Kvant mexanikasining markazida

XNUMX-asrning eng buyuk fiziklaridan biri Richard Feynman kvant mexanikasini tushunishning kaliti "ikki tirqish tajribasi" ekanligini ta'kidladi. Bugungi kunda o'tkazilgan ushbu kontseptual jihatdan oddiy tajriba ajoyib kashfiyotlar berishda davom etmoqda. Ular so'nggi ellik yil ichida eng muhim ixtirolarga olib kelgan kvant mexanikasi sog'lom fikrga qanchalik mos kelmasligini ko'rsatadi.

U birinchi marta ikki yoriqli tajriba o'tkazdi. Tomas Yang (1) XIX asr boshlarida Angliyada.

Young tajribasi

Tajriba yorug'lik yuqorida aytib o'tilganidek, korpuskulyar emas, balki to'lqin xarakteriga ega ekanligini ko'rsatish uchun ishlatilgan. Isaak Nyuton. Yosh faqat yorug'lik bo'ysunishini ko'rsatdi aralashuv - eng xarakterli xususiyat bo'lgan hodisa (to'lqin turidan va u tarqaladigan muhitdan qat'i nazar). Bugungi kunda kvant mexanikasi bu ikkala mantiqiy qarama-qarshi qarashlarni birlashtirmoqda.

Keling, ikki yoriqli tajribaning mohiyatini eslaylik. Odatdagidek, men tosh otilgan joy atrofida konsentrik ravishda tarqaladigan suv yuzasidagi to'lqinni nazarda tutyapman. 

To'lqin to'lqin uzunligi deb ataladigan cho'qqilar orasidagi doimiy masofani saqlab turgan holda, buzilish nuqtasidan tarqaladigan ketma-ket tepaliklar va chuqurliklar tomonidan hosil bo'ladi. To'lqin yo'lida to'siq qo'yilishi mumkin, masalan, suvning erkin oqishi mumkin bo'lgan ikkita tor tirqishli taxta shaklida. Suvga tosh otish, to'lqin bo'linishda to'xtaydi - lekin unchalik emas. Ikkita yangi konsentrik to'lqinlar (2) ikkala tirqishdan bo'linishning boshqa tomoniga tarqaladi. Ular bir-birining ustiga qo'yilgan yoki, biz aytganimizdek, bir-biriga aralashib, sirtda xarakterli naqsh hosil qiladi. Bir toʻlqinning choʻqqisi boshqa toʻlqinning choʻqqisi bilan tutashgan joylarda suv toʻlqini kuchayadi, kovakning vodiyga tutash joyida chuqurlik chuqurlashadi.

2. Ikki tirqishdan chiqadigan to'lqinlarning interferensiyasi.

Young tajribasida nuqtali manbadan chiqadigan bir rangli yorug'lik ikki tirqishi bo'lgan shaffof bo'lmagan diafragma orqali o'tadi va ularning orqasidagi ekranga uriladi (bugungi kunda biz lazer nuri va CCD dan foydalanishni afzal ko'ramiz). Yorug'lik to'lqinining interferentsion tasviri ekranda o'zgaruvchan yorug'lik va quyuq chiziqlar qatori shaklida kuzatiladi (3). Bu natija XNUMX-yillar boshidagi kashfiyotlar yorug'lik ham to'lqin ekanligini ko'rsatmasdan oldin, yorug'likning to'lqin ekanligi haqidagi ishonchni kuchaytirdi. foton oqimi tinch massaga ega bo'lmagan engil zarralardir. Keyinchalik sirli ekanligi ma'lum bo'ldi to'lqin-zarralar ikkiligibirinchi marta yorug'lik uchun kashf qilingan massaga ega bo'lgan boshqa zarralarga ham tegishli. Tez orada u dunyoning yangi kvant mexanik tavsifi uchun asos bo'ldi.

3. Yang tajribasining ko'rinishi

Zarrachalar ham aralashadi

1961 yilda Tyubingen universitetidan Klaus Jonsson elektron mikroskop yordamida massiv zarralar - elektronlarning interferensiyasini ko'rsatdi. O'n yil o'tgach, Boloniya universitetining uchta italyan fizigi bilan xuddi shunday tajriba o'tkazdilar yagona elektron interferentsiyasi (qo'sh tirqish o'rniga biprizma deb ataladigan narsadan foydalanish). Ular elektron nurning intensivligini shunday past qiymatga tushirdilarki, elektronlar birin-ketin, birin-ketin biprizmadan o'tib ketishdi. Ushbu elektronlar floresan ekranda qayd etilgan.

Dastlab, elektron izlar ekran bo'ylab tasodifiy taqsimlangan, ammo vaqt o'tishi bilan ular interferentsiya chekkalarining aniq interferentsiya tasvirini hosil qilgan. Yoriqlardan turli vaqtlarda ketma-ket o'tayotgan ikkita elektron bir-biriga xalaqit berishi mumkin emasdek tuyuladi. Shuning uchun biz buni tan olishimiz kerak bitta elektron o'ziga xalaqit beradi! Ammo keyin elektron bir vaqtning o'zida ikkala tirqishdan o'tishi kerak edi.

Elektron haqiqatda o'tgan teshikka qarash jozibali bo'lishi mumkin. Keyinchalik elektronning harakatini buzmasdan qanday qilib bunday kuzatishni ko'rib chiqamiz. Ma'lum bo'lishicha, agar biz elektron nima olganligi haqida ma'lumot olsak, unda interferensiya ... yo'qoladi! "Qanday qilib" ma'lumoti shovqinni yo'q qiladi. Bu ongli kuzatuvchining mavjudligi jismoniy jarayonning borishiga ta'sir qilishini anglatadimi?

Ikki qirrali eksperimentlarning yanada hayratlanarli natijalari haqida gapirishdan oldin, men aralashadigan ob'ektlarning o'lchamlari to'g'risida kichik bir fikr yuritaman. Massa jismlarining kvant interferensiyasi dastlab elektronlar uchun, keyin massasi ortib borayotgan zarrachalar: neytronlar, protonlar, atomlar va nihoyat yirik kimyoviy molekulalar uchun kashf qilindi.

2011 yilda ob'ektning o'lchami bo'yicha rekord o'rnatildi, unda kvant interferensiyasi fenomeni namoyish etildi. Tajribani Vena universitetida o‘sha davrning doktoranti o‘tkazgan. Sandra Eybenberger va uning sheriklari. Tajriba uchun 5 ta proton, 5 ming neytron va 5 ming elektrondan iborat murakkab organik molekula ikkita tanaffus bilan tanlandi! Juda murakkab tajribada bu ulkan molekulaning kvant interferensiyasi kuzatildi.

Bu ishonchni tasdiqladi Kvant mexanikasi qonunlari nafaqat elementar zarralarga, balki har bir moddiy ob'ektga ham bo'ysunadi. Faqatgina ob'ekt qanchalik murakkab bo'lsa, u atrof-muhit bilan shunchalik ko'p o'zaro ta'sir qiladi, bu uning nozik kvant xususiyatlarini buzadi va interferentsiya effektlarini yo'q qiladi..

Yorug'likning kvant chigallashishi va qutblanishi

Ikki yoriqli tajribalarning eng hayratlanarli natijalari fotonni hech qanday tarzda harakatini buzmagan holda kuzatishning maxsus usulidan foydalanish natijasida yuzaga keldi. Bu usul eng g'alati kvant hodisalaridan biri deb ataladigan narsadan foydalanadi kvant chigalligi. Bu hodisani 30-yillarda kvant mexanikasining asosiy yaratuvchilaridan biri payqagan edi. Ervin Shredinger.

Shubhali Eynshteyn (shuningdek, qarang: 🙂 ularni masofadagi arvoh harakati deb ataydi. Biroq, faqat yarim asr o'tgach, bu ta'sirning ahamiyati tushunildi va bugungi kunda u fiziklarning alohida qiziqish mavzusiga aylandi.

Bu ta'sir nima bilan bog'liq? Vaqtning qaysidir nuqtasida bir-biriga yaqin boʻlgan ikki zarracha bir-biri bilan shunchalik kuchli taʼsir oʻtkazsa, ular oʻziga xos “egizak munosabatlar”ni hosil qilsa, zarrachalar bir-biridan yuzlab kilometr uzoqlikda boʻlganda ham munosabatlar saqlanib qoladi. Keyin zarralar yagona tizim sifatida harakat qiladi. Bu shuni anglatadiki, biz bir zarraga biror harakatni amalga oshirganimizda, u darhol boshqa zarraga ta'sir qiladi. Biroq, bu yo'l bilan biz ma'lumotni uzoqqa vaqtsiz uzata olmaymiz.

Foton - bu massasiz zarracha - elektromagnit to'lqin bo'lgan yorug'likning elementar qismi. Tegishli kristallning plastinkasidan (polarizator deb ataladi) o'tgandan so'ng, yorug'lik chiziqli polarizatsiyalanadi, ya'ni. elektromagnit to'lqinning elektr maydonining vektori ma'lum bir tekislikda tebranadi. O'z navbatida, chiziqli qutblangan yorug'likni boshqa kristalldan (chorak to'lqinli plastinka deb ataladigan) ma'lum bir qalinlikdagi plastinka orqali o'tkazish orqali uni elektr maydon vektori spiral shaklida harakatlanadigan dumaloq qutblangan nurga aylantirish mumkin. soat yo'nalishi bo'yicha yoki soat sohasi farqli ravishda) to'lqin tarqalish yo'nalishi bo'ylab harakat. Shunga ko'ra, chiziqli yoki dumaloq qutblangan fotonlar haqida gapirish mumkin.

Chiqib ketgan fotonlar bilan tajribalar

4a. Chiziqli bo'lmagan BBO kristalli argon lazeri tomonidan chiqarilgan fotonni yarmi energiya va o'zaro perpendikulyar qutblanishga ega bo'lgan ikkita chigal fotonga aylantiradi. Bu fotonlar turli yo`nalishlarda tarqaladi va D1 va D2 detektorlari tomonidan qayd qilinadi, tasodif hisoblagichi LK bilan bog`lanadi.Fotonlardan birining yo`liga ikkita tirqishli diafragma joylashtirilgan. Ikkala detektor ikkala fotonning deyarli bir vaqtda kelishini qayd etganda, signal qurilma xotirasida saqlanadi va D2 detektori tirqishlarga parallel ravishda qadam qo'yadi. Shu tarzda qayd etilgan D2 detektorining holatiga qarab fotonlar soni interferensiyani ko'rsatuvchi maksimal va minimallarni ko'rsatuvchi qutida ko'rsatilgan.

2001 yilda Belu-Orizontida bir guruh braziliyalik fiziklar rahbarligida Stiven Uolborn g'ayrioddiy tajriba. Uning mualliflari argon lazeri chiqaradigan fotonlarning ma'lum bir qismini energiyaning yarmiga ega bo'lgan ikkita fotonga aylantiradigan maxsus kristalning (qisqartirilgan BBO) xususiyatlaridan foydalanganlar. Bu ikki foton bir-biri bilan chigallashgan; ulardan biri, masalan, gorizontal polarizatsiyaga ega bo'lsa, ikkinchisi vertikal polarizatsiyaga ega. Ushbu fotonlar ikki xil yo'nalishda harakat qiladi va tasvirlangan tajribada turli rollarni bajaradi.

Biz nom bermoqchi bo'lgan fotonlardan biri nazorat, to'g'ridan-to'g'ri D1 (4a) foton detektoriga o'tadi. Detektor uning kelishini zarba hisoblagichi deb ataladigan qurilmaga elektr signalini yuborish orqali qayd etadi. LK Ikkinchi fotonda interferentsiya tajribasi o'tkaziladi; biz uni chaqiramiz signal fotoni. Uning yo'lida ikkita tirqish bor, undan keyin ikkinchi foton detektori D2, foton manbasidan D1 detektoriga qaraganda bir oz uzoqroqda joylashgan. Ushbu detektor har safar urish hisoblagichidan tegishli signalni olganida qo'sh uyasi atrofida sakrashi mumkin. D1 detektori fotonni qayd qilganda, tasodif hisoblagichiga signal yuboradi. Agar bir lahzada D2 detektori ham fotonni qayd etsa va o'lchagichga signal yuborsa, u holda u o'ralgan fotonlardan kelganini tan oladi va bu fakt qurilma xotirasida saqlanadi. Ushbu protsedura detektorga kiradigan tasodifiy fotonlarni ro'yxatga olishni istisno qiladi.

O'ralgan fotonlar 400 soniya davomida saqlanadi. Bu vaqtdan keyin D2 detektori tirqishlar holatiga nisbatan 1 mm ga siljiydi va chigallashgan fotonlarni hisoblash yana 400 soniya davom etadi. Keyin detektor yana 1 mm ga siljiydi va protsedura ko'p marta takrorlanadi. Ma'lum bo'lishicha, D2 detektorining holatiga qarab shu tarzda qayd etilgan fotonlar sonining taqsimlanishi Yang tajribasida yorug'lik va qorong'ilik va interferentsiya chekkalariga mos keladigan xarakterli maksimal va minimallarga ega (4a).

Biz buni yana bilib olamiz qo'sh tirqishdan o'tuvchi yagona fotonlar bir-biriga xalaqit beradi.

Qanday qilib?

Tajribaning keyingi bosqichi ma'lum bir foton harakatini buzmasdan o'tgan teshikni aniqlash edi. Bu erda ishlatiladigan xususiyatlar chorak to'lqin plitasi. Har bir tirqish oldiga chorak to'lqinli plastinka qo'yilgan bo'lib, ulardan biri tushayotgan fotonning chiziqli polarizatsiyasini soat yo'nalishi bo'yicha dumaloq, ikkinchisi esa chap dumaloq polarizatsiyaga o'zgartirdi (4b). Foton qutblanish turi hisoblangan fotonlar soniga ta'sir qilmasligi tasdiqlandi. Endi fotonning tirqishlardan oʻtgandan keyin qutblanishining aylanishini aniqlab, ularning qaysi biri orqali foton oʻtganligini koʻrsatish mumkin. "Qaysi yo'nalishda" ni bilish shovqinni yo'q qiladi.

4b. Yoriqlar oldiga chorak to'lqinli plitalarni (soyali to'rtburchaklar) qo'yish orqali "qaysi yo'l" ma'lumotlarini olish mumkin va interferentsiya tasviri yo'qoladi.

4c. D1 detektori oldiga to'g'ri yo'naltirilgan P polarizatorni qo'yish "qaysi yo'l" ma'lumotlarini o'chiradi va shovqinni tiklaydi.

Aslida chorak to'lqinli plitalarni tirqishlar oldiga to'g'ri joylashtirgandan so'ng, aralashuvni ko'rsatuvchi, ilgari kuzatilgan hisoblash taqsimoti yo'qoladi. Eng g'alati narsa shundaki, bu tegishli o'lchovlarni amalga oshira oladigan ongli kuzatuvchi ishtirokisiz sodir bo'ladi! Chorak to'lqinli plitalarning shunchaki joylashishi shovqinni bekor qilish effektini keltirib chiqaradi.. Xo'sh, foton plitalarni joylashtirgandan so'ng, biz u o'tgan bo'shliqni aniqlashimiz mumkinligini qanday biladi?

Biroq, bu g'alatilikning oxiri emas. Endi biz signal foton shovqinini to'g'ridan-to'g'ri ta'sir qilmasdan tiklashimiz mumkin. Buni amalga oshirish uchun D1 detektoriga yetib boradigan nazorat fotoni yo'liga polarizatorni qo'yingki, u yorug'likni qutblanish bilan o'tkazsin, bu ikkala o'ralgan fotonning (4c) qutblanishlarining kombinatsiyasi. Bu darhol mos ravishda signal fotonining polaritesini o'zgartiradi. Endi yoriqlardagi foton hodisasining qutblanishi nima ekanligini va foton qaysi tirqish orqali o'tganligini endi aniq aniqlash mumkin emas. Bunday holda, shovqin tiklanadi!

Kechiktirilgan tanlov ma'lumotlarini o'chirish

Yuqorida tavsiflangan tajribalar shunday o'tkazildiki, boshqaruv fotoni D1 detektori tomonidan signal fotoni D2 detektoriga yetib borishidan oldin ro'yxatga olinadi. "Qaysi yo'l" ma'lumotlarini o'chirish signal fotoni D2 detektoriga yetib borgunga qadar nazorat fotonining polarizatsiyasini o'zgartirish orqali amalga oshirildi. Shunda tasavvur qilish mumkinki, boshqaruvchi foton o‘zining “egizak”iga endi nima qilish kerakligini aytdi: aralashish yoki aralashmaslik.

Endi biz tajribani shunday o'zgartiramizki, boshqaruv fotoni D1 detektorida signal fotoni qayd etilgandan so'ng D2 detektoriga tegadi. Buning uchun D1 detektorini foton manbasidan uzoqroqqa olib boring. Interferentsiya sxemasi avvalgidek ko'rinadi. Endi foton qaysi yo‘ldan o‘tganini aniqlash uchun tirqishlar oldiga chorak to‘lqinli plitalar qo‘yaylik. Interferentsiya sxemasi yo'qoladi. Keyinchalik, D1 detektori oldiga mos ravishda yo'naltirilgan polarizatorni qo'yish orqali "qaysi yo'l" ma'lumotlarini o'chirib tashlaymiz. Interferentsiya sxemasi yana paydo bo'ladi! Shunga qaramay, o'chirish signal fotoni D2 detektori tomonidan ro'yxatga olinganidan keyin amalga oshirildi. Bu qanday bo'lishi mumkin? Fotonga tegishli har qanday ma'lumot yetib borishidan oldin qutb o'zgarishidan xabardor bo'lishi kerak edi.

5. Lazer nurlari bilan tajribalar.

Bu yerda hodisalarning tabiiy ketma-ketligi teskari; oqibat sababdan oldin keladi! Bu natija atrofimizdagi voqelikdagi sababiylik tamoyilini buzadi. Yoki chigal zarrachalar haqida gap ketganda vaqt muhim emasdir? Kvant chalkashligi klassik fizikada lokallik tamoyilini buzadi, unga ko'ra ob'ektga faqat uning bevosita muhiti ta'sir qilishi mumkin.

Braziliya tajribasidan buyon ko'plab shunga o'xshash tajribalar o'tkazildi, bu bu erda keltirilgan natijalarni to'liq tasdiqlaydi. Oxir-oqibat, o'quvchi bu kutilmagan hodisalarning sirini aniq tushuntirmoqchi. Afsuski, buni amalga oshirish mumkin emas. Kvant mexanikasi mantig'i biz har kuni ko'rib turgan dunyo mantig'idan farq qiladi. Biz buni kamtarlik bilan qabul qilishimiz va kvant mexanikasi qonunlari mikrokosmosda sodir bo'ladigan hodisalarni to'g'ri tasvirlashidan xursand bo'lishimiz kerak, ular tobora ilg'or texnik qurilmalarda foydali qo'llaniladi.