe ing abad kaping XNUMX, nyatakake yen kunci kanggo mangerteni mekanika kuantum yaiku "eksperimen celah ganda". Eksperimen sing prasaja kanthi konsep iki, sing ditindakake saiki, terus ngasilake panemuan sing luar biasa. Dheweke nuduhake manawa ora cocog karo akal sehat yaiku mekanika kuantum, sing pungkasane nyebabake panemuan paling penting sajrone sèket taun kepungkur.

Kanggo pisanan, dheweke nganakake eksperimen celah kaping pindho. Thomas Young (1) ing Inggris ing awal abad XIX.

Eksperimen Young

Eksperimen iki digunakake kanggo nuduhake yen cahya iku alam gelombang lan dudu sifat corpuscular, kaya sing wis kasebut sadurunge. Isaac Newton. Young mung nuduhake yen cahya manut campur tangan - fenomena sing minangka fitur sing paling khas (preduli saka jinis gelombang lan medium sing nyebar). Dina iki, mekanika kuantum nyetujoni loro pandangan sing kontradiktif kanthi logis kasebut.

Elingi inti saka eksperimen pindho irisan. Kaya biasane, maksudku ombak ing permukaan banyu sing nyebar kanthi konsentris ing sekitar papan sing dibuwang. 

Gelombang kawangun dening crests lan troughs sukses radiating saka titik gangguan, nalika njaga jarak tetep antarane crests, kang disebut dawa gelombang. A alangi bisa diselehake ing dalan saka gelombang, contone, ing wangun Papan karo rong slot panah Cut liwat kang banyu bisa mili bebas. Mbuwang kerikil menyang banyu, gelombang mandheg ing partisi - nanging ora cukup. Loro gelombang concentric anyar (2) saiki propagate menyang sisih liyane saka pemisahan saka loro slot. Padha superimposed ing saben liyane, utawa, kita ngomong, ngganggu saben liyane, nggawe pola karakteristik ing lumahing. Ing panggonan-panggonan ing ngendi puncak gelombang ketemu puncak liyane, banyu bulge intensif, lan ing ngendi kothong ketemu lembah, depresi deepens.

2. Interferensi ombak sing metu saka rong slot.

Ing eksperimen Young, cahya siji-werna sing dipancarake saka sumber titik ngliwati diafragma opaque kanthi rong celah lan kenek layar ing mburine (dina iki luwih seneng nggunakake sinar laser lan CCD). Gambar interferensi gelombang cahya diamati ing layar kanthi bentuk garis bolak-balik cahya lan peteng (3). Asil iki nguatake kapercayan yen cahya minangka gelombang, sadurunge panemuan ing awal taun XNUMX-an nuduhake yen cahya uga gelombang. fluks foton yaiku partikel cahya sing ora duwe massa istirahat. Mengko ternyata misterius gelombang-partikel dualitypisanan ditemokaké kanggo cahya uga ditrapake kanggo partikel liyane endowed karo massa. Iku banjur dadi basis kanggo gambaran mekanika kuantum anyar ing donya.

3. Vision saka eksperimen Young

Partikel uga ngganggu

Ing taun 1961, Klaus Jonsson saka Universitas Tübingen nduduhake interferensi partikel massive - elektron nggunakake mikroskop elektron. Sepuluh taun sabanjure, telung fisikawan Italia saka Universitas Bologna nindakake eksperimen sing padha karo interferensi elektron tunggal (nggunakake sing disebut biprism tinimbang irisan pindho). Padha suda kakiyatan saka berkas elektron kanggo kuwi nilai kurang sing elektron liwati liwat biprism siji sawise liyane, siji sawise liyane. Elektron iki kadhaptar ing layar neon.

Kaping pisanan, tilase elektron disebarake kanthi acak ing layar, nanging liwat wektu padha mbentuk gambar interferensi sing béda saka pinggiran interferensi. Iku misale jek mokal yen loro elektron liwat celah ing suksesi ing wektu beda bisa ngganggu siji liyane. Mula, kita kudu ngakoni siji elektron ngganggu dhewe! Nanging banjur elektron kudu ngliwati loro celah ing wektu sing padha.

Sampeyan bisa uga nggodho kanggo ndeleng bolongan sing bener liwati elektron. Mengko kita bakal weruh carane nggawe pengamatan kuwi tanpa ngganggu obahe elektron. Pranyata yen kita entuk informasi babagan apa sing ditampa elektron, banjur gangguan ... bakal ilang! Informasi "carane" ngrusak gangguan. Apa iki tegese anane pengamat sing sadar mengaruhi proses fisik?

Sadurunge ngomong babagan asil sing luwih nggumunake saka eksperimen irisan kaping pindho, aku bakal nggawe digression cilik babagan ukuran obyek sing ngganggu. Interferensi kuantum obyek massa ditemokake pisanan kanggo elektron, banjur kanggo partikel kanthi massa tambah: neutron, proton, atom, lan pungkasane kanggo molekul kimia gedhe.

Ing taun 2011, rekor ukuran obyek kasebut rusak, ing ngendi fenomena interferensi kuantum dituduhake. Eksperimen kasebut ditindakake ing Universitas Wina dening mahasiswa doktoral ing wektu kasebut. Sandra Eibenberger lan kanca-kancane. Molekul organik kompleks sing ngemot kira-kira 5 proton, 5 ewu neutron lan 5 ewu elektron dipilih kanggo eksperimen kanthi rong istirahat! Ing eksperimen sing rumit banget, interferensi kuantum saka molekul gedhe iki diamati.

Iki dikonfirmasi kapercayan sing Hukum mekanika kuantum manut ora mung partikel dhasar, nanging uga saben obyek materi. Mung yen obyek sing luwih kompleks, luwih akeh interaksi karo lingkungan, sing nglanggar sifat kuantum sing subtle lan ngrusak efek interferensi..

Entanglement kuantum lan polarisasi cahya

Asil sing paling nggumunake saka eksperimen celah kaping pindho yaiku nggunakake cara khusus kanggo nglacak foton, sing ora ngganggu gerakane kanthi cara apa wae. Cara iki nggunakake salah sawijining fenomena kuantum sing paling aneh, sing diarani entanglement kuantum. Fenomena iki ditemokake ing taun 30-an dening salah sawijining pencipta utama mekanika kuantum, Erwin Schrödinger.

Einstein sing mamang (ndeleng uga 🙂 disebut tumindak ghostly ing kadohan. Nanging, mung setengah abad mengko pinunjul saka efek iki temen maujud, lan dina iki wis dadi subyek saka kapentingan khusus kanggo fisikawan.

Apa efek iki? Yen rong partikel sing cedhak karo siji liyane ing sawetara titik ing wektu interaksi banget banget karo siji liyane sing padha mbentuk jenis "hubungan kembar", banjur sesambetan tetep sanajan partikel iku atusan kilometer. Banjur partikel tumindak minangka sistem tunggal. Iki tegese nalika kita nindakake tumindak ing siji partikel, iku langsung mengaruhi partikel liyane. Nanging, kanthi cara iki kita ora bisa terus-terusan ngirim informasi ing jarak sing adoh.

Foton minangka partikel tanpa massa - bagéan dhasar saka cahya, yaiku gelombang elektromagnetik. Sawise ngliwati piring kristal sing cocog (disebut polarizer), cahya dadi polarisasi linier, yaiku. vektor medan listrik saka gelombang elektromagnetik osilasi ing bidang tartamtu. Sabanjure, kanthi ngliwati cahya polarisasi linier liwat piring kanthi kekandelan tartamtu saka kristal tartamtu liyane (disebut piring gelombang seprapat), bisa diowahi dadi cahya polarisasi sirkuler, ing ngendi vektor medan listrik bergerak kanthi heliks ( clockwise utawa counterclockwise) gerakan ing arah propagasi gelombang. Dadi, siji bisa ngomong babagan foton polarisasi linier utawa bunder.

Eksperimen karo foton entangled

4a. Kristal BBO non-linear ngowahi foton sing dipancarake dening laser argon dadi rong foton entangled kanthi setengah energi lan polarisasi sing saling jejeg. Foton iki kasebar ing arah sing beda-beda lan direkam dening detektor D1 lan D2, disambungake dening counter kebetulan LK. Diafragma kanthi rong celah diselehake ing jalur salah sawijining foton. Nalika loro detektor ndhaptar rawuh meh simultaneous loro foton, sinyal disimpen ing memori piranti, lan detector D2 langkah podo karo slits. Jumlah foton gumantung ing posisi detektor D2, mangkono direkam, ditampilake ing kothak, nuduhake maxima lan minima, nuduhake gangguan.

Ing taun 2001, klompok ahli fisika Brasil ing Belo Horizonte tampil kanthi bimbingan Stephen Walborn eksperimen sing ora biasa. Penulise nggunakake sifat kristal khusus (disingkat BBO), sing ngowahi bagean tartamtu saka foton sing dipancarake dening laser argon dadi rong foton kanthi setengah energi. Foton loro iki digandhengake karo siji liyane; nalika salah siji saka wong-wong mau wis, contone, polarisasi horisontal, liyane wis polarisasi vertikal. Foton iki pindhah ing rong arah sing beda lan nduweni peran sing beda ing eksperimen sing diterangake.

Salah sawijining foton sing bakal kita jenengake kontrol, langsung menyang detektor foton D1 (4a). Detektor nyathet tekane kanthi ngirim sinyal listrik menyang piranti sing diarani hit counter. LK Eksperimen interferensi bakal ditindakake ing foton kapindho; kita bakal nelpon dheweke sinyal foton. Ana celah dobel ing dalane, disusul detektor foton kapindho, D2, rada adoh saka sumber foton tinimbang detektor D1. Detektor iki bisa mlumpat ngubengi slot dual saben-saben nampa sinyal sing cocog saka counter hit. Nalika detektor D1 ndhaptar foton, ngirim sinyal menyang counter kebetulan. Yen ing wayahe detektor D2 uga ndhaptar foton lan ngirim sinyal menyang meter, banjur bakal ngenali sing asalé saka foton entangled, lan kasunyatan iki bakal disimpen ing memori piranti. Prosedur iki ora kalebu registrasi foton acak sing mlebu detektor.

Foton entangled tetep nganti 400 detik. Sawise wektu iki, detektor D2 dipindhah 1 mm babagan posisi slits, lan pancacahan foton entangled njupuk liyane 400 detik. Banjur detektor dipindhah maneh kanthi 1 mm lan prosedur kasebut diulang kaping pirang-pirang. Pranyata distribusi jumlah foton sing direkam kanthi cara iki gumantung saka posisi detektor D2 nduweni karakteristik maksimal lan minimal sing cocog karo pinggiran cahya lan peteng lan interferensi ing eksperimen Young (4a).

Kita ngerteni maneh foton siji liwat irisan pindho ngganggu saben liyane.

Carane?

Langkah sabanjure ing eksperimen yaiku nemtokake bolongan sing dilewati foton tartamtu tanpa ngganggu gerakane. Properti sing digunakake ing kene piring gelombang seprapat. Piring gelombang seprapat diselehake ing ngarep saben celah, sing siji ngganti polarisasi linier foton kedadeyan dadi bunder searah jarum jam, lan liyane dadi polarisasi bunder kiwa (4b). Diverifikasi manawa jinis polarisasi foton ora mengaruhi jumlah foton sing diitung. Saiki, kanthi nemtokake rotasi polarisasi foton sawise ngliwati celah-celah kasebut, sampeyan bisa nemtokake manawa foton kasebut liwati. Ngerti "ing arah endi" ngrusak gangguan.

4b. Kanthi nempatake piring gelombang seprapat (persegi panjang teduh) ing ngarep celah, informasi "cara endi" bisa dipikolehi lan gambar interferensi bakal ilang.

4c. Nempatake polarizer P sing berorientasi tepat ing ngarep detektor D1 mbusak informasi "carane" lan mulihake gangguan kasebut.

Sejatine, sawise panggonan sing bener saka piring seprapat-gelombang ing ngarepe slits, distribusi counts sing diamati sadurunge, indikatif gangguan, ilang. Sing paling aneh yaiku kedadeyan kasebut tanpa partisipasi pengamat sadar sing bisa nggawe pangukuran sing cocog! Panggonan mung piring seprapat gelombang ngasilake efek pembatalan interferensi.. Dadi, kepiye foton ngerti yen sawise nglebokake piring, kita bisa nemtokake celah sing dilewati?

Nanging, iki ora pungkasan saka aneh. Saiki kita bisa mulihake gangguan foton sinyal tanpa mengaruhi langsung. Kanggo nindakake iki, ing jalur foton kontrol tekan detektor D1, pasang polarizer supaya ngirimake cahya kanthi polarisasi sing minangka kombinasi polarisasi saka loro foton entangled (4c). Iki langsung ngganti polaritas sinyal foton. Saiki ora bisa nemtokake kanthi pasti apa polarisasi kedadeyan foton ing celah-celah, lan liwat celah foton kasebut. Ing kasus iki, gangguan dibalèkaké!

Busak informasi pilihan sing ditundha

Eksperimen sing diterangake ing ndhuwur ditindakake kanthi cara supaya foton kontrol didaftar dening detektor D1 sadurunge foton sinyal tekan detektor D2. Mbusak informasi "cara kang" ditindakake kanthi ngganti polarisasi foton kontrol sadurunge foton sinyal tekan detektor D2. Banjur siji bisa mbayangno yen foton kontrol wis ngandhani "kembar" apa sing kudu ditindakake sabanjure: campur utawa ora.

Saiki kita ngowahi eksperimen kasebut supaya foton kontrol tekan detektor D1 sawise foton sinyal didaftar ing detektor D2. Kanggo nindakake iki, pindhah detektor D1 adoh saka sumber foton. Pola interferensi katon padha karo sadurunge. Saiki ayo nyelehake piring gelombang seprapat ing ngarep celah kanggo nemtokake dalan sing dijupuk foton. Pola interferensi ilang. Sabanjure, ayo mbusak informasi "cara endi" kanthi nyelehake polarizer sing berorientasi kanthi tepat ing ngarep detektor D1. Pola interferensi katon maneh! Nanging pambusakan rampung sawise sinyal foton wis didaftar dening detektor D2. Kepiye carane iki bisa ditindakake? Foton kudu ngerti owah-owahan polaritas sadurunge ana informasi babagan foton kasebut.

5. Eksperimen karo sinar laser.

Urut-urutane kedadeyan alam dibalikake ing kene; efek ndhisiki sabab! Asil iki ngrusak prinsip kausalitas ing kasunyatan ing sekitar kita. Utawa Mungkin wektu ora Matter nalika nerangake entangled partikel? Entanglement kuantum nglanggar prinsip lokalitas ing fisika klasik, miturut obyek kasebut mung bisa kena pengaruh lingkungan langsung.

Wiwit eksperimen Brasil, akeh eksperimen sing padha wis ditindakake, sing ngonfirmasi kanthi lengkap asil sing ditampilake ing kene. Pungkasane, sing maca pengin nerangake kanthi jelas babagan misteri fenomena sing ora dikarepake kasebut. Sayange, iki ora bisa ditindakake. Logika mekanika kuantum beda karo logika donya sing kita deleng saben dina. Kita kudu andhap asor nampa iki lan bungah ing kasunyatan sing hukum mekanika kuantum kanthi akurat njlèntrèhaké fénoména kedadean ing microcosm, sing migunani digunakake ing piranti teknis sing luwih maju.