U srcu kvantne mehanike

Richard Feynman, jedan od najvećih fizičara XNUMX. stoljeća, tvrdio je da je ključ za razumijevanje kvantne mehanike "eksperiment s dvostrukim prorezom". Ovaj konceptualno jednostavan eksperiment, proveden danas, nastavlja donositi nevjerojatna otkrića. Oni pokazuju koliko je kvantna mehanika nespojiva sa zdravim razumom, koja je na kraju dovela do najvažnijih izuma u posljednjih pedeset godina.

Po prvi put je proveo eksperiment s dvostrukim prorezom. Thomas Young (1) u Engleskoj početkom devetnaestog stoljeća.

Youngov eksperiment

Eksperiment je korišten kako bi se pokazalo da je svjetlost valne prirode, a ne korpuskularne prirode, kao što je prethodno navedeno. Isaac Newton. Young je upravo pokazao da se svjetlost pokorava intervencija - pojava koja je najkarakterističnija osobina (bez obzira na vrstu vala i medij u kojem se širi). Danas kvantna mehanika pomiruje ova dva logički kontradiktorna pogleda.

Prisjetimo se suštine eksperimenta s dvostrukim prorezom. Kao i obično, mislim na val na površini vode koji se koncentrično širi oko mjesta gdje je kamenčić bačen. 

Val nastaje uzastopnim vrhovima i koritima koji zrače iz točke poremećaja, uz održavanje konstantne udaljenosti između vrhova, koja se naziva valna duljina. Na putu vala može se postaviti barijera, na primjer, u obliku ploče s dva uska proreza kroz koja voda može slobodno teći. Bacivši kamenčić u vodu, val se zaustavlja na pregradi – ali ne sasvim. Dva nova koncentrična vala (2) sada se šire na drugu stranu pregrade iz oba utora. Oni se međusobno preklapaju ili, kako mi kažemo, ometaju jedni druge, stvarajući karakterističan uzorak na površini. Na mjestima gdje se vrh jednog vala susreće s vrhom drugog, vodena izbočina se pojačava, a gdje se udubljenje spaja s dolinom, udubljenje se produbljuje.

2. Interferencija valova koji izlaze iz dva proreza.

U Youngovom eksperimentu, jednobojna svjetlost emitirana iz točkastog izvora prolazi kroz neprozirnu dijafragmu s dva proreza i pogađa ekran iza njih (danas bismo radije koristili lasersko svjetlo i CCD). Na ekranu se uočava interferencijska slika svjetlosnog vala u obliku niza izmjeničnih svijetlih i tamnih pruga (3). Ovaj rezultat učvrstio je uvjerenje da je svjetlost val, prije nego što su otkrića ranih XNUMX-ih pokazala da je svjetlost također val. fotonski tok su lake čestice koje nemaju masu mirovanja. Kasnije se pokazalo da tajanstveni dualnost val-česticaprvi put otkriven za svjetlost odnosi se i na druge čestice obdarene masom. Ubrzo je postao temelj za novi kvantnomehanički opis svijeta.

3. Vizija Youngovog eksperimenta

Čestice također ometaju

Godine 1961. Klaus Jonsson sa Sveučilišta u Tübingenu demonstrirao je interferenciju masivnih čestica – elektrona pomoću elektronskog mikroskopa. Deset godina kasnije, trojica talijanskih fizičara sa Sveučilišta u Bologni izvela su sličan eksperiment s interferencija jednog elektrona (koristeći tzv. biprizmu umjesto dvostrukog proreza). Smanjili su intenzitet snopa elektrona na tako nisku vrijednost da su elektroni prolazili kroz biprizmu jedan za drugim, jedan za drugim. Ti su elektroni registrirani na fluorescentnom ekranu.

U početku su tragovi elektrona bili nasumično raspoređeni po ekranu, ali su s vremenom formirali jasnu interferencijsku sliku interferencijskih rubova. Čini se nemogućim da bi dva elektrona koji uzastopno prolaze kroz proreze u različito vrijeme mogla interferirati jedan s drugim. Stoga to moramo priznati jedan elektron interferira sam sa sobom! Ali tada bi elektron morao proći kroz oba proreza u isto vrijeme.

Možda je primamljivo pogledati rupu kroz koju je elektron zapravo prošao. Kasnije ćemo vidjeti kako napraviti takvo opažanje bez ometanja gibanja elektrona. Ispada da ako dobijemo informaciju o tome što je elektron primio, onda će smetnje ... nestati! Informacija "kako" uništava smetnje. Znači li to da prisutnost svjesnog promatrača utječe na tijek fizičkog procesa?

Prije nego što progovorim o još iznenađujućim rezultatima eksperimenata s dvostrukim prorezom, napravit ću malu digresiju o veličinama ometajućih objekata. Kvantna interferencija masenih objekata otkrivena je najprije za elektrone, zatim za čestice sve veće mase: neutrone, protone, atome i na kraju za velike kemijske molekule.

Godine 2011. oboren je rekord veličine objekta na kojem je demonstriran fenomen kvantne interferencije. Eksperiment je na Sveučilištu u Beču proveo tadašnji doktorand. Sandra Eibenberger i njezini suradnici. Za pokus s dva prekida odabrana je složena organska molekula koja sadrži oko 5 protona, 5 tisuća neutrona i 5 tisuća elektrona! U vrlo složenom eksperimentu uočena je kvantna interferencija ove ogromne molekule.

To je potvrdilo uvjerenje da Zakoni kvantne mehanike pokoravaju se ne samo elementarnim česticama, već i svakom materijalnom objektu. Samo da što je objekt složeniji, to je više u interakciji s okolinom, što narušava njegova suptilna kvantna svojstva i uništava efekte interferencije..

Kvantna isprepletenost i polarizacija svjetlosti

Najiznenađujući rezultati eksperimenata s dvostrukim prorezom došli su korištenjem posebne metode praćenja fotona, koja ni na koji način nije poremetila njegovo gibanje. Ova metoda koristi jedan od najčudnijih kvantnih fenomena, tzv kvantna zapetljanost. Ovaj fenomen je još 30-ih godina prošlog stoljeća primijetio jedan od glavnih tvoraca kvantne mehanike, Erwin Schrödinger.

Skeptični Einstein (vidi i 🙂 nazvao ih je sablasnim djelovanjem na daljinu. Međutim, tek pola stoljeća kasnije spoznao se značaj ovog efekta, koji je danas postao predmetom posebnog zanimanja fizičara.

O čemu se radi u ovom efektu? Ako dvije čestice koje su blizu jedna drugoj u nekom trenutku u vremenu tako snažno međusobno djeluju da tvore neku vrstu "blizanačkog odnosa", tada odnos traje čak i kada su čestice udaljene stotinama kilometara. Tada se čestice ponašaju kao jedan sustav. To znači da kada izvršimo radnju na jednoj čestici, ona odmah utječe na drugu česticu. Međutim, na taj način ne možemo bezvremenski prenositi informacije na daljinu.

Foton je čestica bez mase - elementarni dio svjetlosti, koji je elektromagnetski val. Nakon prolaska kroz ploču odgovarajućeg kristala (koji se naziva polarizator), svjetlost postaje linearno polarizirana, t.j. vektor električnog polja elektromagnetskog vala oscilira u određenoj ravnini. Zauzvrat, prolaskom linearno polarizirane svjetlosti kroz ploču određene debljine s drugog određenog kristala (tzv. četvrtvalna ploča), ona se može pretvoriti u kružno polariziranu svjetlost, u kojoj se vektor električnog polja kreće u spiralnom ( u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu) kretanje duž smjera širenja vala. Prema tome, može se govoriti o linearno ili kružno polariziranim fotonima.

Eksperimenti s isprepletenim fotonima

4a. Nelinearni BBO kristal pretvara foton koji emituje argonski laser u dva zapletena fotona s upola manjom energijom i međusobno okomitom polarizacijom. Ti se fotoni raspršuju u različitim smjerovima i bilježe ih detektori D1 i D2, povezani brojačem koincidencija LK.Na putu jednog od fotona postavljena je dijafragma s dva proreza. Kada oba detektora registriraju gotovo istovremeni dolazak oba fotona, signal se pohranjuje u memoriju uređaja, a detektor D2 korača paralelno s prorezima. Broj fotona ovisno o položaju tako snimljenog detektora D2 prikazan je u okviru, prikazujući maksimume i minimume, što ukazuje na interferenciju.

Godine 2001. grupa brazilskih fizičara u Belo Horizonteu nastupila je pod vodstvom Stephen Walborn neobičan eksperiment. Njegovi su se autori poslužili svojstvima posebnog kristala (skraćeno BBO) koji određeni dio fotona koje emitira argonski laser pretvara u dva fotona s upola manjom energijom. Ova dva fotona su isprepletena jedan s drugim; kada jedan od njih ima npr. horizontalnu polarizaciju, drugi ima vertikalnu polarizaciju. Ti se fotoni kreću u dva različita smjera i imaju različite uloge u opisanom eksperimentu.

Jedan od fotona koje ćemo imenovati kontrolirati, ide izravno na fotonski detektor D1 (4a). Detektor registrira svoj dolazak slanjem električnog signala uređaju koji se zove brojač pogodaka. LK Eksperiment interferencije će se provesti na drugom fotonu; nazvat ćemo ga signalni foton. Na njegovom putu nalazi se dvostruki prorez, a slijedi ga drugi detektor fotona, D2, malo dalje od izvora fotona od detektora D1. Ovaj detektor može skočiti u odnosu na dvostruki utor svaki put kada primi odgovarajući signal od brojača pogodaka. Kada detektor D1 registrira foton, on šalje signal brojaču slučajnosti. Ako u trenutku detektor D2 također registrira foton i pošalje signal mjeraču, tada će prepoznati da dolazi od upletenih fotona i ta će činjenica biti pohranjena u memoriji uređaja. Ovaj postupak isključuje registraciju slučajnih fotona koji ulaze u detektor.

Zapetljani fotoni traju 400 sekundi. Nakon tog vremena, detektor D2 se pomiče za 1 mm u odnosu na položaj proreza, a brojanje upletenih fotona traje još 400 sekundi. Zatim se detektor ponovno pomakne za 1 mm i postupak se ponavlja više puta. Pokazalo se da raspodjela broja fotona snimljenih na ovaj način ovisno o položaju detektora D2 ima karakteristične maksimume i minimume koji odgovaraju svjetlu i tami i interferencijskim rubovima u Youngovom eksperimentu (4a).

To opet doznajemo pojedinačni fotoni koji prolaze kroz dvostruki prorez interferiraju jedan s drugim.

Kako to?

Sljedeći korak u eksperimentu bio je odrediti rupu kroz koju je određeni foton prošao bez ometanja njegovog kretanja. Ovdje korištena svojstva četvrtvalna ploča. Ispred svakog proreza postavljena je četvrtvalna ploča, od kojih je jedna promijenila linearnu polarizaciju upadnog fotona u kružnu u smjeru kazaljke na satu, a druga u lijevu kružnu polarizaciju (4b). Provjereno je da vrsta polarizacije fotona nije utjecala na broj prebrojanih fotona. Sada, određivanjem rotacije polarizacije fotona nakon što je prošao kroz proreze, moguće je naznačiti kroz koji je od njih foton prošao. Znati "u kojem smjeru" uništava smetnje.

4b. Postavljanjem četvrtvalnih ploča (zasjenjenih pravokutnika) ispred proreza može se dobiti informacija "kojim putem" i slika interferencije će nestati.

4c. Postavljanje pravilno orijentiranog polarizatora P ispred detektora D1 briše informaciju "koji put" i vraća smetnje.

U stvari, nakon ispravnog postavljanja četvrtvalnih ploča ispred proreza, nestaje prethodno uočena raspodjela brojanja, koja ukazuje na interferenciju. Najčudnije je da se to događa bez sudjelovanja svjesnog promatrača koji može napraviti odgovarajuća mjerenja! Samo postavljanje četvrtvalnih ploča proizvodi učinak poništavanja smetnji.. Pa kako foton zna da nakon umetanja ploča možemo odrediti jaz kroz koji je prošao?

Međutim, ovo nije kraj čudnosti. Sada možemo vratiti smetnje fotona signala bez izravnog utjecaja na njih. Da biste to učinili, na putu kontrolnog fotona koji dolazi do detektora D1, postavite polarizator tako da propušta svjetlost s polarizacijom koja je kombinacija polarizacija oba zapletena fotona (4c). To odmah u skladu s tim mijenja polaritet signalnog fotona. Sada više nije moguće sa sigurnošću odrediti koja je polarizacija fotona koji upada na proreze i kroz koji je prorez foton prošao. U ovom slučaju smetnje se vraćaju!

Brisanje informacija o odgođenom odabiru

Gore opisani eksperimenti izvedeni su na način da je kontrolni foton bio registriran detektorom D1 prije nego što je signalni foton stigao do detektora D2. Brisanje informacija "koji put" je izvršeno promjenom polarizacije kontrolnog fotona prije nego što je signalni foton stigao do detektora D2. Tada se može zamisliti da je kontrolni foton već rekao svom "blizanku" što dalje: intervenirati ili ne.

Sada modificiramo eksperiment na način da kontrolni foton pogodi detektor D1 nakon što je signalni foton registriran na detektoru D2. Da biste to učinili, odmaknite detektor D1 od izvora fotona. Uzorak interferencije izgleda isto kao i prije. Sada postavimo četvrtvalne ploče ispred proreza da odredimo kojim je putem foton prošao. Uzorak interferencije nestaje. Zatim, izbrišemo informaciju "u kojem smjeru" postavljanjem odgovarajuće orijentiranog polarizatora ispred detektora D1. Ponovno se pojavljuje interferentni uzorak! Ipak, brisanje je obavljeno nakon što je detektor D2 registrirao signalni foton. Kako je ovo moguće? Foton je morao biti svjestan promjene polariteta prije nego što bi do njega mogla doći bilo kakva informacija o njemu.

5. Eksperimenti s laserskom zrakom.

Prirodni slijed događaja ovdje je obrnut; posljedica prethodi uzroku! Ovaj rezultat potkopava princip uzročnosti u stvarnosti oko nas. Ili možda vrijeme nije važno kada su u pitanju zapetljane čestice? Kvantna isprepletenost krši princip lokalnosti u klasičnoj fizici, prema kojem na objekt može utjecati samo njegova neposredna okolina.

Od brazilskog eksperimenta provedeno je mnogo sličnih pokusa koji u potpunosti potvrđuju ovdje prikazane rezultate. Na kraju bi čitatelj želio jasno objasniti misterij ovih neočekivanih pojava. Nažalost, to se ne može učiniti. Logika kvantne mehanike razlikuje se od logike svijeta koji vidimo svaki dan. Moramo to ponizno prihvatiti i radovati se činjenici da zakoni kvantne mehanike točno opisuju pojave koje se događaju u mikrokozmosu, a koje se korisno koriste u sve naprednijim tehničkim uređajima.