Кванттық механиканың негізінде

XNUMX-ғасырдың ең ұлы физиктерінің бірі Ричард Фейнман кванттық механиканы түсінудің кілті «қос саңылау эксперименті» екенін дәлелдеді. Бүгінгі күні жүргізілген бұл тұжырымдамалық қарапайым эксперимент таңғажайып жаңалықтар беруді жалғастыруда. Олар ақыр соңында соңғы елу жылдағы ең маңызды өнертабыстарға әкелген кванттық механиканың жалпы санаға қаншалықты сәйкес келмейтінін көрсетеді.

Ол алғаш рет қос саңылау экспериментін жүргізді. Томас Янг (1) ХІХ ғасырдың басында Англияда.

Янг тәжірибесі

Тәжірибе жарықтың бұрын айтылғандай корпускулярлық емес, толқындық сипатта екенін көрсету үшін қолданылды. Исаак Ньютон. Янг жарықтың бағынатынын көрсетті араласу - ең сипатты белгі болып табылатын құбылыс (толқынның түріне және оның таралатын ортасына қарамастан). Бүгінгі таңда кванттық механика осы екі логикалық қарама-қайшы көзқарастарды үйлестіреді.

Қос саңылау экспериментінің мәнін еске түсірейік. Кәдімгідей тас лақтырылған жердің айналасына концентрлі таралатын су бетіндегі толқынды айтып отырмын. 

Толқын толқын ұзындығы деп аталатын қырлар арасындағы тұрақты қашықтықты сақтай отырып, бұзылу нүктесінен сәулеленетін дәйекті төбелер мен науалар арқылы түзіледі. Толқынның жолына тосқауыл қоюға болады, мысалы, судың еркін ағып кетуі мүмкін екі тар ойықтары бар тақтайша түрінде. Суға тас лақтырған кезде толқын қалқада тоқтайды - бірақ мүлде емес. Екі жаңа концентрлік толқындар (2) енді екі ұяшықтан да бөлімнің екінші жағына таралады. Олар бір-бірінің үстіне қойылады немесе, біз айтқандай, бір-біріне кедергі келтіріп, бетінде өзіне тән үлгі жасайды. Бір толқынның төбесі екінші толқынның төбесімен түйіскен жерлерде су дөңес күшейеді, ал ойпат аңғармен түйіскен жерлерде ойпат тереңдей түседі.

2. Екі ұядан шығатын толқындардың интерференциясы.

Янг тәжірибесінде нүктелік көзден шығарылатын бір түсті жарық екі саңылаулары бар мөлдір емес диафрагма арқылы өтіп, олардың артындағы экранға түседі (бүгін біз лазерлік жарық пен ПЗС қолданғанды ​​жөн көреміз). Жарық толқынының интерференциялық кескіні экранда ауыспалы жарық және күңгірт жолақтар қатары түрінде байқалады (3). Бұл нәтиже XNUMX жылдардың басындағы ашылымдар жарықтың да толқын екенін көрсеткенге дейін жарықтың толқын екендігіне деген сенімді нығайтты. фотон ағыны тыныштық массасы жоқ жеңіл бөлшектер. Кейін бұл жұмбақ болып шықты толқындық-бөлшектік дуализмжарық үшін алғаш рет ашылған массасы бар басқа бөлшектерге де қатысты. Ол көп ұзамай әлемнің жаңа кванттық механикалық сипаттамасына негіз болды.

3. Янг тәжірибесінің көрінісі

Бөлшектер де араласады

1961 жылы Тюбинген университетінің қызметкері Клаус Йонссон электронды микроскоптың көмегімен массивтік бөлшектер – электрондардың интерференциясын көрсетті. XNUMX жылдан кейін Болонья университетінің үш итальяндық физиктері ұқсас эксперимент жасады бір электронды интерференция (қос саңылаудың орнына бипризм деп аталатынды қолдану). Олар электрондар сәулесінің интенсивтілігін соншалықты төмен мәнге дейін төмендетті, электрондар бірінен соң бірі, бірінен соң бірі бипризмадан өтті. Бұл электрондар флуоресцентті экранда тіркелді.

Бастапқыда электронды жолдар экранда кездейсоқ таратылды, бірақ уақыт өте олар интерференциялық жолақтардың айқын интерференциялық бейнесін құрады. Әр түрлі уақытта саңылаулардан кезекпен өтетін екі электронның бір-біріне кедергі жасауы мүмкін емес сияқты. Сондықтан біз мұны мойындауымыз керек бір электрон өзіне кедергі жасайды! Бірақ содан кейін электрон екі саңылаудан бір уақытта өтуі керек еді.

Электрон шынымен өткен тесікке қарау қызықты болуы мүмкін. Электронның қозғалысын бұзбай мұндай бақылауды қалай жасауға болатынын кейінірек көреміз. Егер электронның не қабылдағаны туралы ақпарат алсақ, онда интерференция ... жоғалады екен! «Қалай» ақпараты кедергіні жояды. Бұл саналы бақылаушының болуы физикалық процестің жүруіне әсер етеді дегенді білдіре ме?

Екі жақты тәжірибелердің одан да таңқаларлық нәтижелері туралы айтпас бұрын, мен кедергі жасайтын заттардың өлшемдері туралы шағын шегініс жасаймын. Массалық объектілердің кванттық интерференциясы алдымен электрондар үшін, содан кейін массасы ұлғайған бөлшектер үшін: нейтрондар, протондар, атомдар, ең соңында үлкен химиялық молекулалар үшін ашылды.

2011 жылы кванттық интерференция құбылысы көрсетілген нысанның өлшемі бойынша рекорд жаңарды. Эксперимент Вена университетінде сол кездегі докторантпен жасалған. Сандра Эйбенбергер және оның серіктестері. Тәжірибе үшін екі үзіліспен шамамен 5 протон, 5 мың нейтрон және 5 мың электрон бар күрделі органикалық молекула таңдалды! Өте күрделі тәжірибеде осы үлкен молекуланың кванттық интерференциясы байқалды.

Бұл деген сенімді растады Кванттық механиканың заңдары тек элементар бөлшектерге ғана емес, сонымен бірге әрбір материалдық объектіге де бағынады. Тек объект неғұрлым күрделі болса, соғұрлым оның нәзік кванттық қасиеттерін бұзатын және интерференциялық әсерлерді бұзатын қоршаған ортамен әрекеттеседі..

Жарықтың кванттық түйісу және поляризациясы

Қос саңылау эксперименттерінің ең таңғаларлық нәтижелері фотонды қадағалаудың арнайы әдісін қолдану нәтижесінде болды, ол оның қозғалысын ешқандай түрде бұзбайды. Бұл әдіс ең оғаш кванттық құбылыстардың бірін пайдаланады кванттық шиеленіс. Бұл құбылысты 30-жылдары кванттық механиканың негізгі жасаушыларының бірі байқаған. Эрвин Шредингер.

Күмәншіл Эйнштейн (сонымен қатар 🙂 оларды қашықтықтан елес әрекет деп атады. Алайда, жарты ғасырдан кейін ғана бұл әсердің маңыздылығы түсініліп, бүгінде физиктердің ерекше қызығушылығын тудырды.

Бұл әсер не туралы? Егер белгілі бір уақытта бір-біріне жақын орналасқан екі бөлшек бір-бірімен соншалықты күшті әсерлессе, олар «егіз қарым-қатынас» түрін құраса, онда бөлшектер бір-бірінен жүздеген километр қашықтықта болған кезде де байланыс сақталады. Сонда бөлшектер біртұтас жүйе ретінде әрекет етеді. Бұл дегеніміз, біз бір бөлшекке әрекет жасағанда, ол бірден басқа бөлшекке әсер етеді. Дегенмен, осылайша біз ақпаратты қашықтықтан уақытсыз жібере алмаймыз.

Фотон – массасы жоқ бөлшек – электромагниттік толқын болып табылатын жарықтың элементар бөлігі. Сәйкес кристалдың (поляризатор деп аталады) пластинасынан өткеннен кейін жарық сызықты поляризацияланады, яғни. электромагниттік толқынның электр өрісінің векторы белгілі бір жазықтықта тербеледі. Өз кезегінде, белгілі бір қалыңдықтағы пластина арқылы сызықты поляризацияланған жарықты басқа нақты кристалдан (ширек толқынды пластина деп аталатын) өткізу арқылы оны электр өрісінің векторы спираль түрінде қозғалатын дөңгелек поляризацияланған жарыққа айналдыруға болады ( сағат тілімен немесе сағат тіліне қарсы) толқынның таралу бағыты бойынша қозғалыс. Сәйкесінше, сызықтық немесе дөңгелек поляризацияланған фотондар туралы айтуға болады.

Шатастырылған фотондармен тәжірибелер

4а. Сызықты емес BBO кристалы аргон лазері шығаратын фотонды энергиясының жартысы және өзара перпендикуляр поляризациясы бар екі шатасқан фотонға түрлендіреді. Бұл фотондар әр түрлі бағытта шашырап, D1 және D2 детекторлары арқылы жазылады, сәйкестік санауышы LK арқылы қосылады.Фотондардың бірінің жолына екі тесігі бар диафрагма орналастырылған. Екі детектор екі фотонның бір мезгілде дерлік келуін тіркегенде, сигнал құрылғының жадында сақталады, ал D2 детекторы саңылауларға параллель қадам жасайды. Осылайша жазылған D2 детекторының орнына байланысты фотондар саны интерференцияны көрсететін максимумдар мен минимумдарды көрсететін қорапта көрсетілген.

2001 жылы Белу-Оризонтиде бразилиялық физиктер тобының жетекшілігімен Стивен Уолбурн әдеттен тыс эксперимент. Оның авторлары аргон лазері шығаратын фотондардың белгілі бір бөлігін энергиясының жартысы бар екі фотонға түрлендіретін арнайы кристалдың (қысқартылған BBO) қасиеттерін пайдаланды. Бұл екі фотон бір-бірімен шатасады; олардың біреуінде, мысалы, көлденең поляризация болғанда, екіншісінде тік поляризация болады. Бұл фотондар екі түрлі бағытта қозғалады және сипатталған тәжірибеде әртүрлі рөл атқарады.

Біз атайтын фотондардың бірі бақылау, D1 (4a) фотонды детекторға тікелей өтеді. Детектор өзінің келуін хит санағыш деп аталатын құрылғыға электрлік сигнал жіберу арқылы тіркейді. LK Екінші фотонға интерференциялық эксперимент жүргізіледі; біз оны шақырамыз сигналдық фотон. Оның жолында қос саңылау бар, одан кейін екінші фотон детекторы D2, фотон көзінен D1 детекторынан сәл алысырақ орналасқан. Бұл детектор соққы есептегішінен сәйкес сигнал алған сайын қос ұяшықты айналып өте алады. D1 детекторы фотонды тіркеген кезде сәйкестік санағышына сигнал жібереді. Егер бір сәтте D2 детекторы да фотонды тіркеп, өлшегішке сигнал жіберсе, онда ол шиеленіскен фотондардан шыққанын таниды және бұл факт құрылғының жадында сақталады. Бұл процедура детекторға түсетін кездейсоқ фотондарды тіркеуді болдырмайды.

Шатастырылған фотондар 400 секунд сақталады. Осы уақыттан кейін D2 детекторы саңылаулардың орнына қатысты 1 мм-ге ығысады, ал шатастырылған фотондарды санау тағы 400 секундты алады. Содан кейін детектор қайтадан 1 мм-ге жылжытылады және процедура бірнеше рет қайталанады. Осылайша жазылған фотондар санының D2 детекторының орнына байланысты таралуы Янг тәжірибесінде (4а) жарық пен қараңғылық пен интерференциялық жиектерге сәйкес келетін сипатты максимумдар мен минимумдарға ие екендігі анықталды.

Біз мұны тағы да білеміз қос саңылау арқылы өтетін жалғыз фотондар бір-біріне кедергі жасайды.

Қалайша?

Тәжірибедегі келесі қадам белгілі бір фотонның қозғалысын бұзбай өтетін тесікті анықтау болды. Мұнда қолданылатын қасиеттер ширек толқынды тақта. Әрбір саңылаудың алдына ширек толқынды пластина қойылды, оның біреуі түскен фотонның сызықтық поляризациясын сағат тілімен айналмалыға, ал екіншісі сол жақтағы дөңгелек поляризацияға өзгертті (4b). Фотонды поляризация түрі есептелген фотондар санына әсер етпейтіні тексерілді. Енді фотонның саңылаулардан өткеннен кейінгі поляризациясының айналуын анықтау арқылы фотонның олардың қайсысы арқылы өткенін көрсетуге болады. «Қай бағытта» екенін білу кедергіні жояды.

4б. Тесіктердің алдына ширек толқынды тақталарды (көлеңкеленген тіктөртбұрыштар) қою арқылы «қай жол» ақпаратын алуға болады және интерференциялық кескін жоғалады.

4c. Сәйкес бағытталған P поляризаторын D1 детекторының алдына қою «қай жол» ақпаратын өшіреді және кедергіні қалпына келтіреді.

Шындығында, саңылаулардың алдында ширек толқынды пластиналарды дұрыс орналастырғаннан кейін, интерференцияны көрсететін, бұрын байқалған санаулардың таралуы жоғалады. Ең қызығы, бұл тиісті өлшемдерді жасай алатын саналы бақылаушының қатысуынсыз болады! Ширек толқынды тақталарды жай ғана орналастыру кедергіні жою әсерін береді.. Сонымен, фотон пластиналарды кіргізгеннен кейін оның өткен аралығын анықтай алатынымызды қайдан біледі?

Дегенмен, бұл оғашлықтың соңы емес. Енді біз сигналдық фотондық кедергіні оған тікелей әсер етпестен қалпына келтіре аламыз. Ол үшін D1 детекторына жететін бақылау фотонының жолына поляризаторды екі шатастырылған фотондардың (4c) поляризацияларының қосындысы болып табылатын поляризациямен жарықты өткізетіндей етіп орналастырыңыз. Бұл сәйкесінше сигнал фотонының полярлығын бірден өзгертеді. Енді саңылауларға түскен фотонның поляризациясы қандай екенін және фотонның қай саңылау арқылы өткенін сенімді түрде анықтау мүмкін емес. Бұл жағдайда кедергі қалпына келтіріледі!

Кешіктірілген таңдау ақпаратын өшіріңіз

Жоғарыда сипатталған эксперименттер сигнал фотонының D1 детекторына жеткенге дейін D2 детекторы басқару фотонын тіркейтіндей етіп жүргізілді. «Қандай жолмен» ақпаратты өшіру сигнал фотонының D2 детекторына жеткенге дейін басқару фотонының поляризациясын өзгерту арқылы орындалды. Сонда басқарушы фотон өзінің «егізіне» әрі қарай не істеу керектігін айтып қойғанын елестетуге болады: араласу немесе жасамау.

Енді біз экспериментті D1 детекторында сигнал фотоны тіркелгеннен кейін басқару фотонының D2 детекторына тиетіндей етіп өзгертеміз. Ол үшін D1 детекторын фотон көзінен алыстатыңыз. Интерференция үлгісі бұрынғыдай көрінеді. Енді фотонның қай жолды ұстанғанын анықтау үшін саңылаулардың алдына ширек толқынды тақталарды орналастырайық. Интерференция үлгісі жоғалады. Әрі қарай, D1 детекторының алдына сәйкес бағытталған поляризаторды қою арқылы «қай жолмен» ақпаратты өшірейік. Интерференция үлгісі қайтадан пайда болады! Дегенмен өшіру D2 детекторымен сигнал фотонын тіркегеннен кейін жасалды. Бұл қалай болады? Фотон туралы кез келген ақпарат оған жетпес бұрын полярлықтың өзгеруін білуі керек еді.

5. Лазер сәулесімен жүргізілетін тәжірибелер.

Оқиғалардың табиғи тізбегі мұнда керісінше; әсер себептен бұрын келеді! Бұл нәтиже бізді қоршаған шындықтағы себептілік принципін бұзады. Немесе, шатастырылған бөлшектерге келгенде уақыт маңызды емес шығар? Кванттық шиеленіс классикалық физикадағы локальдылық принципін бұзады, оған сәйкес объектке тек оның тікелей қоршаған ортасы әсер ете алады.

Бразилиялық тәжірибеден бері көптеген ұқсас эксперименттер жүргізілді, олар мұнда ұсынылған нәтижелерді толығымен растайды. Түптеп келгенде, оқырман бұл күтпеген құбылыстардың сырын анық түсіндіргісі келеді. Өкінішке орай, мұны істеу мүмкін емес. Кванттық механиканың логикасы біз күнделікті көріп жүрген дүние логикасынан өзгеше. Біз мұны кішіпейілділікпен қабылдап, кванттық механика заңдарының микроәлемде болып жатқан құбылыстарды дәл сипаттайтынына қуануымыз керек, олар барған сайын жетілген техникалық құрылғыларда пайдалы.