Στην καρδιά της κβαντικής μηχανικής

Ο Richard Feynman, ένας από τους μεγαλύτερους φυσικούς του XNUMXου αιώνα, υποστήριξε ότι το κλειδί για την κατανόηση της κβαντικής μηχανικής ήταν το «πείραμα της διπλής σχισμής». Αυτό το εννοιολογικά απλό πείραμα, που πραγματοποιείται σήμερα, συνεχίζει να αποφέρει εκπληκτικές ανακαλύψεις. Δείχνουν πόσο ασυμβίβαστη είναι η κβαντική μηχανική με την κοινή λογική, η οποία τελικά οδήγησε στις πιο σημαντικές εφευρέσεις των τελευταίων πενήντα ετών.

Διεξήγαγε ένα πείραμα διπλής σχισμής για πρώτη φορά. Τόμας Γιανγκ (1) στην Αγγλία στις αρχές του δέκατου ένατου αιώνα.

πείραμα στον Yang

Το πείραμα χρησιμοποιήθηκε για να δείξει ότι το φως είναι κυματικής φύσης και όχι σωματιδιακής φύσης, όπως ισχυρίστηκε προηγουμένως. Ισαάκ Νιούτον. Ο Young απλά απέδειξε ότι το φως υπακούει παρέμβαση - φαινόμενο που είναι το πιο χαρακτηριστικό γνώρισμα (ανεξάρτητα από το είδος του κύματος και το μέσο στο οποίο διαδίδεται). Σήμερα, η κβαντομηχανική συμβιβάζει αυτές τις δύο λογικά αντιφατικές απόψεις.

Ας θυμηθούμε την ουσία του πειράματος της διπλής σχισμής. Ως συνήθως, αναφέρομαι σε ένα κύμα στην επιφάνεια του νερού που ταξιδεύει ομόκεντρα γύρω από το σημείο που ρίχνεται το βότσαλο. 

Ένα κύμα σχηματίζεται από διαδοχικές κορυφές και κοιλότητες που ακτινοβολούν έξω από τη θέση της διαταραχής, ενώ διατηρεί μια σταθερή απόσταση μεταξύ των κορυφών, που ονομάζεται μήκος κύματος. Στη διαδρομή του κύματος, μπορείτε να βάλετε ένα φράγμα, για παράδειγμα, με τη μορφή σανίδας με δύο στενές σχισμές κομμένες μέσω των οποίων το νερό μπορεί να ρέει ελεύθερα. Έχοντας ρίξει ένα βότσαλο στο νερό, το κύμα σταματά στο χώρισμα - αλλά όχι αρκετά. Δύο νέα ομόκεντρα κύματα (2) διαδίδονται τώρα στην άλλη πλευρά του χωρίσματος και από τις δύο σχισμές. Αλληλεπικαλύπτονται μεταξύ τους ή, όπως λέμε, παρεμβαίνουν μεταξύ τους, δημιουργώντας ένα χαρακτηριστικό σχέδιο στην επιφάνεια. Σε μέρη όπου η κορυφή ενός κύματος συναντά την κορυφή ενός άλλου, η διόγκωση του νερού εντείνεται και όπου μια κοιλότητα συναντά μια κοιλάδα, η κατάθλιψη βαθαίνει.

2. Παρεμβολή κυμάτων που αναδύονται από δύο σχισμές.

Στο πείραμα του Young, το μονοχρωματικό φως που εκπέμπεται από μια σημειακή πηγή περνά μέσα από ένα αδιαφανές διάφραγμα με δύο σχισμές και χτυπά μια οθόνη πίσω από αυτές (σήμερα θα προτιμούσαμε να χρησιμοποιήσουμε φως λέιζερ και CCD). Μια εικόνα παρεμβολής ενός φωτεινού κύματος παρατηρείται στην οθόνη με τη μορφή μιας σειράς εναλλασσόμενων φωτεινών και σκοτεινών λωρίδων (3). Αυτό το αποτέλεσμα ενίσχυσε την πεποίθηση ότι το φως ήταν κύμα, πριν οι ανακαλύψεις στις αρχές του XNUMX δείξουν ότι το φως ήταν επίσης κύμα. ροή φωτονίων είναι ελαφρά σωματίδια που δεν έχουν μάζα ηρεμίας. Αργότερα αποδείχθηκε ότι το μυστηριώδες δυαδικότητα κύματος-σωματιδίουανακαλύφθηκε πρώτα για το φως, ισχύει επίσης και για άλλα σωματίδια προικισμένα με μάζα. Σύντομα έγινε η βάση για μια νέα κβαντομηχανική περιγραφή του κόσμου.

3. Το όραμα του Young για το πείραμα

Τα σωματίδια παρεμβαίνουν επίσης

Το 1961, ο Klaus Jonsson από το Πανεπιστήμιο του Tübingen έδειξε την παρεμβολή μεγάλων σωματιδίων που ονομάζονται ηλεκτρόνια χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Δέκα χρόνια αργότερα, τρεις Ιταλοί φυσικοί από το Πανεπιστήμιο της Μπολόνια πραγματοποίησαν ένα παρόμοιο πείραμα με παρεμβολή ενός ηλεκτρονίου (χρησιμοποιώντας τον λεγόμενο διπρισμό αντί για διπλή σχισμή). Μείωσαν την ένταση της δέσμης ηλεκτρονίων σε τόσο χαμηλή τιμή που τα ηλεκτρόνια περνούσαν το ένα μετά το άλλο μέσα από το δίπρισμα. Αυτά τα ηλεκτρόνια καταγράφηκαν σε μια οθόνη φθορισμού.

Αρχικά, τα ίχνη ηλεκτρονίων κατανεμήθηκαν τυχαία στην οθόνη, αλλά με την πάροδο του χρόνου σχημάτισαν μια σαφή εικόνα παρεμβολής των κροσσών παρεμβολής. Φαίνεται αδύνατο δύο ηλεκτρόνια που περνούν διαδοχικά μέσα από σχισμές σε διαφορετικούς χρόνους να παρεμβαίνουν μεταξύ τους. Επομένως πρέπει να το παραδεχτούμε ένα ηλεκτρόνιο παρεμβαίνει στον εαυτό του! Αλλά τότε το ηλεκτρόνιο θα έπρεπε να περάσει και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα.

Μπορεί να είναι δελεαστικό να παρατηρήσετε την οπή από την οποία πραγματικά πέρασε το ηλεκτρόνιο. Θα δούμε αργότερα πώς να κάνουμε αυτή την παρατήρηση χωρίς να διαταραχθεί η κίνηση του ηλεκτρονίου. Αποδεικνύεται ότι αν λάβουμε πληροφορίες ότι το ηλεκτρόνιο έχει δεχτεί, τότε η παρεμβολή... θα εξαφανιστεί! Οι πληροφορίες «πώς» εξαλείφουν τις παρεμβολές. Σημαίνει αυτό ότι η παρουσία ενός συνειδητού παρατηρητή επηρεάζει την πορεία μιας φυσικής διαδικασίας;

Πριν μιλήσω για τα ακόμη πιο εκπληκτικά αποτελέσματα των πειραμάτων διπλής σχισμής, θα κάνω μια σύντομη παρέκβαση σχετικά με τα μεγέθη των παρεμβαλλόμενων αντικειμένων. Η κβαντική παρεμβολή αντικειμένων μάζας ανακαλύφθηκε πρώτα για ηλεκτρόνια, μετά για σωματίδια με αυξανόμενη μάζα: νετρόνια, πρωτόνια, άτομα και τέλος για μεγάλα χημικά μόρια.

Το 2011 καταρρίφθηκε το ρεκόρ για το μέγεθος ενός αντικειμένου που παρουσίαζε το φαινόμενο της κβαντικής παρεμβολής. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης από έναν διδάκτορα τότε. Σάντρα Άϊμπενμπεργκερ και τους συνεργάτες της. Για το πείραμα του διπλού σπασίματος επιλέχθηκε ένα πολύπλοκο οργανικό μόριο που περιέχει περίπου 5 πρωτόνια, 5 χιλιάδες νετρόνια και 5 χιλιάδες ηλεκτρόνια! Σε ένα πολύ περίπλοκο πείραμα, παρατηρήθηκε κβαντική παρεμβολή αυτού του τεράστιου μορίου.

Αυτό επιβεβαίωσε την πεποίθηση ότι Όχι μόνο τα στοιχειώδη σωματίδια, αλλά και κάθε υλικό αντικείμενο υπόκειται στους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Μόνο που όσο πιο περίπλοκο είναι ένα αντικείμενο, τόσο περισσότερο αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του, γεγονός που παραβιάζει τις λεπτές κβαντικές του ιδιότητες και καταστρέφει τα φαινόμενα παρεμβολής..

Κβαντική εμπλοκή και πόλωση φωτός

Τα πιο εκπληκτικά αποτελέσματα των πειραμάτων διπλής σχισμής προήλθαν από τη χρήση μιας ειδικής μεθόδου παρακολούθησης του φωτονίου, η οποία δεν διατάραξε με κανέναν τρόπο την κίνησή του. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί ένα από τα πιο περίεργα κβαντικά φαινόμενα, το λεγόμενο κβαντική εμπλοκή. Αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε στη δεκαετία του '30 από έναν από τους κύριους δημιουργούς της κβαντικής μηχανικής, Έρβιν Σρέντιγκερ.

Ο δύσπιστος Αϊνστάιν (βλ. επίσης 🙂) τους ονόμασε δράση φάντασμα από απόσταση. Ωστόσο, μόλις μισό αιώνα αργότερα έγινε αντιληπτή η σημασία αυτού του φαινομένου και σήμερα έχει γίνει θέμα ιδιαίτερου ενδιαφέροντος για τους φυσικούς.

Τι είναι αυτό το αποτέλεσμα; Αν δύο σωματίδια που βρίσκονταν κοντά το ένα στο άλλο σε μια χρονική στιγμή αλληλεπιδρούσαν τόσο έντονα μεταξύ τους που σχημάτισαν ένα είδος «δίδυμη σχέση», τότε η σχέση ισχύει ακόμη και όταν τα σωματίδια απέχουν εκατοντάδες χιλιόμετρα μεταξύ τους. Τότε τα σωματίδια συμπεριφέρονται ως ένα ενιαίο σύστημα. Αυτό σημαίνει ότι όταν κάνουμε μια ενέργεια σε ένα σωματίδιο, αυτή επηρεάζει αμέσως το άλλο σωματίδιο. Ωστόσο, με αυτόν τον τρόπο δεν μπορούμε να μεταδώσουμε πληροφορίες από απόσταση άκαιρα.

Ένα φωτόνιο είναι ένα σωματίδιο χωρίς μάζα - ένα στοιχειώδες μέρος του φωτός, το οποίο είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Έχοντας περάσει από μια πλάκα του αντίστοιχου κρυστάλλου (που ονομάζεται πολωτής), το φως πολώνεται γραμμικά, δηλ. το διάνυσμα ηλεκτρικού πεδίου ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος ταλαντώνεται σε ένα ορισμένο επίπεδο. Με τη σειρά του, περνώντας γραμμικά πολωμένο φως μέσα από μια πλάκα ορισμένου πάχους από άλλο συγκεκριμένο κρύσταλλο (τη λεγόμενη πλάκα τετάρτου κύματος), μπορεί να μετατραπεί σε κυκλικά πολωμένο φως, στο οποίο το διάνυσμα ηλεκτρικού πεδίου κινείται ελικοειδώς ( δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα) κίνηση κατά την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. Αντίστοιχα, μπορούμε να μιλάμε για γραμμικά ή κυκλικά πολωμένα φωτόνια.

Πειράματα με μπερδεμένα φωτόνια

4α. Ο μη γραμμικός κρύσταλλος BBO μετατρέπει ένα φωτόνιο που εκπέμπεται από ένα λέιζερ αργού σε δύο μπερδεμένα φωτόνια με τη μισή ενέργεια και αμοιβαία κάθετη πόλωση. Αυτά τα φωτόνια διασκορπίζονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις και καταγράφονται από τους ανιχνευτές D1 και D2, που συνδέονται με έναν μετρητή σύμπτωσης LC. Ένα διάφραγμα με δύο σχισμές τοποθετείται στη διαδρομή ενός από τα φωτόνια. Όταν και οι δύο ανιχνευτές ανιχνεύουν την σχεδόν ταυτόχρονη άφιξη και των δύο φωτονίων, το σήμα αποθηκεύεται στη μνήμη της συσκευής και ο ανιχνευτής D2 κινείται παράλληλα με τις σχισμές. Ο αριθμός των φωτονίων ως συνάρτηση της θέσης του ανιχνευτή D2 που καταγράφηκε με αυτόν τον τρόπο εμφανίζεται στο πλαίσιο, δείχνοντας μέγιστα και ελάχιστα που υποδεικνύουν παρεμβολή.

Το 2001, μια ομάδα Βραζιλιάνων φυσικών στο Μπέλο Οριζόντε ηγήθηκε Στίβεν Γουόλμπορν ασυνήθιστο πείραμα. Οι συγγραφείς του χρησιμοποίησαν τις ιδιότητες ενός ειδικού κρυστάλλου (συντομογραφία BBO), ο οποίος μετατρέπει ένα ορισμένο μέρος των φωτονίων που εκπέμπονται από ένα λέιζερ αργού σε δύο φωτόνια με τη μισή ενέργεια. Αυτά τα δύο φωτόνια είναι μπλεγμένα μεταξύ τους. όταν ένα από αυτά έχει, για παράδειγμα, οριζόντια πόλωση, το άλλο έχει κάθετη πόλωση. Αυτά τα φωτόνια κινούνται προς δύο διαφορετικές κατευθύνσεις και παίζουν διαφορετικούς ρόλους στο περιγραφόμενο πείραμα.

Ένα από τα φωτόνια που θα ονομάσουμε ελέγχου, πηγαίνει απευθείας στον ανιχνευτή φωτονίων D1 (4a). Ο ανιχνευτής καταγράφει την άφιξή του στέλνοντας ένα ηλεκτρικό σήμα σε μια συσκευή που ονομάζεται μετρητής συμπτώσεων. LK Ένα πείραμα παρεμβολής θα πραγματοποιηθεί στο δεύτερο φωτόνιο. θα του τηλεφωνήσουμε φωτόνιο σήματος. Στη διαδρομή του υπάρχει μια διπλή σχισμή που ακολουθείται από έναν δεύτερο ανιχνευτή φωτονίων D2, λίγο πιο μακριά από την πηγή φωτονίων από τον ανιχνευτή D1. Αυτός ο ανιχνευτής μπορεί να μεταπηδήσει τη θέση του σε σχέση με τη διπλή υποδοχή κάθε φορά που λαμβάνει ένα αντίστοιχο σήμα από τον μετρητή συμπτώσεων. Όταν ο ανιχνευτής D1 ανιχνεύσει ένα φωτόνιο, στέλνει ένα σήμα στον μετρητή συμπτώσεων. Εάν, λίγο αργότερα, ο ανιχνευτής D2 ανιχνεύσει επίσης ένα φωτόνιο και στείλει ένα σήμα στον μετρητή, θα αναγνωρίσει ότι προέρχεται από μπερδεμένα φωτόνια και αυτό το γεγονός θα αποθηκευτεί στη μνήμη της συσκευής. Αυτή η διαδικασία εξαλείφει την καταχώρηση τυχαίων φωτονίων που εισέρχονται στον ανιχνευτή.

Τα μπερδεμένα φωτόνια παραμένουν για 400 δευτερόλεπτα. Μετά από αυτό το διάστημα, ο ανιχνευτής D2 μετατοπίζεται κατά 1 mm σε σχέση με τη θέση των σχισμών και η καταμέτρηση των μπερδεμένων φωτονίων διαρκεί άλλα 400 δευτερόλεπτα. Στη συνέχεια, ο ανιχνευτής μετακινείται ξανά κατά 1 mm και η διαδικασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές. Αποδεικνύεται ότι η κατανομή του αριθμού των φωτονίων που καταγράφονται με αυτόν τον τρόπο ανάλογα με τη θέση του ανιχνευτή D2 έχει χαρακτηριστικά μέγιστα και ελάχιστα που αντιστοιχούν σε φως και σκοτάδι και κρόσσια παρεμβολής στο πείραμα του Young (4a).

Θα το μάθουμε ξανά μεμονωμένα φωτόνια που διέρχονται από τη διπλή σχισμή παρεμβάλλονται μεταξύ τους.

Πώς κι έτσι;

Το επόμενο βήμα στο πείραμα ήταν να προσδιοριστεί η οπή από την οποία θα περνούσε ένα συγκεκριμένο φωτόνιο χωρίς να διαταραχθεί η κίνησή του. Ιδιότητες που χρησιμοποιούνται εδώ πλάκα τετάρτου κύματος. Μια πλάκα τετάρτου κύματος τοποθετήθηκε μπροστά από κάθε σχισμή, η μία από τις οποίες άλλαξε τη γραμμική πόλωση του προσπίπτοντος φωτονίου σε δεξιόστροφη κυκλική πόλωση και η άλλη σε αριστερόστροφη κυκλική πόλωση (4b). Επιβεβαιώθηκε ότι ο τύπος της πόλωσης φωτονίων δεν επηρέασε τον αριθμό των φωτονίων που καταμετρήθηκαν. Τώρα, προσδιορίζοντας την περιστροφή της πόλωσης ενός φωτονίου αφού περάσει από τις σχισμές, μπορούμε να υποδείξουμε από ποια από αυτές πέρασε το φωτόνιο. Η γνώση «προς ποια κατεύθυνση» εξαλείφει τις παρεμβολές.

4β. Τοποθετώντας πλάκες τετάρτου κύματος (σκιασμένα ορθογώνια) μπροστά από τις σχισμές, μπορούν να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με το "ποιο μονοπάτι" και η εικόνα παρεμβολής θα εξαφανιστεί.

4γ. Η τοποθέτηση ενός κατάλληλα προσανατολισμένου πολωτή P μπροστά από τον ανιχνευτή D1 διαγράφει τις πληροφορίες "ποια διαδρομή" και αποκαθιστά τις παρεμβολές.

Στην πραγματικότητα, Μόλις οι πλάκες τετάρτου κύματος τοποθετηθούν σωστά μπροστά από τις σχισμές, η κατανομή μέτρησης που παρατηρήθηκε προηγουμένως που δείχνει παρεμβολή εξαφανίζεται. Το πιο περίεργο είναι ότι αυτό συμβαίνει χωρίς τη συμμετοχή ενός συνειδητού παρατηρητή που μπορεί να κάνει τις κατάλληλες μετρήσεις! Η απλή τοποθέτηση πλακών τετάρτου κύματος παράγει ένα αποτέλεσμα καταστολής παρεμβολών.. Πώς ξέρει λοιπόν το φωτόνιο ότι μετά την εισαγωγή των πλακών, μπορούμε να προσδιορίσουμε το κενό από το οποίο πέρασε;

Ωστόσο, αυτό δεν είναι το τέλος των παραξενιών. Μπορούμε τώρα να ανακατασκευάσουμε την παρεμβολή φωτονίων σήματος χωρίς να την επηρεάσουμε άμεσα. Για να το κάνετε αυτό, τοποθετήστε έναν πολωτή στη διαδρομή του φωτονίου ελέγχου που φτάνει στον ανιχνευτή D1 έτσι ώστε να μεταδίδει φως με μια πόλωση που είναι ένας συνδυασμός των πόλωσης και των δύο εμπλεκόμενων φωτονίων (4c). Αυτό αλλάζει αμέσως την πολικότητα του φωτονίου σήματος ανάλογα. Τώρα δεν είναι πλέον δυνατό να προσδιοριστεί με βεβαιότητα ποια είναι η πόλωση ενός φωτονίου που προσπίπτει στις σχισμές και από ποια σχισμή πέρασε το φωτόνιο. Σε αυτή την περίπτωση, οι παρεμβολές αποκαθίστανται!

Διαγραφή πληροφοριών καθυστερημένης επιλογής

Τα πειράματα που περιγράφονται παραπάνω πραγματοποιήθηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε το φωτόνιο ελέγχου να ανιχνεύθηκε από τον ανιχνευτή D1 πριν το φωτόνιο σήματος φτάσει στον ανιχνευτή D2. Η διαγραφή των πληροφοριών "which way" επιτεύχθηκε αλλάζοντας την πόλωση του κινητήριου φωτονίου πριν το φωτόνιο σήματος φτάσει στον ανιχνευτή D2. Τότε μπορεί κανείς να φανταστεί ότι το φωτόνιο ελέγχου έχει ήδη πει στον «δίδυμο» του τι να κάνει στη συνέχεια: να επέμβει ή όχι.

Τώρα τροποποιούμε το πείραμα με τέτοιο τρόπο ώστε το φωτόνιο ελέγχου να χτυπήσει τον ανιχνευτή D1 αφού καταχωρήσει το φωτόνιο σήματος στον ανιχνευτή D2. Για να το κάνετε αυτό, μετακινήστε τον ανιχνευτή D1 μακριά από την πηγή φωτονίων. Το μοτίβο παρεμβολής φαίνεται το ίδιο. Τώρα ας τοποθετήσουμε πλάκες τετάρτου κύματος μπροστά από τις σχισμές για να καθορίσουμε ποια διαδρομή έχει ακολουθήσει το φωτόνιο. Το μοτίβο παρεμβολής εξαφανίζεται. Στη συνέχεια, ας διαγράψουμε τις πληροφορίες "which way" τοποθετώντας έναν κατάλληλα προσανατολισμένο πολωτή μπροστά από τον ανιχνευτή D1. Το μοτίβο παρεμβολής εμφανίζεται ξανά! Ωστόσο, η διαγραφή έγινε αφού ανιχνεύθηκε το φωτόνιο σήματος από τον ανιχνευτή D2. Πώς είναι αυτό δυνατόν? Το φωτόνιο έπρεπε να έχει επίγνωση της αλλαγής της πολικότητας προτού φτάσει οποιαδήποτε πληροφορία γι' αυτό.

5. Πειράματα με ακτίνα λέιζερ.

Η φυσική ακολουθία των γεγονότων εδώ αντιστρέφεται. το αποτέλεσμα προηγείται της αιτίας! Αυτό το αποτέλεσμα υπονομεύει την αρχή της αιτιότητας στην πραγματικότητα γύρω μας. Ή μήπως ο χρόνος δεν έχει σημασία όταν πρόκειται για μπλεγμένα σωματίδια; Η κβαντική εμπλοκή παραβιάζει την αρχή της τοπικότητας, η οποία ισχύει στην κλασική φυσική, σύμφωνα με την οποία ένα αντικείμενο μπορεί να επηρεαστεί μόνο από το άμεσο περιβάλλον του.

Από το πείραμα της Βραζιλίας, έχουν πραγματοποιηθεί πολλά παρόμοια πειράματα, τα οποία επιβεβαιώνουν πλήρως τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ. Στο τέλος, ο αναγνώστης θα ήθελε να εξηγήσει με σαφήνεια το μυστήριο αυτών των απροσδόκητων φαινομένων. Δυστυχώς, αυτό δεν μπορεί να γίνει. Η λογική της κβαντικής μηχανικής είναι διαφορετική από τη λογική του κόσμου που βλέπουμε καθημερινά. Πρέπει να το αποδεχτούμε ταπεινά και να χαιρόμαστε για το γεγονός ότι οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής περιγράφουν με ακρίβεια φαινόμενα που συμβαίνουν στον μικρόκοσμο, τα οποία χρησιμοποιούνται χρήσιμα σε όλο και πιο προηγμένες τεχνικές συσκευές.