Dina manah mékanika kuantum

Richard Feynman, salah sahiji fisikawan greatest abad ka-XNUMX, pamadegan yén konci pikeun pamahaman mékanika kuantum nyaéta "double slit experiment". Ieu percobaan conceptually basajan, dilaksanakeun kiwari, terus ngahasilkeun pamanggihan endah pisan. Éta nunjukkeun kumaha sauyunan sareng akal sehat nyaéta mékanika kuantum, anu antukna nyababkeun panemuan anu paling penting dina lima puluh taun ka pengker.

Pikeun kahiji kalina anjeunna ngalakukeun percobaan double-slit. Thomas Young (1) di Inggris dina awal abad XIX.

percobaan ka Yang

Ékspérimén ieu dipaké pikeun némbongkeun yén cahaya téh alam gelombang jeung teu alam corpuscular, sakumaha disebutkeun saméméhna. Isaac Newton. Young ngan nunjukkeun yén cahaya nurut campur - fénoména anu mangrupikeun ciri anu paling khas (teu paduli jinis gelombang sareng médium anu nyebarkeunana). Kiwari, mékanika kuantum reconciles duanana pamadegan logis kontradiktif ieu.

Hayu urang ngelingan hakekat percobaan double-slit. Sakumaha biasa, maksud kuring nyaéta gelombang dina beungeut cai anu sumebar sacara konsentris di sabudeureun tempat éta karikil dialungkeun. 

Gelombang kabentuk ku crests jeung troughs saterusna radiating ti titik gangguan, bari ngajaga jarak konstan antara crests, nu disebut panjang gelombang. A panghalang bisa ditempatkeun dina jalur gelombang, contona, dina bentuk dewan jeung dua slot sempit motong ngaliwatan nu cai bisa ngalir kalawan bébas. Ngalungkeun karikil kana cai, gelombang eureun dina partisi - tapi henteu cukup. Dua gelombang concentric anyar (2) ayeuna propagate ka sisi séjén partisi ti duanana slot. Éta téh superimposed on silih, atawa, sakumaha urang nyebutkeun, ngaganggu silih, nyieun hiji pola ciri dina beungeut cai. Di tempat-tempat dimana puncak hiji gelombang nyumponan puncak gelombang anu sanés, gumpalan cai ngagedékeun, sareng dimana jurang nyumponan lebak, déprési langkung jero.

2. Interferensi gelombang munculna ti dua slot.

Dina ékspérimén Young, cahaya warna tunggal anu dipancarkeun tina sumber titik ngaliwatan diafragma opak kalayan dua celah sareng pencét layar di tukangeunana (ayeuna urang langkung resep ngagunakeun lampu laser sareng susunan CCD). Gambar interferensi gelombang cahaya dititénan dina layar dina wangun runtuyan lampu bolak jeung stripes poék (3). Hasil ieu nguatkeun kapercayaan yén cahaya mangrupikeun gelombang, sateuacan panemuan dina awal XNUMX-an nunjukkeun yén cahaya ogé gelombang. fluks foton nyaéta partikel cahaya anu teu boga massa sésana. Engké tétéla yén misterius dualitas gelombang-partikelmunggaran kapanggih pikeun cahaya ogé lumaku pikeun partikel séjén endowed jeung massa. Eta geura-giru jadi dadasar pikeun déskripsi mékanis kuantum anyar dunya.

3. Visi percobaan Young urang

Partikel ogé ngaganggu

Dina 1961, Klaus Jonsson ti Universitas Tübingen nunjukkeun gangguan partikel masif - éléktron maké mikroskop éléktron. Sapuluh taun ti harita, tilu fisikawan Italia ti Universitas Bologna ngalaksanakeun percobaan anu sami sareng gangguan éléktron tunggal (ngagunakeun disebut biprism tinimbang celah ganda). Aranjeunna ngurangan inténsitas pancaran éléktron ka nilai low yén éléktron ngaliwatan biprism hiji sanggeus sejen, hiji sanggeus lianna. Éléktron ieu didaptarkeun dina layar fluoresensi.

Mimitina, jalur éléktron disebarkeun sacara acak dina layar, tapi kana waktosna aranjeunna ngabentuk gambar gangguan anu béda tina pinggiran gangguan. Sigana teu mungkin yen dua éléktron ngaliwatan slits dina suksesi dina waktu béda bisa ngaganggu silih. Ku kituna, urang kudu ngaku éta hiji éléktron ngaganggu sorangan! Tapi saterusna éléktron bakal kudu ngaliwatan duanana slits dina waktos anu sareng.

Bisa jadi pikabitaeun pikeun nempo liang ngaliwatan mana éléktron sabenerna diliwatan. Engké urang bakal nempo kumaha carana sangkan hiji observasi tanpa disturbing gerak éléktron. Tétéla yén lamun urang meunang informasi ngeunaan naon éléktron geus narima, teras gangguan ... bakal ngaleungit! Informasi "kumaha" ngancurkeun gangguan. Naha ieu hartosna ayana panitén sadar mangaruhan kana prosés fisik?

Sateuacan ngobrol ngeunaan hasil anu langkung héran tina ékspérimén dua kali, kuring bakal ngadamel digression leutik ngeunaan ukuran objék anu ngaganggu. Interferensi kuantum objék massa kapanggih mimitina pikeun éléktron, lajeng pikeun partikel nu massana ngaronjat: neutron, proton, atom, sarta ahirna pikeun molekul kimia badag.

Dina 2011, catetan ukuran hiji obyék ieu pegat, nu nunjukkeun fenomena gangguan kuantum. Ékspérimén dilaksanakeun di Universitas Wina ku mahasiswa doktor dina waktos éta. Sandra Eibenberger jeung batur-baturna. Molekul organik kompléks anu ngandung kira-kira 5 proton, 5 rébu neutron sareng 5 rébu éléktron dipilih pikeun ékspérimén sareng dua putus! Dina ékspérimén anu kompleks pisan, interferensi kuantum molekul badag ieu dititénan.

Ieu dikonfirmasi kapercayaan yén Hukum mékanika kuantum henteu ngan taat kana partikel dasar, tapi ogé unggal objék material. Ngan nu leuwih kompleks obyék, beuki interaksi jeung lingkungan, nu ngalanggar sipat kuantum halus sarta ngancurkeun épék gangguan..

Entanglement kuantum sareng polarisasi cahaya

Hasil anu paling héran tina ékspérimén celah ganda asalna tina ngagunakeun metode khusus pikeun nyukcruk foton, anu henteu ngaganggu gerakna ku cara naon waé. Metoda ieu ngagunakeun salah sahiji fenomena kuantum aneh, nu disebut entanglement kuantum. Fenomena ieu diperhatikeun deui dina taun 30an ku salah sahiji panyipta utama mékanika kuantum, Erwin Schrödinger.

The skeptis Einstein (tingali ogé 🙂 disebut aranjeunna Peta ghostly di kajauhan. Sanajan kitu, ngan satengah abad engké significance tina éfék ieu sadar, sarta kiwari geus jadi subyek minat husus pikeun fisikawan.

Naon pangaruh ieu ngeunaan? Lamun dua partikel nu deukeut ka silih di sawatara titik dina waktu interaksi jadi kuat saling nu aranjeunna ngabentuk jenis "hubungan kembar," lajeng hubungan persists sanajan partikel anu ratusan kilométer eta. Lajeng partikel kalakuanana salaku sistem tunggal. Ieu ngandung harti yén nalika urang ngalakukeun aksi dina hiji partikel, éta langsung mangaruhan partikel séjén. Nanging, ku cara kieu urang moal tiasa ngirimkeun inpormasi dina jarak anu jauh.

Foton nyaéta partikel tanpa massa - bagian dasar cahaya, anu mangrupa gelombang éléktromagnétik. Sanggeus ngaliwatan piring tina kristal pakait (disebut polarizer a), lampu jadi linier polarized, i.e. véktor médan listrik gelombang éléktromagnétik osilasi dina pesawat anu tangtu. Sabalikna, ku jalan ngalirkeun cahaya polarisasi linier ngaliwatan pelat ketebalan nu tangtu tina kristal husus sejen (nu disebut piring saparapat-gelombang), éta bisa dirobah jadi lampu circularly polarized, nu vektor médan listrik ngalir dina hélik ( searah jarum jam atawa lawan jarum jam) gerak sapanjang arah rambatan gelombang. Sasuai, urang tiasa nyarios poton polarisasi linier atanapi sirkular.

Ékspérimén jeung foton entangled

4a. Kristal BBO non-linier ngarobah foton nu dipancarkeun ku laser argon jadi dua foton entangled kalawan satengah énergi jeung polarisasi saling jejeg. Foton ieu paburencay dina arah béda jeung didaptarkeun ku detéktor D1 jeung D2, disambungkeun ku counter kabeneran LK. A diafragma dua slits disimpen dina jalur salah sahiji foton. Nalika duanana detéktor ngadaptar datangna ampir simultaneous duanana foton, sinyal disimpen dina mémori alat, sarta detektor D2 léngkah sajajar jeung slits. Jumlah foton gumantung kana posisi detektor D2, sahingga dirékam, ditémbongkeun dina kotak, némbongkeun maxima jeung minima, nunjukkeun gangguan.

Taun 2001, sakelompok fisikawan Brasil di Belo Horizonte ngalaksanakeun di handapeun bimbingan Stephen Walborn percobaan mahiwal. Nu nulis ngagunakeun sipat kristal husus (disingkat BBO), nu ngarobah bagian nu tangtu foton dipancarkeun ku laser argon jadi dua foton kalawan satengah énergi. Dua foton ieu saling entanged; lamun salah sahijina boga, contona, polarisasi horizontal, nu séjén boga polarisasi nangtung. Foton ieu gerak dina dua arah béda jeung maénkeun peran béda dina percobaan digambarkeun.

Salah sahiji foton anu urang badé namina kadali, mana langsung ka detektor foton D1 (4a). Detektor ngadaptar kadatanganana ku ngirim sinyal listrik ka alat anu disebut hit counter. LK Percobaan interferensi bakal dilaksanakeun dina foton kadua; urang bakal nelepon anjeunna sinyal foton. Aya celah ganda dina jalurna, dituturkeun ku detektor foton kadua, D2, rada jauh ti sumber foton ti detektor D1. detektor Ieu bisa ngaluncat sabudeureun slot dual unggal waktos eta narima sinyal luyu ti counter hit. Nalika detektor D1 ngadaptar foton, éta ngirimkeun sinyal ka counter kabeneran. Upami sakedapan detektor D2 ogé ngadaptarkeun foton sareng ngirimkeun sinyal ka méter, maka éta bakal ngakuan yén éta asalna tina foton anu entangled, sareng kanyataan ieu bakal disimpen dina mémori alat. Prosedur ieu henteu kalebet pendaptaran foton acak anu asup kana detektor.

Foton kabeungkeut tetep salami 400 detik. Sanggeus waktu ieu, detektor D2 lunta ku 1 mm ngeunaan posisi slits, sarta cacah foton entangled nyokot sejen 400 detik. Lajeng detektor deui dipindahkeun ku 1 mm sarta prosedur diulang sababaraha kali. Tétéla yén distribusi jumlah foton dirékam ku cara kieu gumantung kana posisi detektor D2 boga maxima jeung minima ciri pakait jeung caang jeung poék jeung interferensi fringes dina percobaan Young (4a).

Urang manggihan deui éta foton tunggal ngaliwatan celah ganda saling ngaganggu.

Kumaha?

Léngkah satuluyna dina ékspérimén nyaéta pikeun nangtukeun liang anu ngaliwatan foton tinangtu tanpa ngaganggu gerakanna. Sipat dipaké di dieu plat gelombang saparapat. A plat saparapat-gelombang ieu disimpen di hareup unggal celah, salah sahiji nu robah linier polarisasi foton kajadian ka sirkular jarum jam, sarta séjén pikeun polarisasi sirkular kénca-leungeun (4b). Diverifikasi yén jinis polarisasi foton henteu mangaruhan jumlah foton anu diitung. Ayeuna, ku nangtukeun rotasi polarisasi hiji foton sanggeus ngaliwatan slits, kasebut nyaéta dimungkinkeun pikeun nunjukkeun ngaliwatan nu mana foton geus kaliwat. Nyaho "ka arah mana" ngancurkeun gangguan.

4b. Ku cara nempatkeun pelat saparapat-gelombang (sagi opat shaded) di hareup slits, "jalur mana" informasi bisa diala jeung gambar gangguan bakal ngaleungit.

4c. Nempatkeun hiji polarizer P berorientasi appropriately di hareup detektor D1 mupus informasi "cara mana" na restores gangguan.

Saleresna, sanggeus panempatan bener tina pelat saparapat-gelombang di hareup slits, sebaran saméméhna observasi tina cacah, indicative tina gangguan, disappears. Hal anu paling anéh nyaéta ieu kajantenan tanpa partisipasi pengamat sadar anu tiasa ngadamel pangukuran anu pas! Penempatan pelat saparapat gelombang ngan ukur ngahasilkeun pangaruh pembatalan gangguan.. Janten kumaha foton terang yén saatos nyelapkeun pelat, urang tiasa nangtoskeun celah anu diliwat?

Sanajan kitu, ieu teu tungtung aneh. Ayeuna urang tiasa mulangkeun gangguan foton sinyal tanpa mangaruhan langsung. Jang ngalampahkeun ieu, dina jalur kontrol foton ngahontal detektor D1, nempatkeun polarizer a sangkan transmits cahaya kalayan polarisasi nu mangrupakeun kombinasi antara polarisasi duanana foton entangled (4c). Ieu langsung ngarobah polaritasna sinyal foton sasuai. Ayeuna teu mungkin deui pikeun nangtukeun kalawan pasti naon polarisasi kajadian foton dina slits, sarta ngaliwatan celah foton ngaliwatan. Dina hal ieu, gangguan disimpen deui!

Pupus inpormasi pilihan anu ditunda

Ékspérimén anu dijelaskeun di luhur dilaksanakeun ku cara yén foton kontrol kadaptar ku detektor D1 sateuacan sinyal foton ngahontal detektor D2. Ngahapus inpormasi "jalur mana" dilakukeun ku cara ngarobih polarisasi foton kontrol sateuacan sinyal foton ngahontal detektor D2. Teras tiasa ngabayangkeun yén foton anu ngatur parantos nyarioskeun "kembar" na naon anu kedah dilakukeun salajengna: campur atanapi henteu.

Ayeuna urang ngaropea percobaan ku cara nu kontrol foton pencét detektor D1 sanggeus sinyal foton kadaptar dina detektor D2. Jang ngalampahkeun ieu, mindahkeun detektor D1 jauh ti sumber foton. Pola interferensi katingalina sami sareng sateuacana. Ayeuna hayu urang nempatkeun pelat saparapat-gelombang di hareup slits pikeun nangtukeun jalur mana foton geus dicokot. Pola gangguan ngaleungit. Salajengna, hayu urang mupus informasi "cara mana" ku cara nempatkeun hiji polarizer berorientasi appropriately di hareup detektor D1. Pola interferensi muncul deui! Tapi pamupusan éta dilakukeun saatos sinyal foton didaptarkeun ku detektor D2. Kumaha ieu mungkin? Foton kedah sadar kana parobahan polaritasna sateuacan inpormasi ngeunaan éta tiasa ngahontal éta.

5. Percobaan kalawan sinar laser.

Runtuyan alam kajadian dibalikkeun di dieu; pangaruh miheulaan sabab! Hasil ieu ngaruksak prinsip kausalitas dina kanyataan di sabudeureun urang. Atawa meureun waktu henteu masalah lamun datang ka partikel entangled? Entanglement kuantum ngalanggar prinsip lokalitas dina fisika klasik, numutkeun nu hiji obyék ngan bisa kapangaruhan ku lingkungan langsung na.

Kusabab percobaan Brasil, loba percobaan sarupa geus dilaksanakeun, nu pinuh mastikeun hasil dibere dieu. Tungtungna, pamaca hoyong jelas ngajelaskeun misteri fenomena kaduga ieu. Hanjakal, ieu teu bisa dipigawé. Logika mékanika kuantum béda jeung logika dunya anu urang tingali unggal poé. Urang kedah rendah hati nampi ieu sareng girang yén hukum mékanika kuantum sacara akurat ngajelaskeun fénoména anu aya dina mikrokosmos, anu mangpaat dianggo dina alat téknis anu langkung maju.