Kvanttimekaniikan ytimessä

Richard Feynman, yksi XNUMX-luvun suurimmista fyysikoista, väitti, että avain kvanttimekaniikan ymmärtämiseen on "kaksoisrakokoe". Tämä käsitteellisesti yksinkertainen kokeilu, joka suoritetaan tänään, tuottaa edelleen hämmästyttäviä löytöjä. Ne osoittavat, kuinka yhteensopimatonta tervettä järkeä on kvanttimekaniikka, joka lopulta johti viimeisten viidenkymmenen vuoden tärkeimpiin keksintöihin.

Ensimmäistä kertaa hän suoritti kaksoisrakokokeen. Thomas Young (1) Englannissa XNUMX-luvun alussa.

Youngin kokeilu

Koetta käytettiin osoittamaan, että valo on aaltoluonteista eikä korpuskulaarista, kuten aiemmin todettiin. Isaac Newton. Young osoitti juuri, että valo tottelee väliintuloa - ilmiö, joka on tyypillisin piirre (riippumatta aallon tyypistä ja väliaineesta, jossa se etenee). Nykyään kvanttimekaniikka sovittaa yhteen nämä kaksi loogisesti ristiriitaista näkemystä.

Muistakaamme kaksoisrako-kokeen ydin. Kuten tavallista, tarkoitan veden pinnalla olevaa aaltoa, joka leviää samankeskisesti sen paikan ympärille, johon kivi heitettiin. 

Aallon muodostavat peräkkäiset harjat ja kourut, jotka säteilevät häiriöpisteestä, säilyttäen samalla harjanteiden välillä vakioetäisyyden, jota kutsutaan aallonpituudeksi. Aallon tielle voidaan sijoittaa este esimerkiksi laudan muodossa, jossa on kaksi kapeaa rakoa, joiden läpi vesi pääsee virtaamaan vapaasti. Heittää kivi veteen, aalto pysähtyy väliseinään - mutta ei aivan. Kaksi uutta samankeskistä aaltoa (2) etenee nyt osion toiselle puolelle molemmista aukoista. Ne asettuvat päällekkäin tai, kuten sanomme, häiritsevät toisiaan luoden pinnalle ominaisen kuvion. Paikoissa, joissa yhden aallon harja kohtaa toisen harjan, vesipulloitus voimistuu, ja missä ontto kohtaa laakson, syvennys syvenee.

2. Kahdesta raosta tulevien aaltojen häiriö.

Youngin kokeessa pistelähteestä säteilevä yksivärinen valo kulkee läpinäkymättömän kalvon läpi, jossa on kaksi rakoa ja osuu niiden takana olevaan näyttöön (nykyään käyttäisimme mieluummin laservaloa ja CCD:tä). Valoaallon interferenssikuva havaitaan näytöllä vuorotellen vaaleiden ja tummien raitojen sarjana (3). Tämä tulos vahvisti uskoa valon olevan aalto, ennen kuin XNUMX-luvun alussa tehdyt löydöt osoittivat, että valo oli myös aalto. fotonivuo ovat kevyitä hiukkasia, joilla ei ole lepomassaa. Myöhemmin kävi ilmi, että salaperäinen aalto-hiukkanen kaksinaisuusEnsin valolle löydetty pätee myös muihin hiukkasiin, joilla on massaa. Siitä tuli pian perusta uudelle kvanttimekaaniselle maailmankuvaukselle.

3. Visio Youngin kokeilusta

Myös hiukkaset häiritsevät

Vuonna 1961 Klaus Jonsson Tübingenin yliopistosta osoitti massiivisten hiukkasten - elektronien - interferenssin elektronimikroskoopilla. Kymmenen vuotta myöhemmin kolme italialaista fyysikkoa Bolognan yliopistosta suoritti samanlaisen kokeen yhden elektronin häiriö (käyttäen ns. biprismaa kaksoisraon sijaan). Ne pienensivät elektronisäteen intensiteetin niin pieneksi, että elektronit kulkivat biprisman läpi peräkkäin, peräkkäin. Nämä elektronit rekisteröitiin fluoresoivalle näytölle.

Aluksi elektronijäljet ​​jakautuivat satunnaisesti näytölle, mutta ajan myötä ne muodostivat selkeän interferenssikuvan häiriöreunoista. Näyttää mahdottomalta, että kaksi rakojen läpi peräkkäin eri aikoina kulkevaa elektronia voisi häiritä toisiaan. Siksi meidän on tunnustettava se yksi elektroni häiritsee itseään! Mutta silloin elektronin pitäisi kulkea molempien rakojen läpi samanaikaisesti.

Saattaa olla houkuttelevaa katsoa reikää, jonka läpi elektroni todella kulki. Myöhemmin näemme, kuinka tällainen havainto tehdään häiritsemättä elektronin liikettä. Osoittautuu, että jos saamme tietoa siitä, mitä elektroni on vastaanottanut, häiriö ... katoaa! "Miten"-tieto tuhoaa häiriöt. Tarkoittaako tämä sitä, että tietoisen tarkkailijan läsnäolo vaikuttaa fyysisen prosessin kulkuun?

Ennen kuin puhun vieläkin yllättävämmistä kaksoisrakokokeiden tuloksista, teen pienen poikkeuksen häiritsevien esineiden koosta. Massakohteiden kvanttihäiriö havaittiin ensin elektroneille, sitten hiukkasille, joiden massa on kasvava: neutroneille, protoneille, atomeille ja lopuksi suurille kemiallisille molekyyleille.

Vuonna 2011 rikottiin esineen koon ennätys, jolla kvanttihäiriöilmiö demonstroitiin. Kokeen suoritti Wienin yliopistossa tuon ajan tohtoriopiskelija. Sandra Eibenberger ja hänen työtoverinsa. Kokeeseen valittiin monimutkainen orgaaninen molekyyli, joka sisälsi noin 5 protonia, 5 tuhatta neutronia ja 5 tuhatta elektronia, kahdella tauolla! Erittäin monimutkaisessa kokeessa havaittiin tämän valtavan molekyylin kvanttihäiriö.

Tämä vahvisti sen uskon Kvanttimekaniikan lait eivät tottele vain alkuainehiukkasia, vaan myös kaikkia aineellisia esineitä. Vain sitä, että mitä monimutkaisempi esine, sitä enemmän se on vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa, mikä rikkoo sen hienovaraisia ​​kvanttiominaisuuksia ja tuhoaa häiriövaikutuksia..

Valon kvanttisekoittuminen ja polarisaatio

Yllättävimmät tulokset kaksoisrakokokeista saatiin käyttämällä erityistä fotonin seurantamenetelmää, joka ei häirinnyt sen liikettä millään tavalla. Tämä menetelmä käyttää yhtä oudoimmista kvanttiilmiöistä, ns kvanttisekoittuminen. Tämän ilmiön huomasi jo 30-luvulla yksi kvanttimekaniikan päätekijöistä, Erwin Schrödinger.

Skeptinen Einstein (katso myös 🙂 kutsui niitä aavemaiseksi etätoiminnaksi. Kuitenkin vasta puoli vuosisataa myöhemmin tämän vaikutuksen merkitys tajusi, ja nykyään siitä on tullut fyysikkojen erityisen kiinnostava aihe.

Mistä tämä vaikutus johtuu? Jos kaksi lähellä toisiaan jossain vaiheessa olevaa hiukkasta vuorovaikuttavat niin voimakkaasti toistensa kanssa, että ne muodostavat eräänlaisen "kaksoissuhteen", suhde jatkuu myös silloin, kun hiukkaset ovat satojen kilometrien päässä toisistaan. Silloin hiukkaset käyttäytyvät yhtenä järjestelmänä. Tämä tarkoittaa, että kun suoritamme toiminnon yhdelle hiukkaselle, se vaikuttaa välittömästi toiseen hiukkaseen. Tällä tavalla emme kuitenkaan voi välittää tietoa ajattomasti kaukaa.

Fotoni on massaton hiukkanen - valon alkeisosa, joka on sähkömagneettinen aalto. Kulkiessaan vastaavan kiteen levyn (kutsutaan polarisaattoriksi) läpi valo muuttuu lineaarisesti polarisoituneeksi, ts. sähkömagneettisen aallon sähkökenttävektori värähtelee tietyssä tasossa. Ohjaamalla lineaarisesti polarisoitua valoa tietyn paksuisen levyn läpi toisesta tietystä kiteestä (ns. neljännesaaltolevy), se voidaan puolestaan ​​muuntaa ympyräpolarisoiduksi valoksi, jossa sähkökenttävektori liikkuu kierteessä ( myötä- tai vastapäivään) liike aallon etenemissuunnassa. Näin ollen voidaan puhua lineaarisesti tai ympyräpolarisoituneista fotoneista.

Kokeet sotkeutuneilla fotoneilla

4a. Epälineaarinen BBO-kide muuntaa argonlaserin lähettämän fotonin kahdeksi kietoutuvaksi fotoniksi, joiden energia on puolet ja polarisaatio on keskenään kohtisuorassa. Nämä fotonit siroavat eri suuntiin ja ne tallennetaan ilmaisimilla D1 ja D2, jotka on yhdistetty koinsidenssilaskimella LK. Toisen fotonin reitille asetetaan kalvo, jossa on kaksi rakoa. Kun molemmat ilmaisimet rekisteröivät molempien fotonien lähes samanaikaisen saapumisen, signaali tallennetaan laitteen muistiin ja ilmaisin D2 astuu rakojen suuntaisesti. Näin tallennettujen fotonien määrä anturin D2 asennosta riippuen näkyy laatikossa, joka näyttää maksimit ja minimit, jotka osoittavat häiriöitä.

Vuonna 2001 ryhmä brasilialaisia ​​fyysikoita Belo Horizontessa esiintyi mm. Stephen Walborn epätavallinen kokeilu. Sen kirjoittajat käyttivät erikoiskiteen ominaisuuksia (lyhennetty BBO), joka muuntaa tietyn osan argonlaserin lähettämistä fotoneista kahdeksi fotoniksi puolet energiasta. Nämä kaksi fotonia ovat kietoutuneet toisiinsa; kun toisella niistä on esimerkiksi vaakapolarisaatio, toisella on pystypolarisaatio. Nämä fotonit liikkuvat kahteen eri suuntaan ja niillä on eri rooleja kuvatussa kokeessa.

Yksi fotoneista, jonka aiomme nimetä valvoa, menee suoraan fotonitunnistimeen D1 (4a). Ilmaisin rekisteröi saapumisensa lähettämällä sähköisen signaalin osumalaskurin laitteeseen. LK Toisella fotonilla suoritetaan häiriökoe; soitamme hänelle signaalifotoni. Sen reitillä on kaksoisrako, jota seuraa toinen fotonidetektori, D2, hieman kauempana fotonilähteestä kuin ilmaisin D1. Tämä ilmaisin voi hypätä suhteessa kaksoisväliin joka kerta, kun se vastaanottaa sopivan signaalin osumalaskimelta. Kun ilmaisin D1 rekisteröi fotonin, se lähettää signaalin koinsidenssilaskuriin. Jos tunnistin D2 rekisteröi hetken kuluttua myös fotonin ja lähettää signaalin mittarille, niin se tunnistaa sen tulevan kietoutuneista fotoneista ja tämä seikka tallentuu laitteen muistiin. Tämä menettely sulkee pois ilmaisimeen tulevien satunnaisten fotonien rekisteröinnin.

Sotkeutuneet fotonit säilyvät 400 sekuntia. Tämän ajan jälkeen ilmaisin D2 siirtyy 1 mm:n verran rakojen asentoon nähden, ja takertuneiden fotonien laskenta kestää vielä 400 sekuntia. Sen jälkeen ilmaisinta siirretään jälleen 1 mm ja toimenpide toistetaan monta kertaa. Osoittautuu, että tällä tavalla tallennettujen fotonien lukumäärän jakautumisella anturin D2 asennosta riippuen on tunnusomaiset maksimit ja minimit, jotka vastaavat valoa ja pimeyttä sekä interferenssihajoja Youngin kokeessa (4a).

Selvitämme sen taas kaksoisraon läpi kulkevat yksittäiset fotonit häiritsevät toisiaan.

Miten niin?

Kokeen seuraava vaihe oli määrittää reikä, jonka läpi tietty fotoni kulki häiritsemättä sen liikettä. Tässä käytetyt ominaisuudet neljännesaaltolevy. Jokaisen raon eteen asetettiin neljäsosaaaltolevy, joista yksi muutti tulevan fotonin lineaarisen polarisaation ympyrämäiseksi myötäpäivään ja toinen vasemmanpuoleiseksi ympyräpolarisaatioksi (4b). Varmistettiin, että fotonien polarisaation tyyppi ei vaikuttanut laskettujen fotonien määrään. Nyt määrittämällä fotonin polarisaation kierto sen jälkeen, kun se on kulkenut rakojen läpi, voidaan osoittaa, minkä läpi fotoni on kulkenut. Tietäminen "mihin suuntaan" tuhoaa häiriöt.

4b. Asettamalla neljännesaaltolevyt (varjostetut suorakulmiot) rakojen eteen, "kumpaan suuntaan" saadaan tietoa ja häiriökuva katoaa.

4c. Sopivasti suunnatun polarisaattorin P sijoittaminen ilmaisimen D1 eteen poistaa "kumpaan suuntaan" -tiedot ja palauttaa häiriöt.

Itse asiassa sen jälkeen, kun neljännesaaltolevyt on sijoitettu oikein rakojen eteen, aiemmin havaittu häiriötä osoittava lukemien jakauma katoaa. Kummallista on, että tämä tapahtuu ilman tietoisen tarkkailijan osallistumista, joka voi tehdä asianmukaiset mittaukset! Pelkästään neljännesaaltolevyjen sijoittaminen saa aikaan häiriönpoistovaikutuksen.. Joten mistä fotoni tietää, että levyjen asettamisen jälkeen voimme määrittää raon, jonka läpi se kulki?

Tämä ei kuitenkaan ole outouden loppu. Nyt voimme palauttaa signaalin fotonihäiriöt vaikuttamatta niihin suoraan. Tätä varten asetetaan ohjausfotonin ilmaisimen D1 reitille polarisaattori siten, että se lähettää valoa polarisaatiolla, joka on yhdistelmä molempien kietoutuneiden fotonien polarisaatioista (4c). Tämä muuttaa välittömästi signaalifotonin napaisuutta vastaavasti. Nyt ei ole enää mahdollista määrittää varmuudella, mikä on rakoihin osuvan fotonin polarisaatio ja minkä raon läpi fotoni kulki. Tässä tapauksessa häiriöt palautetaan!

Poista viivästetty valintatiedot

Yllä kuvatut kokeet suoritettiin siten, että detektori D1 rekisteröi ohjausfotonin ennen kuin signaalifotoni saavutti ilmaisimen D2. "Mihin suuntaan" -informaation pyyhkiminen suoritettiin muuttamalla ohjausfotonin polarisaatiota ennen kuin signaalifotoni saavutti ilmaisimen D2. Sitten voidaan kuvitella, että ohjaava fotoni on jo kertonut "kaksoselle" mitä tehdä seuraavaksi: puuttuako asiaan vai ei.

Nyt muokkaamme koetta siten, että ohjausfotoni osuu ilmaisimeen D1 sen jälkeen, kun signaalifotoni on rekisteröity detektoriin D2. Siirrä ilmaisin D1 pois fotonilähteestä. Häiriökuvio näyttää samalta kuin ennen. Asetetaan nyt neljännesaaltolevyt rakojen eteen määrittääksemme, minkä reitin fotoni on kulkenut. Häiriökuvio katoaa. Seuraavaksi poistetaan "kumpaan suuntaan" -tieto asettamalla sopivasti suunnattu polarisaattori ilmaisimen D1 eteen. Häiriökuvio ilmestyy taas! Silti poisto tehtiin sen jälkeen, kun ilmaisin D2 oli rekisteröinyt signaalifotonin. Kuinka tämä on mahdollista? Fotonin täytyi olla tietoinen polariteetin muutoksesta ennen kuin mitään tietoa siitä saattoi saavuttaa.

5. Kokeilut lasersäteellä.

Tapahtumien luonnollinen järjestys on tässä päinvastainen; vaikutus edeltää syyn! Tämä tulos heikentää kausaalisuuden periaatetta ympäröivässä todellisuudessa. Tai ehkä ajalla ei ole väliä sotkeutuneiden hiukkasten suhteen? Kvanttikietoutuminen rikkoo klassisen fysiikan paikallisuusperiaatetta, jonka mukaan esineeseen voi vaikuttaa vain sen välitön ympäristö.

Brasilialaisen kokeen jälkeen on tehty monia samanlaisia ​​kokeita, jotka vahvistavat täysin tässä esitetyt tulokset. Lopuksi lukija haluaa selittää selkeästi näiden odottamattomien ilmiöiden mysteerin. Valitettavasti tätä ei voida tehdä. Kvanttimekaniikan logiikka eroaa joka päivä näkemämme maailman logiikasta. Meidän täytyy nöyrästi hyväksyä tämä ja iloita siitä, että kvanttimekaniikan lait kuvaavat tarkasti mikrokosmuksessa tapahtuvia ilmiöitä, joita hyödynnetään yhä kehittyneemmissä teknisissä laitteissa.