Кванттык механиканын борборунда

XNUMX-кылымдын эң улуу физиктеринин бири Ричард Фейнман кванттык механиканы түшүнүүнүн ачкычы «кош жарактуу эксперимент» экенин айткан. Бүгүнкү күндө жүргүзүлгөн бул концептуалдык жөнөкөй эксперимент укмуштуудай ачылыштарды улантууда. Алар акыр аягында акыркы элүү жылдын эң маанилүү ойлоп табууларына алып келген кванттык механиканын жалпы акылга канчалык туура келбестигин көрсөтүшөт.

Биринчи жолу ал эки сызык экспериментин жүргүзгөн. Томас Янг (1) XIX кылымдын башында Англияда.

Янгдын эксперименти

Эксперимент жарык мурда айтылгандай корпускулалык эмес, толкундуу мүнөзгө ээ экенин көрсөтүү үчүн колдонулган. Isaac Newton. Жаш эле жарыктын баш ийерин көрсөттү кийлигишүү - эң мүнөздүү белги болгон кубулуш (толкундун түрүнө жана ал таралган чөйрөгө карабастан). Бүгүнкү күндө кванттык механика бул эки логикалык карама-каршы көз карашты элдештирүүдө.

Кош тешик экспериментинин маңызын эстеп көрөлү. Адаттагыдай эле шагыл таш ыргытылган жердин тегерегине концентралдуу тараган суунун бетиндеги толкунду айтып жатам. 

Толкун толкун узундугу деп аталуучу кырлардын ортосунда туруктуу аралыкты сактоо менен, бузулган чекиттен нурлануучу ырааттуу кырлардан жана чуңкурлардан пайда болот. Толкундун жолуна тосмо коюуга болот, мисалы, суу эркин агып кете турган эки кууш уячасы бар такта түрүндө. Сууга шагыл ыргытып, толкун бөлүккө токтойт - бирок так эмес. Эки жаңы концентрдик толкун (2) эми эки уячадан бөлүктүн башка тарабына тарайт. Алар бири-бирине үстү-үстүнө жабышып, же биз айткандай, бири-бирине тоскоол болуп, бетинде мүнөздүү көрүнүштү жаратат. Бир толкундун чокусу экинчи толкунга кошулган жерлерде суунун дөңгөлөгү күчөйт, ал эми ойдуң менен өрөөн кошулган жерлерде ойдуң тереңдейт.

2. Эки оюктан чыккан толкундардын интерференциясы.

Янгдын экспериментинде чекиттүү булактан чыккан бир түстүү жарык эки тешиктери бар тунук эмес диафрагма аркылуу өтүп, алардын артындагы экранга тийет (бүгүн биз лазер жарыгын жана CCD жарыгын колдонууну каалайбыз). Экранда жарык толкунунун интерференциялык сүрөтү алмашып турган жарык жана кара тилкелердин сериясы түрүндө байкалат (3). Бул жыйынтык XNUMX-жылдардын башындагы ачылыштар жарыктын да толкун экенин көрсөткөнгө чейин жарыктын толкун экенине болгон ишенимди бекемдеген. фотон агымы тынч массасы жок жеңил бөлүкчөлөр. Кийинчерээк сырдуу экени белгилүү болду толкун-бөлүкчөлөрдүн коштугужарык үчүн биринчи жолу табылган массалуу башка бөлүкчөлөргө да тиешелүү. Ал көп өтпөй дүйнөнүн жаңы кванттык механикалык сүрөттөлүшү үчүн негиз болуп калды.

3. Янгдын экспериментинин көрүнүшү

бөлүкчөлөр да кийлигишет

1961-жылы Тюбинген университетинен Клаус Йонссон электрондук микроскоптун жардамы менен массалык бөлүкчөлөрдүн – электрондордун интерференциясын көрсөткөн. Он жылдан кийин Болонья университетинин үч италиялык физиктери менен ушундай эле эксперимент жасашты бир электрондук интерференция (кош тешиктин ордуна бипризм деп аталган нерсени колдонуу менен). Алар электрон шооласынын интенсивдүүлүгүн ушунчалык төмөн мааниге чейин төмөндөтүп, электрондор бипризмден биринин артынан бири, биринин артынан бири өтүп кетишти. Бул электрондор флуоресценттик экранда катталган.

Адегенде, электрондук чыйыр экранга туш келди бөлүштүрүлгөн, бирок убакыттын өтүшү менен алар интерференциянын четтеринин айкын интерференциялык сүрөтүн түзүшкөн. Тешиктерден ар кайсы убакта кезектешип өткөн эки электрондун бири-бирине тоскоол болушу мүмкүн эместей көрүнөт. Ошондуктан муну моюнга алышыбыз керек бир электрон өзүнө кийлигишет! Бирок анда электрон бир эле учурда эки тешиктен өтүшү керек.

Электрон чындап өткөн тешикти карап көрүү кызык болушу мүмкүн. Мындай байкоону электрондун кыймылын бузбастан кантип жасоо керектигин кийинчерээк көрөбүз. Көрсө, электрон эмне алганы тууралуу маалымат алсак, анда интерференция... жок болот экен! Маалымат "кантип" кийлигишүүсүн жок кылат. Бул аң-сезимдүү байкоочунун болушу физикалык процесстин жүрүшүнө таасир этет дегенди билдиреби?

Кош тешик эксперименттеринин андан да таң калыштуу натыйжалары жөнүндө айтуудан мурун, мен кийлигишүүчү объекттердин өлчөмдөрү жөнүндө бир аз чегинүү жасайм. Массалык объектилердин кванттык интерференциясы алгач электрондор үчүн, андан кийин массасы жогорулаган бөлүкчөлөр үчүн: нейтрондор, протондор, атомдор, акырында ири химиялык молекулалар үчүн ачылган.

2011-жылы объекттин өлчөмү боюнча рекорд жаңырып, анда кванттык интерференция кубулушу көрсөтүлгөн. Эксперимент Вена университетинде ошол кездеги докторант тарабынан жүргүзүлгөн. Сандра Эйбенбергер жана анын шериктери. Эксперимент үчүн эки тыныгуу менен 5 протон, 5 миң нейтрон жана 5 миң электронду камтыган татаал органикалык молекула тандалып алынган! Өтө татаал экспериментте бул чоң молекуланын кванттык интерференциясы байкалган.

Бул деген ишенимди ырастады Кванттык механиканын мыйзамдары элементардык бөлүкчөлөргө гана эмес, ар бир материалдык объектиге да баш ийет. Болгону, объект канчалык татаал болсо, анын тымызын кванттык касиеттерин бузуп, интерференциялык эффекттерди жок кылган айлана-чөйрө менен ошончолук өз ара аракеттенет..

Жарыктын кванттык чырмалышуусу жана поляризациясы

Кош тешиктүү эксперименттердин эң таң калыштуу натыйжалары фотондун кыймылын эч кандай бузбаган атайын байкоо ыкмасын колдонуудан чыкты. Бул методдо эң таң калыштуу кванттык кубулуштардын бири колдонулат кванттык чырмалыш. Бул кубулушту 30-жылдары кванттык механиканын негизги жаратуучуларынын бири байкаган. Erwin Шредингер.

Скептик Эйнштейн (ошондой эле караңыз 🙂 аларды алыстан элестик аракет деп атаган. Бирок, жарым кылымдан кийин гана бул эффекттин мааниси байкалып, бүгүнкү күндө ал физиктердин өзгөчө кызыгуусун туудурган темага айланды.

Бул эффект эмнеге байланыштуу? Эгерде кандайдыр бир учурда бири-бирине жакын болгон эки бөлүкчө бири-бири менен ушунчалык катуу аракеттенип, кандайдыр бир «эгиз мамилени» түзсө, анда бөлүкчөлөр жүздөгөн километр аралыкта турганда да байланыш сакталат. Анда бөлүкчөлөр өзүн бир система катары алып жүрүшөт. Бул бир бөлүкчөгө кандайдыр бир иш-аракет жасаганыбызда, ал дароо башка бөлүкчөгө таасир этет дегенди билдирет. Бирок, мындай жол менен биз убакыттын өтүшү менен алыс аралыкка маалыматты бере албайбыз.

Фотон – массасы жок бөлүкчө – жарыктын элементардык бөлүгү, ал электромагниттик толкун. Тиешелүү кристаллдын (поляризатор деп аталат) пластинкасынан өткөндөн кийин жарык сызыктуу поляризацияланат, б.а. электромагниттик толкундун электр талаасынын вектору белгилүү бир тегиздикте термелет. Өз кезегинде сызыктуу поляризацияланган жарыкты белгилүү бир калыңдыктагы пластинка аркылуу башка конкреттүү кристаллдан (чейрек толкундуу пластинка деп аталат) өткөрүү менен, аны электр талаасынын вектору спираль ( спираль) боюнча кыймылдаган тегерек поляризацияланган жарыкка айландырууга болот. саат жебеси боюнча же саат жебесине каршы) толкундун таралуу багыты боюнча кыймыл. Демек, сызыктуу же тегерек поляризацияланган фотондор жөнүндө сөз кылууга болот.

Чаташкан фотондор менен эксперименттер

4a. Сызыктуу эмес BBO кристалл аргон лазери чыгарган фотонду энергиянын жарымы жана өз ара перпендикулярдык поляризациялуу эки чырмалышкан фотонго айлантат. Бул фотондор ар кайсы тарапка чачырап, D1 жана D2 детекторлору аркылуу катталат, кокустук эсептегич LK аркылуу туташтырылган.Фотондордун биринин жолуна эки тешиктери бар диафрагма коюлган. Эки детектор тең эки фотондун дээрлик бир убакта келишин каттаганда, сигнал аппараттын эсинде сакталат жана D2 детектору тешиктерге параллелдүү кадамдарды жасайт. Ошентип жазылган D2 детекторунун абалына жараша фотондордун саны интерференцияны көрсөтүүчү максималдуу жана минимумдарды көрсөтүүчү кутуда көрсөтүлгөн.

2001-жылы Белу-Оризонтиде бразилиялык физиктердин тобунун жетекчилиги астында Стивен Уолбурн адаттан тыш эксперимент. Анын авторлору аргон лазери чыгарган фотондордун белгилүү бир бөлүгүн энергиянын жарымы бар эки фотонго айландыруучу атайын кристаллдын (кыскача BBO) касиеттерин колдонушкан. Бул эки фотон бири-бирине чырмалышкан; алардын биринде, мисалы, горизонталдуу поляризация болгондо, экинчисинде вертикалдуу поляризация бар. Бул фотондор сүрөттөлгөн экспериментте эки башка багытта кыймылдашат жана ар кандай ролдорду ойношот.

Биз атаган фотондордун бири башкаруу, түздөн-түз D1 фотон детекторуна барат (4a). Детектор анын келишин хит эсептегич деп аталган түзүлүшкө электрдик сигнал жөнөтүү аркылуу каттайт. LK Экинчи фотондо интерференция эксперименти жүргүзүлөт; биз аны чакырабыз сигнал фотон. Анын жолунда кош тешик бар, андан кийин экинчи фотон детектору, D2, фотон булагынан D1 детекторуна караганда бир аз алысыраак жайгашкан. Бул детектор хит эсептегичтен тиешелүү сигналды алган сайын кош уячаны айланып өтүшү мүмкүн. Детектор D1 фотонду каттаганда кокустук эсептегичке сигнал жөнөтөт. Эгерде бир көз ирмемде D2 детектору да фотонду каттап, өлчөгүчкө сигнал жөнөтсө, анда ал чырмалышкан фотондордон келгенин тааныйт жана бул чындык аппараттын эсинде сакталат. Бул процедура детекторго кирген туш келди фотондорду каттоону жокко чыгарат.

Читашкан фотондор 400 секунд сакталат. Бул убакыттан кийин, D2 детектору жылчыктардын абалына карата 1 мм жылдырылат жана чырмалышкан фотондорду эсептөө дагы 400 секундга созулат. Андан кийин детектор кайрадан 1 мм жылдырылат жана процедура көп жолу кайталанат. Көрсө, ушундай жол менен жазылган фотондордун санынын D2 детекторунун абалына жараша бөлүштүрүлүшү Янгдын (4а) экспериментинде жарыкка жана караңгылыкка жана интерференциялык чектерге туура келген мүнөздүү максимум жана минимумга ээ экен.

Муну биз дагы билебиз кош жаракадан өткөн жалгыз фотондор бири-бирине кийлигишет.

Кандайча?

Эксперименттин кийинки кадамы белгилүү бир фотон кыймылын бузбастан өткөн тешикти аныктоо болгон. Бул жерде колдонулган касиеттери чейрек толкун плитасы. Ар бир тешиктин алдына чейрек толкундуу пластинка коюлган, алардын бири түшкөн фотондун сызыктуу поляризациясын сааттын жебеси боюнча тегерек, экинчиси сол тараптагы тегерек поляризацияга өзгөрткөн (4b). Фотондун поляризациясынын түрү саналган фотондордун санына таасир этпегени текшерилди. Эми фотон тешиктерден өткөндөн кийин анын поляризациясынын айлануусун аныктоо менен алардын кайсынысынан фотон өткөнүн көрсөтүүгө болот. "Кайсы багытта" экенин билүү кийлигишүүнү жок кылат.

4б. Тешиктердин алдына чейрек толкундуу плиталарды (көлөкөлүү тик бурчтуктарды) коюу менен «кайсы тарапка» маалымат алууга болот жана интерференциядагы сүрөт жок болот.

4c. D1 детекторунун алдына ылайыктуу багытталган поляризатор P коюу "кайсы тарапка" деген маалыматты өчүрөт жана интерференцияны калыбына келтирет.

Чынында эле, чейрек толкундуу пластинкаларды тешиктердин алдына туура жайгаштыргандан кийин интерференциянын көрсөткүчү болуп саналган мурда байкалган бөлүштүрүү жоголот. Эң таң калычтуусу, бул тиешелүү өлчөөлөрдү жасай алган аң-сезимдүү байкоочунун катышуусуз болуп жатат! Чейрек толкундуу плиталарды жөн эле жайгаштыруу интерференцияны жокко чыгаруу эффектин жаратат.. Демек, фотон плиталарды салгандан кийин анын өткөн аралыгын аныктай аларыбызды кайдан билет?

Бирок, бул кызыкчылыктын аягы эмес. Эми биз сигналдын фотондук кийлигишүүсүн ага түздөн-түз таасир этпестен калыбына келтире алабыз. Бул үчүн, D1 детекторуна жеткен башкаруу фотонунун жолуна поляризаторду ал эки чырмалышкан фотондун (4c) поляризацияларынын айкалышы болгон поляризация менен жарык өткөрө тургандай кылып жайгаштырыңыз. Бул ошол замат тиешелүү түрдө сигнал фотонунун полярдуулугун өзгөртөт. Эми жылчыктардагы фотондун поляризациясы эмне экенин жана фотон кайсы тешиктен өткөнүн так аныктоо мүмкүн болбой калды. Бул учурда интерференция калыбына келтирилет!

Кечиктирилген тандоо маалыматын өчүрүү

Жогоруда сүрөттөлгөн эксперименттер сигнал фотонунун D1 детекторуна жеткенге чейин башкаруу фотонунун D2 детектору тарабынан катталганы үчүн жүргүзүлгөн. Сигнал фотонунун D2 детекторуна жеткенге чейин башкаруу фотонунун поляризациясын өзгөртүү аркылуу "кайсы тарапка" деген маалыматты өчүрүү ишке ашырылган. Ошондо башкаруучу фотон «эгизине» мындан ары эмне кылуу керек экенин айтып койгонун элестетүүгө болот: кийлигишүү же жокпу.

Эми биз экспериментти D1 детекторунда сигнал фотон катталгандан кийин башкаруучу фотон D2 детекторуна тийе тургандай кылып өзгөртөбүз. Бул үчүн D1 детекторун фотон булагынан алыстатыңыз. Интерференция үлгүсү мурункудай эле көрүнөт. Эми фотондун кайсы жолду басып өткөнүн аныктоо үчүн тешиктердин алдына чейрек толкундуу плиталарды коёлу. Интерференция үлгүсү жок болот. Андан кийин, келгиле, D1 детекторунун алдына туура багытталган поляризаторду коюп, "кайсы тарапка" деген маалыматты өчүрөлү. Интерференция үлгүсү кайра пайда болот! Бирок өчүрүү сигнал фотон D2 детектору тарабынан катталгандан кийин жасалды. Бул кантип мүмкүн? Фотон жөнүндө кандайдыр бир маалымат ага жетүү үчүн, полярдуулуктун өзгөрүшүн билиши керек болчу.

5. Лазер нуру менен жасалган эксперименттер.

Бул жерде окуялардын табигый ырааттуулугу тескери; натыйжа себептен мурун келет! Бул жыйынтык бизди курчап турган реалдуулуктагы себептүүлүк принцибине доо кетирет. Же, балким, чырмалышкан бөлүкчөлөргө келгенде убакыт маанилүү эместир? Кванттык чырмалыш классикалык физикадагы локалдуулук принцибин бузат, ага ылайык объектке анын жакынкы чөйрөсү гана таасир этет.

Бразилиялык эксперименттен бери ушул сыяктуу көптөгөн эксперименттер жүргүзүлдү, алар бул жерде келтирилген натыйжаларды толук ырастайт. Акырында окурман бул күтүлбөгөн кубулуштардын сырын ачык айтып бергиси келет. Тилекке каршы, муну жасоо мүмкүн эмес. Кванттык механиканын логикасы биз күн сайын көргөн дүйнөнүн логикасынан башкача. Биз муну момундук менен кабыл алып, кванттык механиканын мыйзамдары микро ааламда болуп жаткан кубулуштарды так сүрөттөп жатканына кубанышыбыз керек, алар барган сайын өнүккөн техникалык түзүлүштөрдө пайдалуу.