V srdci kvantovej mechaniky

Richard Feynman, jeden z najväčších fyzikov XNUMX. storočia, tvrdil, že kľúčom k pochopeniu kvantovej mechaniky je „experiment s dvojitou štrbinou“. Tento koncepčne jednoduchý experiment, ktorý sa dnes uskutočňuje, naďalej prináša úžasné objavy. Ukazujú, aká nezlučiteľná so zdravým rozumom je kvantová mechanika, ktorá nakoniec viedla k najdôležitejším vynálezom za posledných päťdesiat rokov.

Prvýkrát vykonal dvojštrbinový experiment. Thomas Young (1) v Anglicku na začiatku devätnásteho storočia.

experimentovať s Yangom

Experiment bol použitý na preukázanie, že svetlo má vlnovú povahu a nie korpuskulárnu povahu, ako bolo uvedené vyššie. Isaac Newton. Young práve ukázal, že svetlo poslúcha zásah - jav, ktorý je najcharakteristickejším znakom (bez ohľadu na typ vlny a prostredie, v ktorom sa šíri). Dnes kvantová mechanika dáva do súladu tieto dva logicky protichodné názory.

Pripomeňme si podstatu dvojštrbinového experimentu. Ako obvykle mám na mysli vlnu na hladine vody, ktorá sa sústredne šíri okolo miesta, kde bol kamienok odhodený. 

Vlna je tvorená po sebe nasledujúcimi hrebeňmi a korytami vyžarujúcimi z miesta narušenia, pričom sa medzi hrebeňmi udržiava konštantná vzdialenosť, ktorá sa nazýva vlnová dĺžka. Do dráhy vlny možno umiestniť bariéru, napríklad vo forme dosky s dvoma úzkymi štrbinami, cez ktoré môže voda voľne pretekať. Hodením kamienok do vody sa vlna zastaví na prepážke – ale nie celkom. Dve nové sústredné vlny (2) sa teraz šíria na druhú stranu prepážky z oboch slotov. Nachádzajú sa na seba, alebo, ako hovoríme, sa navzájom rušia a vytvárajú na povrchu charakteristický vzor. V miestach, kde sa hrebeň jednej vlny stretáva s hrebeňom druhej, sa vydutie vody zintenzívňuje a kde sa priehlbina stretáva s údolím, priehlbina sa prehlbuje.

2. Rušenie vĺn vystupujúcich z dvoch štrbín.

V Youngovom experimente jednofarebné svetlo vyžarované z bodového zdroja prechádza cez nepriehľadnú clonu s dvoma štrbinami a dopadá na obrazovku za nimi (dnes by sme radšej použili laserové svetlo a pole CCD). Na obrazovke sa pozoruje interferenčný obraz svetelnej vlny vo forme série striedajúcich sa svetlých a tmavých pruhov (3). Tento výsledok posilnil vieru, že svetlo je vlna, kým objavy na začiatku XNUMX. storočia ukázali, že svetlo je tiež vlna. tok fotónov sú ľahké častice, ktoré nemajú pokojovú hmotnosť. Neskôr sa ukázalo, že tajomný vlnovo-časticová dualitaprvýkrát objavený pre svetlo platí aj pre iné častice obdarené hmotou. Čoskoro sa stal základom pre nový kvantovo-mechanický popis sveta.

3. Vízia Youngovho experimentu

Častice tiež rušia

V roku 1961 Klaus Jonsson z univerzity v Tübingene demonštroval interferenciu masívnych častíc – elektrónov pomocou elektrónového mikroskopu. O desať rokov neskôr vykonali traja talianski fyzici z univerzity v Bologni podobný experiment s interferencia jedného elektrónu (použitím tzv. biprizmy namiesto dvojitej štrbiny). Znížili intenzitu elektrónového lúča na takú nízku hodnotu, že elektróny prechádzali cez biprizmu jeden za druhým, jeden za druhým. Tieto elektróny boli zaregistrované na fluorescenčnej obrazovke.

Spočiatku boli stopy elektrónov náhodne rozmiestnené po obrazovke, ale časom vytvorili zreteľný interferenčný obraz interferenčných prúžkov. Zdá sa nemožné, že by dva elektróny prechádzajúce štrbinami za sebou v rôznych časoch mohli navzájom interferovať. Preto to musíme uznať jeden elektrón interferuje sám so sebou! Potom by však elektrón musel prejsť oboma štrbinami súčasne.

Môže byť lákavé pozrieť sa na dieru, cez ktorú elektrón skutočne prešiel. Neskôr uvidíme, ako urobiť takéto pozorovanie bez narušenia pohybu elektrónu. Ukazuje sa, že ak dostaneme informácie o tom, čo elektrón prijal, potom rušenie ... zmizne! Informácie „ako“ ničia rušenie. Znamená to, že prítomnosť vedomého pozorovateľa ovplyvňuje priebeh fyzikálneho procesu?

Predtým, ako budem hovoriť o ešte prekvapivejších výsledkoch experimentov s dvojitou štrbinou, urobím malú odbočku o veľkostiach rušivých objektov. Kvantová interferencia hmotných objektov bola objavená najskôr pre elektróny, potom pre častice s rastúcou hmotnosťou: neutróny, protóny, atómy a nakoniec pre veľké chemické molekuly.

V roku 2011 bol prekonaný rekord vo veľkosti objektu, na ktorom bol demonštrovaný fenomén kvantovej interferencie. Experiment uskutočnil na Viedenskej univerzite vtedajší doktorand. Sandra Eibenbergerová a jej spoločníkov. Na experiment s dvoma prestávkami bola vybraná zložitá organická molekula obsahujúca asi 5 protónov, 5 tisíc neutrónov a 5 tisíc elektrónov! Vo veľmi zložitom experimente bola pozorovaná kvantová interferencia tejto obrovskej molekuly.

To potvrdilo presvedčenie, že Zákony kvantovej mechaniky sa riadia nielen elementárnymi časticami, ale aj každým hmotným objektom. Jedine, že čím je objekt zložitejší, tým viac interaguje s prostredím, čo narúša jeho jemné kvantové vlastnosti a ničí interferenčné efekty..

Kvantové zapletenie a polarizácia svetla

Najprekvapivejšie výsledky dvojštrbinových experimentov vyplynuli z použitia špeciálnej metódy sledovania fotónu, ktorá nijako nenarušila jeho pohyb. Táto metóda využíva jeden z najpodivnejších kvantových javov, tzv kvantové zapletenie. Tento jav si všimol už v 30. rokoch jeden z hlavných tvorcov kvantovej mechaniky, Erwin schrödinger.

Skeptický Einstein (pozri aj 🙂 ich nazval strašidelné pôsobenie na diaľku. Až o pol storočia neskôr si však uvedomil význam tohto efektu a dnes sa stal predmetom mimoriadneho záujmu fyzikov.

V čom spočíva tento efekt? Ak dve častice, ktoré sú v určitom časovom bode blízko seba, interagujú tak silno, že vytvoria akýsi „dvojitý vzťah“, potom vzťah pretrváva, aj keď sú častice od seba vzdialené stovky kilometrov. Potom sa častice správajú ako jeden systém. To znamená, že keď vykonáme akciu na jednej častici, okamžite to ovplyvní ďalšiu časticu. Takto však nemôžeme nadčasovo prenášať informácie na diaľku.

Fotón je bezhmotná častica – elementárna časť svetla, ktorou je elektromagnetické vlnenie. Po prechode cez platničku zodpovedajúceho kryštálu (nazývaného polarizátor) sa svetlo polarizuje lineárne, t.j. vektor elektrického poľa elektromagnetickej vlny kmitá v určitej rovine. Na druhej strane, prechodom lineárne polarizovaného svetla cez platňu určitej hrúbky z iného konkrétneho kryštálu (tzv. štvrťvlnová platňa) sa môže premeniť na kruhovo polarizované svetlo, v ktorom sa vektor elektrického poľa pohybuje po špirále ( v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek) pohyb v smere šírenia vlny. Podľa toho možno hovoriť o lineárne alebo kruhovo polarizovaných fotónoch.

Experimenty so zapletenými fotónmi

4a. Nelineárny BBO kryštál premieňa fotón vyžarovaný argónovým laserom na dva zapletené fotóny s polovičnou energiou a vzájomne kolmou polarizáciou. Tieto fotóny sa rozptyľujú rôznymi smermi a registrujú ich detektory D1 a D2, spojené koincidenčným počítadlom LK.V dráhe jedného z fotónov je umiestnená clona s dvoma štrbinami. Keď oba detektory zaregistrujú takmer súčasný príchod oboch fotónov, signál sa uloží do pamäte zariadenia a detektor D2 postupuje paralelne so štrbinami. Takto zaznamenaný počet fotónov v závislosti od polohy detektora D2 je zobrazený v rámčeku s maximami a minimami, čo naznačuje interferenciu.

V roku 2001 skupina brazílskych fyzikov v Belo Horizonte vystúpila pod vedením o Stephen Walborn nezvyčajný experiment. Jeho autori využili vlastnosti špeciálneho kryštálu (skrátene BBO), ktorý premieňa určitú časť fotónov vyžarovaných argónovým laserom na dva fotóny s polovičnou energiou. Tieto dva fotóny sú navzájom prepletené; keď jeden z nich má napríklad horizontálnu polarizáciu, druhý má vertikálnu polarizáciu. Tieto fotóny sa pohybujú v dvoch rôznych smeroch a hrajú rôzne úlohy v opísanom experimente.

Jeden z fotónov, ktoré pomenujeme ovládanie, ide priamo k detektoru fotónov D1 (4a). Detektor zaregistruje svoj príchod odoslaním elektrického signálu do zariadenia nazývaného počítadlo zásahov. LK Na druhom fotóne sa uskutoční interferenčný experiment; zavoláme mu signálny fotón. V jeho dráhe je dvojitá štrbina, za ktorou nasleduje druhý fotónový detektor, D2, o niečo ďalej od zdroja fotónov ako detektor D1. Tento detektor môže poskakovať okolo duálneho slotu zakaždým, keď prijme príslušný signál z počítadla zásahov. Keď detektor D1 zaregistruje fotón, vyšle signál do počítadla koincidencií. Ak o chvíľu detektor D2 zaregistruje aj fotón a vyšle signál do meracieho prístroja, tak spozná, že pochádza zo zamotaných fotónov a táto skutočnosť sa uloží do pamäte prístroja. Tento postup vylučuje registráciu náhodných fotónov vstupujúcich do detektora.

Zapletené fotóny pretrvávajú 400 sekúnd. Po tomto čase sa detektor D2 posunie o 1 mm vzhľadom na polohu štrbín a počítanie zapletených fotónov trvá ďalších 400 sekúnd. Potom sa detektor opäť posunie o 1 mm a postup sa mnohokrát opakuje. Ukazuje sa, že rozloženie počtu takto zaznamenaných fotónov v závislosti od polohy detektora D2 má charakteristické maximá a minimá zodpovedajúce svetlu a tme a interferenčným prúžkom v Youngovom experimente (4a).

Opäť to zisťujeme jednotlivé fotóny prechádzajúce cez dvojitú štrbinu sa navzájom rušia.

Ako to?

Ďalším krokom experimentu bolo určenie otvoru, ktorým konkrétny fotón prešiel bez narušenia jeho pohybu. Tu použité vlastnosti štvrťvlnová platňa. Pred každou štrbinou bola umiestnená štvrťvlnová platňa, z ktorých jedna zmenila lineárnu polarizáciu dopadajúceho fotónu na kruhovú v smere hodinových ručičiek a druhá na ľavostrannú kruhovú polarizáciu (4b). Bolo overené, že typ fotónovej polarizácie neovplyvnil počet spočítaných fotónov. Teraz určením rotácie polarizácie fotónu po jeho prechode cez štrbiny je možné určiť, cez ktorú z nich fotón prešiel. Vedieť „akým smerom“ ničí rušenie.

4b. Umiestnením štvrťvlnových doštičiek (tieňovaných obdĺžnikov) pred štrbiny možno získať informáciu „ktorou cestou“ a interferenčný obraz zmizne.

4c. Umiestnenie vhodne orientovaného polarizátora P pred detektor D1 vymaže informáciu „kam smerom“ a obnoví rušenie.

V skutočnosti, po správnom umiestnení štvrťvlnových doštičiek pred štrbiny zmizne predtým pozorovaná distribúcia impulzov, indikujúca interferenciu. Najpodivnejšie je, že sa to deje bez účasti vedomého pozorovateľa, ktorý môže vykonať príslušné merania! Samotné umiestnenie štvrťvlnových platní vytvára efekt rušenia interferencií.. Ako teda fotón vie, že po vložení doštičiek vieme určiť medzeru, cez ktorú prešiel?

Tým sa však čudáctvo nekončí. Teraz môžeme obnoviť rušenie signálu fotónov bez toho, aby sme to priamo ovplyvnili. Za týmto účelom umiestnite do dráhy kontrolného fotónu dosahujúceho detektor D1 polarizátor tak, aby prepúšťal svetlo s polarizáciou, ktorá je kombináciou polarizácií oboch zapletených fotónov (4c). To okamžite zodpovedajúcim spôsobom zmení polaritu signálneho fotónu. Teraz už nie je možné s istotou určiť, aká je polarizácia fotónu dopadajúceho na štrbiny a cez ktorú štrbinu fotón prešiel. V tomto prípade je rušenie obnovené!

Vymazať informácie o oneskorenom výbere

Vyššie opísané experimenty boli uskutočnené tak, že kontrolný fotón bol zaregistrovaný detektorom D1 predtým, ako signálny fotón dosiahol detektor D2. Vymazanie informácie „ktorá cesta“ sa uskutočnilo zmenou polarizácie riadiaceho fotónu predtým, ako signálny fotón dosiahol detektor D2. Potom si možno predstaviť, že riadiaci fotón už svojmu „dvojčaťu“ povedal, čo má robiť ďalej: zasiahnuť alebo nie.

Teraz experiment upravíme tak, že kontrolný fotón narazí na detektor D1 po zaregistrovaní signálneho fotónu na detektore D2. Za týmto účelom presuňte detektor D1 ďalej od zdroja fotónov. Interferenčný obrazec vyzerá rovnako ako predtým. Teraz pred štrbiny umiestnime štvrťvlnové platne, aby sme určili, ktorou cestou sa fotón vydal. Rušivý obrazec zmizne. Ďalej vymažeme informáciu „akým smerom“ umiestnením vhodne orientovaného polarizátora pred detektor D1. Opäť sa objaví interferenčný obrazec! Vymazanie sa však uskutočnilo po zaregistrovaní signálneho fotónu detektorom D2. Ako je to možné? Fotón si musel byť vedomý zmeny polarity skôr, ako sa k nemu mohla dostať akákoľvek informácia o ňom.

5. Pokusy s laserovým lúčom.

Prirodzený sled udalostí je tu obrátený; účinok predchádza príčinu! Tento výsledok podkopáva princíp kauzality v realite okolo nás. Alebo možno čas nehrá rolu, pokiaľ ide o zapletené častice? Kvantové zapletenie porušuje princíp lokality v klasickej fyzike, podľa ktorého môže byť objekt ovplyvnený iba jeho bezprostredným okolím.

Od brazílskeho experimentu sa uskutočnilo mnoho podobných experimentov, ktoré plne potvrdzujú tu prezentované výsledky. Na záver by čitateľ rád jasne vysvetlil záhadu týchto nečakaných javov. To sa bohužiaľ nedá. Logika kvantovej mechaniky sa líši od logiky sveta, ktorý vidíme každý deň. Musíme to s pokorou prijať a tešiť sa z toho, že zákony kvantovej mechaniky presne popisujú javy vyskytujúce sa v mikrokozme, ktoré sa užitočne využívajú v stále vyspelejších technických zariadeniach.