В основе квантовой механики

Ричард Фейнман, один из величайших физиков XNUMX века, утверждал, что ключом к пониманию квантовой механики является «эксперимент с двумя щелями». Этот концептуально простой эксперимент, проводимый сегодня, продолжает приносить удивительные открытия. Они показывают, насколько несовместима со здравым смыслом квантовая механика, которая, в конце концов, привела к самым важным изобретениям последних пятидесяти лет.

Впервые провел двухщелевой эксперимент. Томас Янг (1) в Англии в начале девятнадцатого века.

эксперимент Янга

Эксперимент был использован, чтобы показать, что свет имеет волновую природу, а не корпускулярную, как утверждалось ранее. Исаак Ньютон. Янг просто продемонстрировал, что свет подчиняется вмешательство – явление, являющееся наиболее характерным признаком (независимо от типа волны и среды, в которой она распространяется). Сегодня квантовая механика примиряет оба этих логически противоречивых взгляда.

Напомним суть двухщелевого эксперимента. Как обычно, я имею в виду волну на поверхности воды, которая распространяется концентрически вокруг места, куда был брошен камешек. 

Волна образована последовательными гребнями и впадинами, расходящимися от места возмущения, сохраняя при этом постоянное расстояние между гребнями, которое называется длиной волны. На пути волны можно поставить преграду, например, в виде доски с двумя прорезанными узкими щелями, через которые может свободно течь вода. Бросив в воду камешек, волна останавливается на перегородке — но не совсем. Две новые концентрические волны (2) теперь распространяются на другую сторону перегородки из обеих щелей. Они накладываются друг на друга, или, как мы говорим, мешают друг другу, создавая характерный рисунок на поверхности. В местах, где гребень одной волны встречается с гребнем другой, водная выпуклость усиливается, а там, где лощина встречается с долиной, углубление углубляется.

2. Интерференция волн, выходящих из двух щелей.

В эксперименте Юнга одноцветный свет, излучаемый точечным источником, проходит через непрозрачную диафрагму с двумя прорезями и попадает на экран позади них (сегодня мы предпочли бы использовать лазерный свет и ПЗС-матрицу). На экране наблюдается интерференционное изображение световой волны в виде ряда чередующихся светлых и темных полос (3). Этот результат укрепил веру в то, что свет представляет собой волну, до того, как открытия в начале XNUMX века показали, что свет также является волной. поток фотонов – легкие частицы, не имеющие массы покоя. Позже выяснилось, что таинственный корпускулярно-волновой дуализмобнаруженное первым для света, также применимо и к другим частицам, наделенным массой. Вскоре он стал основой для нового квантово-механического описания мира.

3. Видение эксперимента Янга

Частицы также мешают

В 1961 году Клаус Йонссон из Тюбингенского университета продемонстрировал интерференцию массивных частиц — электронов с помощью электронного микроскопа. Десять лет спустя трое итальянских физиков из Болонского университета провели аналогичный эксперимент с одноэлектронная интерференция (с использованием так называемой бипризмы вместо двойной щели). Они уменьшили интенсивность электронного луча до такого низкого значения, что электроны проходили через бипризму один за другим, один за другим. Эти электроны регистрировались на флуоресцентном экране.

Первоначально следы электронов были распределены по экрану хаотично, но со временем они образовали отчетливое интерференционное изображение интерференционных полос. Кажется невозможным, чтобы два электрона, последовательно проходя через щели в разное время, могли интерферировать друг с другом. Поэтому мы должны признать, что один электрон интерферирует сам с собой! Но тогда электрон должен был бы пройти через обе щели одновременно.

Может возникнуть соблазн наблюдать за отверстием, через которое в действительности прошел электрон. Позже мы увидим, как сделать такое наблюдение, не нарушая движения электрона. Получается, что если мы получим информацию о том, что электрон принял, то интерференция… исчезнет! Информация «каким образом» уничтожает помехи. Означает ли это, что присутствие сознательного наблюдателя влияет на ход физического процесса?

Прежде чем рассказать о еще более удивительных результатах двухщелевых экспериментов, сделаю небольшое отступление о размерах интерферирующих объектов. Квантовая интерференция массовых объектов была обнаружена сначала для электронов, затем для частиц с возрастающей массой: нейтронов, протонов, атомов и, наконец, для больших химических молекул.

В 2011 году был побит рекорд размеров объекта, на котором было продемонстрировано явление квантовой интерференции. Эксперимент проводился в Венском университете докторантом того времени. Сандре Эйбенбергер и ее соратников. Для эксперимента с двумя разрывами была выбрана сложная органическая молекула, содержащая около 5 протонов, 5 тыс. нейтронов и 5 тыс. электроны! В очень сложном эксперименте наблюдалась квантовая интерференция этой огромной молекулы.

Это подтвердило убеждение, что Законам квантовой механики подчиняются не только элементарные частицы, но и каждый материальный объект. Только то, что чем сложнее объект, тем больше он взаимодействует с окружающей средой, что нарушает его тонкие квантовые свойства и разрушает интерференционные эффекты..

Квантовая запутанность и поляризация света

Наиболее удивительные результаты экспериментов с двумя щелями проявились при использовании специального метода слежения за фотоном, который никак не нарушал его движения. В этом методе используется одно из самых странных квантовых явлений, так называемое квантовая запутанность. Это явление было замечено еще в 30-х годах одним из главных создателей квантовой механики, Эрвин Шредингер.

Скептически настроенный Эйнштейн (см. также 🙂 называл их призрачным действием на расстоянии. Однако лишь полвека спустя значение этого эффекта было осознано, и сегодня он стал предметом особого интереса физиков.

О чем этот эффект? Если две частицы, находящиеся близко друг к другу в какой-то момент времени, настолько сильно взаимодействовали друг с другом, что образовали своего рода «близнецовые отношения», то отношения сохраняются даже тогда, когда частицы находятся на расстоянии сотен километров друг от друга. Тогда частицы ведут себя как единая система. Это означает, что когда мы совершаем действие над одной частицей, оно немедленно влияет на другую частицу. Однако таким образом мы не можем безвременно передавать информацию на расстояние.

Фотон — это безмассовая частица — элементарная часть света, представляющая собой электромагнитную волну. Пройдя через пластину из соответствующего кристалла (называемую поляризатором), свет становится линейно поляризованным, т.е. вектор электрического поля электромагнитной волны колеблется в определенной плоскости. В свою очередь, пропуская линейно поляризованный свет через пластину определенной толщины из другого определенного кристалла (так называемую четвертьволновую пластину), его можно преобразовать в циркулярно поляризованный свет, в котором вектор электрического поля движется по винтовой (по часовой стрелке или против часовой стрелки) движение вдоль направления распространения волны. Соответственно, можно говорить о линейно или циркулярно поляризованных фотонах.

Эксперименты с запутанными фотонами

4а. Нелинейный кристалл BBO преобразует фотон, излучаемый аргоновым лазером, в два запутанных фотона с вдвое меньшей энергией и взаимно перпендикулярной поляризацией. Эти фотоны разбегаются в разные стороны и регистрируются детекторами Д1 и Д2, соединенными счетчиком совпадений ЛК.На пути одного из фотонов ставится диафрагма с двумя щелями. Когда оба детектора регистрируют почти одновременный приход обоих фотонов, сигнал сохраняется в памяти устройства, а детектор D2 шагает параллельно щелям. Количество фотонов в зависимости от положения детектора D2, записанное таким образом, показано в рамке, показывает максимумы и минимумы, указывающие на интерференцию.

В 2001 году группа бразильских физиков в Белу-Оризонти выступила под руководством Стивен Уолборн необычный эксперимент. Его авторы использовали свойства специального кристалла (сокращенно BBO), который преобразует определенную часть фотонов, испускаемых аргоновым лазером, в два фотона с вдвое меньшей энергией. Эти два фотона запутаны друг с другом; когда один из них имеет, например, горизонтальную поляризацию, другой – вертикальную поляризацию. Эти фотоны движутся в двух разных направлениях и выполняют разные роли в описываемом эксперименте.

Один из фотонов мы собираемся назвать контроль, поступает непосредственно на детектор фотонов D1 (4a). Детектор регистрирует его прибытие, отправляя электрический сигнал на устройство, называемое счетчиком совпадений. LK На втором фотоне будет проводиться интерференционный эксперимент; мы назовем его сигнальный фотон. На его пути есть двойная щель, за которой следует второй детектор фотонов D2, немного дальше от источника фотонов, чем детектор D1. Этот детектор может скачкообразно менять свое положение относительно двойного слота каждый раз, когда получает соответствующий сигнал от счетчика совпадений. Когда детектор D1 регистрирует фотон, он посылает сигнал на счетчик совпадений. Если через мгновение детектор D2 тоже зарегистрирует фотон и пошлет сигнал на измеритель, то он распознает, что он исходит от запутанных фотонов, и этот факт будет сохранен в памяти прибора. Такая процедура исключает регистрацию случайных фотонов, попадающих в детектор.

Запутанные фотоны сохраняются 400 секунд. По истечении этого времени детектор Д2 смещается на 1 мм по отношению к положению щелей, и подсчет запутанных фотонов занимает еще 400 секунд. Затем детектор снова перемещают на 1 мм и процедуру повторяют много раз. Оказывается, что зарегистрированное таким образом распределение количества фотонов в зависимости от положения детектора D2 имеет характерные максимумы и минимумы, соответствующие светлым и темным и интерференционным полосам в эксперименте Юнга (4а).

Мы снова узнаем, что одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, интерферируют друг с другом.

Каким образом?

Следующим шагом в эксперименте было определение отверстия, через которое проходил конкретный фотон, не нарушая его движения. Здесь использовались свойства четвертьволновая пластина. Перед каждой щелью помещалась четвертьволновая пластинка, одна из которых меняла линейную поляризацию падающего фотона на круговую по часовой стрелке, а другая — на левую круговую поляризацию (4б). Было проверено, что тип поляризации фотонов не влиял на количество подсчитываемых фотонов. Теперь, определяя поворот поляризации фотона после прохождения им щелей, можно указать, через какие из них прошел фотон. Знание «в какую сторону» уничтожает помехи.

4б. Поместив четвертьволновые пластины (заштрихованные прямоугольники) перед щелями, можно получить информацию о том, «какой путь», и интерференционное изображение исчезнет.

4в. Размещение соответствующим образом ориентированного поляризатора P перед детектором D1 стирает информацию о том, «какой путь», и восстанавливает интерференцию.

Фактически, после правильного размещения четвертьволновых пластин перед щелями ранее наблюдаемое распределение отсчетов, свидетельствующее об интерференции, исчезает. Самое странное, что это происходит без участия сознательного наблюдателя, который может произвести соответствующие измерения! Простое размещение четвертьволновых пластин вызывает эффект подавления интерференции.. Так откуда же фотон знает, что после вставки пластин мы можем определить промежуток, через который он прошел?

Однако это еще не конец странностей. Теперь мы можем восстановить интерференцию сигнальных фотонов, не влияя на нее напрямую. Для этого на пути управляющего фотона, достигающего детектора D1, поместите поляризатор таким образом, чтобы он пропускал свет с поляризацией, представляющей собой комбинацию поляризаций обоих запутанных фотонов (4c). Это немедленно соответствующим образом изменяет полярность сигнального фотона. Сейчас уже нельзя с уверенностью определить, какова поляризация фотона, падающего на щели, и через какую щель фотон прошел. В этом случае помехи восстанавливаются!

Стереть информацию с отложенным выбором

Описанные выше эксперименты проводились таким образом, что контрольный фотон регистрировался детектором D1 раньше, чем сигнальный фотон достигал детектора D2. Стирание информации «какой путь» было выполнено путем изменения поляризации управляющего фотона до того, как сигнальный фотон достиг детектора D2. Тогда можно представить, что управляющий фотон уже сообщил своему «близнецу», что делать дальше: вмешиваться или нет.

Теперь модифицируем эксперимент таким образом, чтобы контрольный фотон попадал на детектор D1 после регистрации сигнального фотона на детекторе D2. Для этого отодвиньте детектор D1 подальше от источника фотонов. Интерференционная картина выглядит как прежде. Теперь давайте поместим четвертьволновые пластины перед щелями, чтобы определить, какой путь прошел фотон. Интерференционная картина исчезает. Затем давайте сотрем информацию о том, «какой путь», поместив соответствующим образом ориентированный поляризатор перед детектором D1. Снова появляется интерференционная картина! И все же стирание было сделано уже после того, как сигнальный фотон был зарегистрирован детектором D2. Как это возможно? Фотон должен был знать об изменении полярности до того, как какая-либо информация об этом могла достичь его.

5. Эксперименты с лазерным лучом.

Естественная последовательность событий здесь обратная; следствие предшествует причине! Этот результат подрывает принцип причинности в окружающей нас действительности. А может быть, время не имеет значения, когда речь идет о запутанных частицах? Квантовая запутанность нарушает принцип локальности, действующий в классической физике, согласно которому на объект может влиять только его непосредственное окружение.

После бразильского эксперимента было проведено множество подобных экспериментов, которые полностью подтверждают представленные здесь результаты. В конце читатель хотел бы ясно объяснить тайну этих неожиданных явлений. К сожалению, этого сделать нельзя. Логика квантовой механики отличается от логики мира, который мы видим каждый день. Мы должны смиренно принять это и радоваться тому, что законы квантовой механики точно описывают явления, происходящие в микромире, которые с пользой используются во все более совершенных технических устройствах.