Në zemër të mekanikës kuantike

Richard Feynman, një nga fizikantët më të mëdhenj të shekullit të XNUMX-të, argumentoi se çelësi për të kuptuar mekanikën kuantike është "eksperimenti me çarje të dyfishtë". Ky eksperiment konceptualisht i thjeshtë, i kryer sot, vazhdon të japë zbulime të mahnitshme. Ato tregojnë se sa e papajtueshme me sensin e përbashkët është mekanika kuantike, e cila përfundimisht çoi në shpikjet më të rëndësishme të pesëdhjetë viteve të fundit.

Për herë të parë ai kreu një eksperiment me dy çarje. Thomas Young (1) në Angli në fillim të shekullit të nëntëmbëdhjetë.

Eksperimenti i Young

Eksperimenti u përdor për të treguar se drita është e natyrës valore dhe jo e një natyre korpuskulare, siç u tha më parë. Isaac Newton. Young sapo tregoi se drita bindet ndërhyrja - një dukuri që është tipari më karakteristik (pavarësisht nga lloji i valës dhe mediumi në të cilin përhapet). Sot, mekanika kuantike pajton këto dy pikëpamje logjikisht kontradiktore.

Le të kujtojmë thelbin e eksperimentit me dy çarje. Si zakonisht, kam parasysh një valë në sipërfaqen e ujit që përhapet në mënyrë koncentrike rreth vendit ku është hedhur guralec. 

Një valë formohet nga kreshta dhe korte të njëpasnjëshme që rrezatojnë nga pika e shqetësimit, duke ruajtur një distancë konstante midis kreshtave, e cila quhet gjatësi vale. Një pengesë mund të vendoset në rrugën e valës, për shembull, në formën e një dërrase me dy çarje të ngushta të prera nëpër të cilat uji mund të rrjedhë lirshëm. Duke hedhur një guralec në ujë, vala ndalon në ndarje - por jo plotësisht. Dy valë të reja koncentrike (2) përhapen tani në anën tjetër të ndarjes nga të dy slotat. Ato mbivendosen mbi njëra-tjetrën, ose, siç themi, ndërhyjnë me njëra-tjetrën, duke krijuar një model karakteristik në sipërfaqe. Në vendet ku kreshta e një vale takohet me kreshtën e një tjetre, fryrja e ujit intensifikohet dhe ku zgavra takohet me luginën, depresioni thellohet.

2. Ndërhyrja e valëve që dalin nga dy slota.

Në eksperimentin e Young-ut, drita me një ngjyrë të emetuar nga një burim pikash kalon përmes një diafragme të errët me dy të çara dhe godet ekranin pas tyre (sot do të preferonim të përdorim dritën lazer dhe një CCD). Një imazh i ndërhyrjes së një valë drite vërehet në ekran në formën e një serie vijash të alternuara të lehta dhe të errëta (3). Ky rezultat përforcoi besimin se drita ishte një valë, përpara se zbulimet në fillim të viteve XNUMX të tregonin se drita ishte gjithashtu një valë. fluksi i fotonit janë grimca të lehta që nuk kanë masë pushimi. Më vonë doli se misterioz dualiteti valë-grimcëzbuluar së pari për dritën vlen edhe për grimcat e tjera të pajisura me masë. Ai shpejt u bë baza për një përshkrim të ri mekanik kuantik të botës.

3. Vizioni i eksperimentit të Young

Grimcat gjithashtu ndërhyjnë

Në vitin 1961, Klaus Jonsson nga Universiteti i Tübingen demonstroi ndërhyrjen e grimcave masive - elektroneve duke përdorur një mikroskop elektronik. Dhjetë vjet më vonë, tre fizikanë italianë nga Universiteti i Bolonjës kryen një eksperiment të ngjashëm me interferenca me një elektron (duke përdorur një të ashtuquajtur biprizëm në vend të një çarje të dyfishtë). Ata e reduktuan intensitetin e rrezes elektronike në një vlerë kaq të ulët saqë elektronet kaluan nëpër biprizëm njëri pas tjetrit, njëri pas tjetrit. Këto elektrone u regjistruan në një ekran fluoreshente.

Fillimisht, gjurmët e elektroneve u shpërndanë në mënyrë të rastësishme në ekran, por me kalimin e kohës ato formuan një imazh të veçantë ndërhyrjeje të skajeve të ndërhyrjes. Duket e pamundur që dy elektrone që kalojnë nëpër çarje me radhë në kohë të ndryshme mund të ndërhyjnë me njëri-tjetrin. Prandaj, ne duhet ta pranojmë këtë një elektron ndërhyn në vetvete! Por atëherë elektroni do të duhej të kalonte nëpër të dy çarjet në të njëjtën kohë.

Mund të jetë joshëse të shikosh vrimën përmes së cilës kaloi elektroni. Më vonë do të shohim se si të bëjmë një vëzhgim të tillë pa e shqetësuar lëvizjen e elektronit. Rezulton se nëse marrim informacion për atë që ka marrë elektroni, atëherë ndërhyrja ... do të zhduket! Informacioni "si" shkatërron ndërhyrjen. A do të thotë kjo se prania e një vëzhguesi të ndërgjegjshëm ndikon në rrjedhën e procesit fizik?

Përpara se të flas për rezultatet edhe më befasuese të eksperimenteve me dy çarje, do të bëj një digresion të vogël rreth madhësive të objekteve ndërhyrëse. Ndërhyrja kuantike e objekteve në masë u zbulua fillimisht për elektronet, pastaj për grimcat me masë në rritje: neutronet, protonet, atomet dhe në fund për molekulat e mëdha kimike.

Në vitin 2011 u thye rekordi për përmasat e një objekti, mbi të cilin u demonstrua fenomeni i ndërhyrjes kuantike. Eksperimenti u krye në Universitetin e Vjenës nga një doktorant i asaj kohe. Sandra Eibenberger dhe bashkëpunëtorët e saj. Për eksperimentin me dy ndërprerje u zgjodh një molekulë organike komplekse që përmban rreth 5 protone, 5 mijë neutrone dhe 5 mijë elektrone! Në një eksperiment shumë kompleks, u vu re ndërhyrje kuantike e kësaj molekule të madhe.

Kjo vërtetoi besimin se Ligjet e mekanikës kuantike u binden jo vetëm grimcave elementare, por edhe çdo objekti material. Vetëm se sa më kompleks të jetë objekti, aq më shumë ndërvepron me mjedisin, gjë që cenon vetitë e tij delikate kuantike dhe shkatërron efektet e ndërhyrjes..

Ngatërrimi kuantik dhe polarizimi i dritës

Rezultatet më befasuese të eksperimenteve me çarje të dyfishtë erdhën nga përdorimi i një metode të veçantë për gjurmimin e fotonit, e cila nuk e shqetësoi në asnjë mënyrë lëvizjen e tij. Kjo metodë përdor një nga fenomenet kuantike më të çuditshme, të ashtuquajturat ngatërresa kuantike. Ky fenomen u vu re në vitet '30 nga një nga krijuesit kryesorë të mekanikës kuantike. Erwin Schrödinger.

Ajnshtajni skeptik (shih gjithashtu 🙂 i quajti veprim fantazmë në distancë. Megjithatë, vetëm gjysmë shekulli më vonë domethënia e këtij efekti u kuptua dhe sot është bërë një temë me interes të veçantë për fizikantët.

Për çfarë është ky efekt? Nëse dy grimca që janë afër njëra-tjetrës në një moment në kohë ndërveprojnë aq fort me njëra-tjetrën sa që formojnë një lloj "marrëdhënieje binjake", atëherë marrëdhënia vazhdon edhe kur grimcat janë qindra kilometra larg njëra-tjetrës. Pastaj grimcat sillen si një sistem i vetëm. Kjo do të thotë që kur kryejmë një veprim në një grimcë, ai ndikon menjëherë në një grimcë tjetër. Megjithatë, në këtë mënyrë ne nuk mund të transmetojmë pa kohë informacion në një distancë.

Një foton është një grimcë pa masë - një pjesë elementare e dritës, e cila është një valë elektromagnetike. Pasi kalon nëpër një pllakë të kristalit përkatës (të quajtur polarizues), drita polarizohet në mënyrë lineare, d.m.th. vektori i fushës elektrike të një vale elektromagnetike lëkundet në një rrafsh të caktuar. Nga ana tjetër, duke kaluar dritën e polarizuar në mënyrë lineare përmes një pllake me një trashësi të caktuar nga një kristal tjetër i veçantë (e ashtuquajtura pllakë e valës së katërt), ajo mund të shndërrohet në dritë të polarizuar rrethore, në të cilën vektori i fushës elektrike lëviz në një spirale ( në drejtim të akrepave të orës ose në të kundërt) lëvizje përgjatë drejtimit të përhapjes së valës. Prandaj, mund të flitet për fotone të polarizuara në mënyrë lineare ose rrethore.

Eksperimente me fotone të ngatërruar

4a. Një kristal jo-linear BBO konverton një foton të emetuar nga një lazer argon në dy fotone të ngatërruar me gjysmën e energjisë dhe polarizim reciprokisht pingul. Këto fotone shpërndahen në drejtime të ndryshme dhe regjistrohen nga detektorët D1 dhe D2, të lidhur me një numërues koincidence LK. Një diafragmë me dy të çara vendoset në rrugën e njërit prej fotoneve. Kur të dy detektorët regjistrojnë mbërritjen pothuajse të njëkohshme të të dy fotoneve, sinjali ruhet në memorien e pajisjes dhe detektori D2 hapet paralelisht me të çarat. Numri i fotoneve në varësi të pozicionit të detektorit D2, i regjistruar në këtë mënyrë, tregohet në kuti, duke treguar maksimumin dhe minimumin, duke treguar ndërhyrje.

Në vitin 2001, një grup fizikantësh brazilianë në Belo Horizonte performuan nën drejtimin e Stephen Walborn eksperiment i pazakontë. Autorët e tij përdorën vetitë e një kristali të veçantë (shkurtuar si BBO), i cili konverton një pjesë të caktuar të fotoneve të emetuara nga një lazer argon në dy fotone me gjysmën e energjisë. Këto dy fotone janë të ngatërruar me njëri-tjetrin; kur njëri prej tyre ka, për shembull, polarizim horizontal, tjetri ka polarizim vertikal. Këto fotone lëvizin në dy drejtime të ndryshme dhe luajnë role të ndryshme në eksperimentin e përshkruar.

Një nga fotonet që do të emërtojmë контроль, shkon direkt në detektorin e fotonit D1 (4a). Detektori regjistron mbërritjen e tij duke dërguar një sinjal elektrik në një pajisje të quajtur numërues i goditjes. LK Një eksperiment ndërhyrjeje do të kryhet në fotonin e dytë; ne do ta thërrasim atë foton sinjal. Ka një çarje të dyfishtë në rrugën e saj, e ndjekur nga një detektor i dytë fotoni, D2, pak më larg nga burimi i fotonit se detektori D1. Ky detektor mund të kërcejë në lidhje me slotin e dyfishtë sa herë që merr një sinjal të përshtatshëm nga numëruesi i goditjes. Kur detektori D1 regjistron një foton, ai dërgon një sinjal në numëruesin e rastësisë. Nëse në një moment detektori D2 gjithashtu regjistron një foton dhe dërgon një sinjal në njehsor, atëherë ai do të njohë se ai vjen nga fotone të ngatërruar dhe ky fakt do të ruhet në kujtesën e pajisjes. Kjo procedurë përjashton regjistrimin e fotoneve të rastësishme që hyjnë në detektor.

Fotonet e ngatërruara qëndrojnë për 400 sekonda. Pas kësaj kohe, detektori D2 zhvendoset me 1 mm në lidhje me pozicionin e çarjeve, dhe numërimi i fotoneve të ngatërruar zgjat 400 sekonda të tjera. Pastaj detektori zhvendoset përsëri me 1 mm dhe procedura përsëritet shumë herë. Rezulton se shpërndarja e numrit të fotoneve të regjistruara në këtë mënyrë në varësi të pozicionit të detektorit D2 ka maksimum dhe minimum karakteristik që korrespondojnë me dritën dhe errësirën dhe skajet e ndërhyrjes në eksperimentin e Young (4a).

Ne e zbulojmë përsëri atë Fotonet e vetme që kalojnë nëpër çarjen e dyfishtë ndërhyjnë me njëri-tjetrin.

Si?

Hapi tjetër në eksperiment ishte përcaktimi i vrimës nëpër të cilën kalonte një foton i veçantë pa e shqetësuar lëvizjen e tij. Karakteristikat e përdorura këtu pllakë e valës së katërt. Një pllakë çerek-vale u vendos përpara secilës çarje, njëra prej të cilave ndryshoi polarizimin linear të fotonit të rënë në rrethore në drejtim të akrepave të orës dhe tjetra në polarizimin rrethor të majtë (4b). U verifikua se lloji i polarizimit të fotonit nuk ndikoi në numrin e fotoneve të numëruara. Tani, duke përcaktuar rrotullimin e polarizimit të fotonit pasi të ketë kaluar nëpër çarje, është e mundur të tregohet se në cilin prej tyre ka kaluar fotoni. Njohja "në cilin drejtim" shkatërron ndërhyrjen.

4b. Duke vendosur pllaka me valë çerek (drejtkëndësha me hije) përpara të çarave, mund të merret informacioni për "cilën rrugë" dhe imazhi i ndërhyrjes do të zhduket.

4c. Vendosja e një polarizuesi P të orientuar siç duhet përpara detektorit D1 fshin informacionin "në të cilën drejtim" dhe rikthen interferencën.

Në të vërtetë, pas vendosjes së saktë të pllakave çerek-valore përpara të çarave, shpërndarja e vërejtur më parë e numërimeve, treguese e ndërhyrjes, zhduket. Gjëja më e çuditshme është se kjo ndodh pa pjesëmarrjen e një vëzhguesi të ndërgjegjshëm që mund të bëjë matjet e duhura! Vendosja e thjeshtë e pllakave me valë çerek prodhon një efekt anulimi të interferencës.. Pra, si e di fotoni se pas futjes së pllakave, ne mund të përcaktojmë boshllëkun nëpër të cilin ai kaloi?

Megjithatë, ky nuk është fundi i çuditshmërisë. Tani ne mund të rivendosim ndërhyrjen e fotonit të sinjalit pa e ndikuar drejtpërdrejt. Për ta bërë këtë, në rrugën e fotonit të kontrollit që arrin në detektorin D1, vendosni një polarizues në atë mënyrë që të transmetojë dritën me një polarizim që është një kombinim i polarizimeve të të dy fotoneve të ngatërruar (4c). Kjo ndryshon menjëherë polaritetin e fotonit të sinjalit në përputhje me rrethanat. Tani nuk është më e mundur të përcaktohet me siguri se cili është polarizimi i një fotoni që ka rënë në çarje dhe nëpër cilën çarje ka kaluar fotoni. Në këtë rast, ndërhyrja rikthehet!

Fshi informacionin e përzgjedhjes së vonuar

Eksperimentet e përshkruara më sipër u kryen në atë mënyrë që fotoni i kontrollit të regjistrohej nga detektori D1 përpara se fotoni i sinjalit të arrinte në detektorin D2. Fshirja e informacionit "which way" u krye duke ndryshuar polarizimin e fotonit të kontrollit përpara se fotoni i sinjalit të arrinte në detektorin D2. Atëherë mund të imagjinohet se fotoni kontrollues i ka thënë tashmë "binjakut" të tij se çfarë të bëjë më pas: të ndërhyjë apo jo.

Tani ne e modifikojmë eksperimentin në atë mënyrë që fotoni i kontrollit të godasë detektorin D1 pasi fotoni i sinjalit të regjistrohet në detektorin D2. Për ta bërë këtë, largoni detektorin D1 nga burimi i fotonit. Modeli i ndërhyrjes duket i njëjtë si më parë. Tani le të vendosim pllaka me valë çerek përpara të çarave për të përcaktuar se cilën rrugë ka marrë fotoni. Modeli i ndërhyrjes zhduket. Më pas, le të fshijmë informacionin "në çfarë drejtimi" duke vendosur një polarizues të orientuar siç duhet përpara detektorit D1. Modeli i ndërhyrjes shfaqet përsëri! Megjithatë, fshirja u bë pasi fotoni i sinjalit ishte regjistruar nga detektori D2. Si është e mundur kjo? Fotoni duhej të ishte i vetëdijshëm për ndryshimin e polaritetit përpara se të arrinte ndonjë informacion rreth tij.

5. Eksperimentet me një rreze lazer.

Sekuenca natyrore e ngjarjeve është e kundërt këtu; efekti i paraprin shkakut! Ky rezultat minon parimin e shkakësisë në realitetin që na rrethon. Apo ndoshta koha nuk ka rëndësi kur bëhet fjalë për grimcat e ngatërruara? Ngatërrimi kuantik shkel parimin e lokalitetit në fizikën klasike, sipas të cilit një objekt mund të ndikohet vetëm nga mjedisi i tij i afërt.

Që nga eksperimenti brazilian, janë kryer shumë eksperimente të ngjashme, të cilat konfirmojnë plotësisht rezultatet e paraqitura këtu. Në fund, lexuesi dëshiron të shpjegojë qartë misterin e këtyre dukurive të papritura. Fatkeqësisht, kjo nuk mund të bëhet. Logjika e mekanikës kuantike është e ndryshme nga logjika e botës që shohim çdo ditë. Ne duhet ta pranojmë këtë me përulësi dhe të gëzohemi për faktin se ligjet e mekanikës kuantike përshkruajnë me saktësi fenomenet që ndodhin në mikrokozmos, të cilat përdoren në mënyrë të dobishme në pajisjet teknike gjithnjë e më të avancuara.