Il-bażi tal-mekkanika kwantistika

Richard Feynman, wieħed mill-akbar fiżiċi tas-seklu 19, argumenta li ċ-ċavetta biex nifhmu l-mekkanika kwantistika kienet l-"esperiment ta 'qasma doppja." Dan l-esperiment kunċettwalment sempliċi, imwettaq illum, ikompli jagħti skoperti aqwa. Huma juru kemm il-mekkanika kwantistika hija inkompatibbli mas-sens komun, li fl-aħħar mill-aħħar wassal għall-aktar invenzjonijiet importanti tal-aħħar ħamsin sena.

Mexxa esperiment b'qasma doppja għall-ewwel darba. Thomas Young (1) fl-Ingilterra fil-bidu tas-seklu dsatax.

esperiment lil Yang

L-esperiment intuża biex juri li d-dawl huwa ta 'natura ta' mewġ u mhux ta 'natura ta' partiċelli, kif intqal qabel. Isaac Newton. Young sempliċement wera li d-dawl jobdi intervent - fenomenu li huwa l-aktar karatteristika karatteristika (irrispettivament mit-tip ta' mewġ u l-mezz li fih jippropaga). Illum, il-mekkanika kwantistika tirrikonċilja dawn iż-żewġ fehmiet loġikament kontradittorji.

Ejja nfakkru l-essenza tal-esperiment ta 'qasma doppja. Bħas-soltu, qed nirreferi għal mewġa fuq wiċċ l-ilma li tivvjaġġa b’mod konċentriku madwar il-post fejn tintefa’ ċ-ċagħaq. 

Mewġa hija ffurmata minn crests u ħawt suċċessivi li jirradja 'l barra mill-post tad-disturb, filwaqt li żżomm distanza kostanti bejn il-crests, imsejħa wavelength. Fil-mogħdija tal-mewġ, tista 'tpoġġi barriera, pereżempju, fil-forma ta' bord b'żewġ qasmiet dojoq maqtugħin li minnhom l-ilma jista 'jiċċirkola liberament. Wara li tefgħet ċagħaq fl-ilma, il-mewġa tieqaf fuq il-partizzjoni - iżda mhux pjuttost. Żewġ mewġ konċentriku ġodda (2) issa jinfirxu lejn in-naħa l-oħra tal-partizzjoni miż-żewġ qasmiet. Huma jikkoinċidu lil xulxin, jew, kif ngħidu, jinterferixxu ma 'xulxin, u joħolqu mudell karatteristika fuq il-wiċċ. F’postijiet fejn il- crest taʼ mewġa tiltaqaʼ mal- crest taʼ oħra, il- nefħa taʼ l- ilma tintensifika, u fejn vojta tiltaqaʼ maʼ wied, id- dipressjoni tapprofondixxi.

2. Interferenza tal-mewġ li joħroġ minn żewġ qasmiet.

Fl-esperiment ta’ Young, dawl b’kulur wieħed li joħroġ minn sors punt jgħaddi minn dijaframma opaka b’żewġ qasmiet u jolqot skrin warajhom (illum nippreferu nużaw dawl tal-lejżer u CCD). Immaġini ta 'interferenza ta' mewġa tad-dawl hija osservata fuq l-iskrin fil-forma ta 'serje ta' strixxi li jalternaw ħfief u skuri (3). Dan ir-riżultat saħħaħ it-twemmin li d-dawl kien mewġa, qabel ma skoperti fil-bidu tas-snin XNUMX wrew li d-dawl kien ukoll mewġ. fluss tal-fotoni – partiċelli ħfief li m'għandhomx massa ta' mistrieħ. Aktar tard irriżulta li l-misterjuż duwalità tal-mewġ-partiċelliskoperti l-ewwel għad-dawl, japplika wkoll għal partiċelli oħra mogħnija bil-massa. Dalwaqt saret il-bażi għal deskrizzjoni mekkanika kwantistika ġdida tad-dinja.

3. Il-viżjoni ta 'Young ta' l-esperiment

Il-partiċelli jinterferixxu wkoll

Fl-1961, Klaus Jonsson mill-Università ta 'Tübingen wera l-interferenza ta' partiċelli massivi msejħa elettroni bl-użu ta 'mikroskopju elettroniku. Għaxar snin wara, tliet fiżiċi Taljani mill-Università ta’ Bolonja wettqu esperiment simili magħhom interferenza b'elettron wieħed (bl-użu tal-hekk imsejħa bipriżma minflok qasma doppja). Huma naqqsu l-intensità tar-raġġ tal-elettroni għal valur tant baxx li l-elettroni għaddew mill-bipriżma wieħed wieħed, wieħed wara l-ieħor. Dawn l-elettroni ġew irreġistrati fuq skrin fluworexxenti.

Inizjalment, it-traċċi ta 'l-elettroni tqassmu b'mod każwali madwar l-iskrin, iżda maż-żmien ffurmaw immaġni ta' interferenza ċara ta 'truf ta' interferenza. Jidher impossibbli li żewġ elettroni li jgħaddu suċċessivament minn qasmiet f'ħinijiet differenti jistgħu jinterferixxu ma 'xulxin. Għalhekk irridu nammettu li elettron wieħed jinterferixxi miegħu nnifsu! Iżda mbagħad l-elettron ikollu jgħaddi miż-żewġ qasmiet fl-istess ħin.

Jista 'jkun jitħajjar li tosserva t-toqba li minnha l-elettron fil-fatt għadda. Se naraw aktar tard kif tagħmel din l-osservazzjoni mingħajr ma tfixkel il-moviment tal-elettron. Jirriżulta li jekk nirċievu informazzjoni li l-elettron aċċetta, allura l-interferenza... tisparixxi! L-informazzjoni "Kif" telimina l-interferenza. Ifisser dan li l-preżenza ta 'osservatur konxju tinfluwenza l-kors ta' proċess fiżiku?

Qabel ma nitkellem dwar ir-riżultati saħansitra aktar sorprendenti ta 'esperimenti b'qasma doppja, se nagħmel digressjoni qasira dwar id-daqsijiet ta' oġġetti li jinterferixxu. L-interferenza kwantika ta 'oġġetti tal-massa ġiet skoperta l-ewwel għall-elettroni, imbagħad għal partiċelli b'massa dejjem tiżdied: newtroni, protoni, atomi, u finalment għal molekuli kimiċi kbar.

Fl-2011, inkisser ir-rekord għad-daqs ta 'oġġett li wera l-fenomenu ta' interferenza kwantika. L-esperiment sar fl-Università ta’ Vjenna minn student tad-dottorat dak iż-żmien. Sandra Eibenberger u l-assoċjati tagħha. Għall-esperiment ta 'break doppju, intgħażlet molekula organika kumplessa li fiha madwar 5 protoni, 5 elf newtroni u 5 elf elettroni! F'esperiment kumpless ħafna, ġiet osservata interferenza kwantistika ta 'din il-molekula enormi.

Dan ikkonferma t-twemmin li Mhux biss partiċelli elementari, iżda wkoll kull oġġett materjali huwa soġġett għal-liġijiet tal-mekkanika kwantistika. Biss li aktar ma oġġett ikun kumpless, aktar jinteraġixxi mal-ambjent tiegħu, li jikser il-proprjetajiet quantum sottili tiegħu u jeqred l-effetti ta 'interferenza..

Tħabbil kwantiku u polarizzazzjoni tad-dawl

L-aktar riżultati sorprendenti ta 'l-esperimenti b'qasma doppja ġew mill-użu ta' metodu speċjali ta 'traċċar tal-foton, li ma ddisturbax il-moviment tiegħu bl-ebda mod. Dan il-metodu juża wieħed mill-aktar fenomeni quantum strambi, l-hekk imsejjaħ taħbil kwantiku. Dan il-fenomenu ġie nnutat lura fis-snin 30 minn wieħed mill-ħallieqa ewlenin tal-mekkanika kwantistika, Erwin Schrödinger.

Xettiku Einstein (ara wkoll 🙂) sejħilhom azzjoni ghostly mill-bogħod.Madankollu, nofs seklu biss wara s-sinifikat ta’ dan l-effett ġie realizzat, u llum sar suġġett ta’ interess partikolari għall-fiżiċi.

X'inhu dan l-effett dwar? Jekk żewġ partiċelli li kienu qrib xulxin f'punt wieħed fil-ħin jinteraġixxu ma 'xulxin tant b'mod qawwi li ffurmaw tip ta' "relazzjoni tewmin," allura r-relazzjoni żżomm anke meta l-partiċelli jkunu mijiet ta 'kilometri 'l bogħod minn xulxin. Imbagħad il-partiċelli jġibu ruħhom bħala sistema waħda. Dan ifisser li meta nwettqu azzjoni fuq partiċella waħda, immedjatament taffettwa l-partiċella l-oħra. Madankollu, b'dan il-mod ma nistgħux nittrasmettu informazzjoni fuq distanza qabel iż-żmien.

Photon huwa partiċelli bla massa - parti elementari tad-dawl, li hija mewġa elettromanjetika. Wara li għadda minn pjanċa tal-kristall korrispondenti (imsejjaħ polarizzatur), id-dawl isir polarizzat lineari, i.e. il-vettur tal-kamp elettriku ta 'mewġ elettromanjetiku joxxilla f'ċertu pjan. Min-naħa tiegħu, billi tgħaddi dawl polarizzat b'mod lineari minn pjanċa ta 'ċerta ħxuna minn kristall speċifiku ieħor (l-hekk imsejħa pjanċa tal-kwart tal-mewġ), tista' tiġi kkonvertita f'dawl polarizzat b'mod ċirkolari, li fih il-vettur tal-kamp elettriku jimxi f'forma helical ( lejn l-arloġġ jew kontra l-arloġġ) moviment tul id-direzzjoni tal-propagazzjoni tal-mewġ. Għaldaqstant, nistgħu nitkellmu dwar fotoni polarizzati b'mod lineari jew ċirkolari.

Esperimenti b'fotoni mħabblin

4a. Il-kristall BBO mhux lineari jikkonverti foton emess minn laser argon f'żewġ fotoni mħabblin b'nofs l-enerġija u polarizzazzjoni reċiprokament perpendikolari. Dawn il-fotoni jferrxu f'direzzjonijiet differenti u huma rrekordjati minn detectors D1 u D2, konnessi b'kontro-koinċidenza LC.Dijaframma b'żewġ qasmiet titqiegħed fuq il-mogħdija ta 'wieħed mill-fotoni. Meta ż-żewġ ditekters jiskopru l-wasla kważi simultanja taż-żewġ fotoni, is-sinjal jinħażen fil-memorja tal-apparat, u d-ditekter D2 jimxi b'mod parallel mal-qasmiet. In-numru ta' fotoni bħala funzjoni tal-pożizzjoni tad-ditekter D2 irreġistrat b'dan il-mod huwa muri fil-kaxxa, li juri l-massimi u l-minimi li jindikaw interferenza.

Fl-2001, mexxa grupp ta 'fiżiċi Brażiljani f'Belo Horizonte Stephen Walbourn esperiment mhux tas-soltu. L-awturi tiegħu użaw il-proprjetajiet ta 'kristall speċjali (imqassar BBO), li jikkonverti ċerta parti tal-fotoni emessi minn laser argon f'żewġ fotoni b'nofs l-enerġija. Dawn iż-żewġ fotoni huma mħabblin ma 'xulxin; meta wieħed minnhom ikollu, pereżempju, polarizzazzjoni orizzontali, l-ieħor għandu polarizzazzjoni vertikali. Dawn il-fotoni jimxu f'żewġ direzzjonijiet differenti u għandhom rwoli differenti fl-esperiment li qed jiġi deskritt.

Wieħed mill-fotoni li ser insejħu kontroll, tmur direttament għad-ditekter tal-fotoni D1 (4a). Id-ditekter jirreġistra l-wasla tiegħu billi jibgħat sinjal elettriku lil apparat imsejjaħ koinċidenza counter. LK Se jitwettaq esperiment ta 'interferenza fuq it-tieni foton; insejħulu foton tas-sinjal. Fil-mogħdija tiegħu hemm qasma doppja segwita mit-tieni detector tal-foton D2, ftit aktar 'il bogħod mis-sors tal-foton mid-ditekter D1. Dan id-ditekter jista 'jaqbeż il-pożizzjoni tiegħu relattiva għall-islott doppju kull darba li jirċievi sinjal korrispondenti mill-counter tal-koinċidenza. Meta d-ditekter D1 jiskopri foton, jibgħat sinjal lill-counter tal-koinċidenza. Jekk, mument wara, id-ditekter D2 jiskopri wkoll foton u jibgħat sinjal lill-meter, jagħraf li ġej minn fotoni mħabblin, u dan il-fatt jinħażen fil-memorja tal-apparat. Din il-proċedura telimina r-reġistrazzjoni ta 'fotoni każwali li jidħlu fid-ditekter.

Fotoni mħabblin jippersistu għal 400 sekonda. Wara dan iż-żmien, id-ditekter D2 jiġi mċaqlaq b'1 mm relattiv għall-pożizzjoni tal-qasmiet, u l-għadd tal-fotoni mħabblin jieħu 400 sekonda oħra. Id-ditekter imbagħad jerġa' jitmexxa b'1 mm u l-proċedura tiġi ripetuta ħafna drabi. Jirriżulta li d-distribuzzjoni tan-numru ta 'fotoni rreġistrati b'dan il-mod skond il-pożizzjoni tad-ditekter D2 għandha massimi u minimi karatteristiċi li jikkorrispondu għal truf tad-dawl u dlam u ta' interferenza fl-esperiment ta 'Young (4a).

Ser nerġgħu nsiru nafu li fotoni singoli li jgħaddu mill-qasma doppja jinterferixxu ma 'xulxin.

Kif hekk?

Il-pass li jmiss fl-esperiment kien li jiġi determinat it-toqba li minnha se jgħaddi foton partikolari mingħajr ma jfixkel il-moviment tiegħu. Proprjetajiet użati hawn pjanċa tal-kwart tal-mewġ. Pjanċa ta 'kwart ta' mewġ tqiegħdet quddiem kull qasma, li waħda minnhom biddlet il-polarizzazzjoni lineari tal-foton inċidentali għal polarizzazzjoni ċirkolari lejn l-arloġġ, u l-oħra għal polarizzazzjoni ċirkolari tax-xellug (4b). Ġie vverifikat li t-tip ta 'polarizzazzjoni tal-fotoni ma affettwax in-numru ta' fotoni magħduda. Issa, billi niddeterminaw ir-rotazzjoni tal-polarizzazzjoni ta 'foton wara li jgħaddi mill-qasmiet, nistgħu nindikaw minn liema minnhom għadda l-foton. Li tkun taf "f'liema direzzjoni" telimina l-interferenza.

4b. Billi tpoġġi pjanċi ta 'kwart-mewġ (rettangoli sfumati) quddiem il-qasmiet, tista' tinkiseb informazzjoni dwar "liema triq" u l-immaġni ta 'interferenza tisparixxi.

4c. It-tqegħid ta 'polarizzatur P orjentat b'mod xieraq quddiem id-ditekter D1 iħassar l-informazzjoni ta' "liema triq" u jerġa 'jġib l-interferenza.

Fil-fatt, Ladarba l-pjanċi tal-kwart tal-mewġ jitqiegħdu sew quddiem ix-xquq, id-distribuzzjoni tal-għadd osservata qabel indikattiva tal-interferenza tisparixxi. L-aktar ħaġa stramba hija li dan iseħħ mingħajr il-parteċipazzjoni ta 'osservatur konxju li jista' jagħmel il-kejl xieraq! Sempliċement it-tqegħid ta 'pjanċi ta' kwart tal-mewġ jipproduċi effett li jrażżan l-interferenza.. Allura l-foton kif jaf li wara li ddaħħal il-pjanċi, nistgħu niddeterminaw id-distakk li għadda minnu?

Madankollu, dan mhux it-tmiem tal-strambezza. Issa nistgħu nibnu mill-ġdid l-interferenza tal-foton tas-sinjal mingħajr ma naffettwaha direttament. Biex tagħmel dan, poġġi polarizzatur fil-mogħdija tal-foton tal-kontroll li jilħaq id-ditekter D1 sabiex jittrasmetti dawl b'polarizzazzjoni li hija taħlita tal-polarizzazzjoni taż-żewġ fotoni mħabblin (4c). Dan immedjatament jibdel il-polarità tal-foton tas-sinjal kif xieraq. Issa m'għadux possibbli li jiġi ddeterminat b'ċertezza x'inhi l-polarizzazzjoni ta 'inċident foton fuq il-qasmiet, u minn liema qasma għadda l-foton. F'dan il-każ, l-interferenza tiġi restawrata!

Ħassar l-informazzjoni tal-għażla mdewma

L-esperimenti deskritti hawn fuq twettqu b'tali mod li l-foton ta 'kontroll ġie skopert mid-ditekter D1 qabel ma l-foton tas-sinjal laħaq id-ditekter D2. It-tħassir ta 'l-informazzjoni "b'liema mod" twettaq billi tinbidel il-polarizzazzjoni tal-foton tas-sewqan qabel ma l-foton tas-sinjal laħaq id-ditekter D2. Imbagħad wieħed jista 'jimmaġina li l-foton ta' kontroll diġà qal lis-“tewmin” tiegħu x'għandu jagħmel wara: li jintervjeni jew le.

Issa nimmodifikaw l-esperiment b'tali mod li l-foton ta 'kontroll jolqot id-ditekter D1 wara li nirreġistra l-foton tas-sinjal fid-ditekter D2. Biex tagħmel dan, iċċaqlaq id-ditekter D1 'il bogħod mis-sors tal-fotoni. Il-mudell ta 'interferenza jidher l-istess bħal qabel. Issa ejja npoġġu pjanċi kwart-mewġ quddiem il-qasmiet biex jiddeterminaw liema triq ħa l-foton. Il-mudell ta 'interferenza jisparixxi. Sussegwentement, ejja nħassru l-informazzjoni "b'liema mod" billi tpoġġi polarizzatur orjentat b'mod xieraq quddiem id-ditekter D1. Il-mudell ta 'interferenza jerġa' jidher! Madankollu t-tħassir sar wara li l-foton tas-sinjal ġie skopert mid-ditekter D2. Dan kif huwa possibbli? Il-foton kellu jkun konxju tal-bidla fil-polarità qabel ma kwalunkwe informazzjoni dwaru setgħet tilħaqha.

5. Esperimenti b'raġġ tal-lejżer.

Is-sekwenza naturali tal-avvenimenti hawnhekk hija maqluba; l-effett jippreċedi l-kawża! Dan ir-riżultat jimmina l-prinċipju tal-kawżalità fir-realtà ta’ madwarna. Jew forsi ż-żmien ma jimpurtax meta niġu għall-partiċelli mħabblin? It-tħabbil kwantiku jikser il-prinċipju tal-lokalità, li japplika fil-fiżika klassika, skont liema oġġett jista 'jiġi influwenzat biss mill-inħawi immedjati tiegħu.

Mill-esperiment Brażiljan, saru ħafna esperimenti simili, li jikkonfermaw bis-sħiħ ir-riżultati ppreżentati hawn. Fl-aħħar, il-qarrej jixtieq jispjega b'mod ċar il-misteru ta 'dawn il-fenomeni mhux mistennija. Sfortunatament, dan ma jistax isir. Il-loġika tal-mekkanika kwantistika hija differenti mill-loġika tad-dinja li naraw kuljum. Irridu naċċettaw dan bl-umiltà u nifirħu bil-fatt li l-liġijiet tal-mekkanika kwantistika jiddeskrivu b'mod preċiż il-fenomeni li jseħħu fil-mikrokożmu, li jintużaw b'mod utli f'apparat tekniku dejjem aktar avvanzat.