Քվանտային մեխանիկայի հիմքում

Ռիչարդ Ֆեյնմանը, XNUMX-րդ դարի մեծագույն ֆիզիկոսներից մեկը, պնդում էր, որ քվանտային մեխանիկայի ըմբռնման բանալին «կրկնակի ճեղքի փորձն է»։ Այս հայեցակարգային պարզ փորձը, որն իրականացվել է այսօր, շարունակում է զարմանալի բացահայտումներ տալ: Դրանք ցույց են տալիս, թե որքան անհամատեղելի է ողջախոհության հետ քվանտային մեխանիկան, որն ի վերջո հանգեցրեց վերջին հիսուն տարիների ամենակարևոր գյուտերին։

Առաջին անգամ նա կրկնակի ճեղքվածքով փորձ կատարեց։ Թոմաս Յանգ (1) Անգլիայում տասնիններորդ դարի սկզբին:

փորձ Յանգին

Փորձը օգտագործվել է ցույց տալու համար, որ լույսը ալիքային բնույթ է կրում, այլ ոչ թե կորպուսային, ինչպես նախկինում ասվեց: Իսահակ Նյուտոն. Յանգը պարզապես ցույց տվեց, որ լույսը ենթարկվում է միջամտությունը - երեւույթ, որն ամենաբնորոշ հատկանիշն է (անկախ ալիքի տեսակից և միջավայրից, որում այն ​​տարածվում է): Այսօր քվանտային մեխանիկան հաշտեցնում է այս երկու տրամաբանորեն հակասական տեսակետները:

Հիշենք կրկնակի ճեղքվածքով փորձի էությունը. Ինչպես միշտ, ես նկատի ունեմ ալիքը ջրի երեսին, որը համակենտրոնորեն տարածվում է այն վայրի շուրջ, որտեղ խճաքարը նետվել է: 

Ալիքը ձևավորվում է անկման կետից ճառագող իրար հաջորդող գագաթներով և տախտակներով՝ միաժամանակ պահպանելով գագաթների միջև հաստատուն հեռավորություն, որը կոչվում է ալիքի երկարություն։ Ալիքի ճանապարհին կարելի է պատնեշ տեղադրել, օրինակ՝ երկու նեղ անցքերով տախտակի տեսքով, որոնց միջով ջուրը կարող է ազատ հոսել։ Խիճ նետելով ջրի մեջ, ալիքը կանգ է առնում միջնորմի վրա, բայց ոչ այնքան: Երկու նոր համակենտրոն ալիքներ (2) այժմ տարածվում են բաժանման մյուս կողմում երկու անցքերից: Դրանք դրվում են միմյանց վրա, կամ, ինչպես ասում ենք, խանգարում են միմյանց՝ մակերեսին ստեղծելով բնորոշ նախշ: Այն վայրերում, որտեղ մի ալիքի գագաթը հանդիպում է մյուսի գագաթին, ջրի ուռուցիկությունը ուժեղանում է, իսկ որտեղ խոռոչը հանդիպում է հովիտին, իջվածքը խորանում է։

2. Երկու սլոտներից առաջացող ալիքների միջամտություն:

Յանգի փորձի ժամանակ կետային աղբյուրից արտանետվող մեկ գունավոր լույսն անցնում է երկու ճեղքերով անթափանց դիֆրագմով և հարվածում դրանց հետևում գտնվող էկրանին (այսօր մենք կնախընտրենք օգտագործել լազերային լույս և CCD զանգված): Էկրանի վրա նկատվում է լույսի ալիքի միջամտության պատկեր՝ փոփոխական լույսի և մուգ գծերի (3) տեսքով։ Այս արդյունքը ամրապնդեց այն համոզմունքը, որ լույսը ալիք է, նախքան XNUMX-ականների սկզբի հայտնագործությունները ցույց տվեցին, որ լույսը նույնպես ալիք է: ֆոտոնների հոսք թեթեւ մասնիկներ են, որոնք հանգիստ զանգված չունեն։ Ավելի ուշ պարզվեց, որ առեղծվածային ալիք-մասնիկ երկակիությունԱռաջին անգամ լույսի համար հայտնաբերվածը վերաբերում է նաև զանգվածով օժտված այլ մասնիկներին: Շուտով այն հիմք դարձավ աշխարհի նոր քվանտային մեխանիկական նկարագրության համար։

3. Յանգի փորձի տեսլականը

Մասնիկները նույնպես խանգարում են

1961 թվականին Կլաուս Յոնսոնը Տյուբինգենի համալսարանից ցույց տվեց զանգվածային մասնիկների՝ էլեկտրոնների միջամտությունը՝ օգտագործելով էլեկտրոնային մանրադիտակ: Տասը տարի անց Բոլոնիայի համալսարանի երեք իտալացի ֆիզիկոսներ նմանատիպ փորձ կատարեցին մեկ էլեկտրոնի միջամտություն (օգտագործելով այսպես կոչված բիպրիզմ՝ կրկնակի ճեղքի փոխարեն): Նրանք նվազեցրին էլեկտրոնային ճառագայթի ինտենսիվությունը այնքան ցածր արժեքի, որ էլեկտրոնները մեկը մյուսի հետևից անցան բիպրիզմով։ Այս էլեկտրոնները գրանցվել են լյումինեսցենտային էկրանի վրա։

Սկզբում էլեկտրոնային հետքերը պատահականորեն բաշխվում էին էկրանի վրա, սակայն ժամանակի ընթացքում նրանք ձևավորեցին միջամտության եզրերի հստակ պատկեր: Թվում է, թե անհնար է, որ երկու էլեկտրոնները, որոնք անցնում են ճեղքերով հաջորդաբար տարբեր ժամանակներում, կարող են խանգարել միմյանց: Ուստի մենք պետք է դա ընդունենք մեկ էլեկտրոն խանգարում է ինքն իրեն! Բայց հետո էլեկտրոնը պետք է միաժամանակ անցներ երկու ճեղքերով։

Հնարավոր է գայթակղիչ լինի նայել այն անցքին, որով իրականում անցել է էլեկտրոնը: Հետագայում կտեսնենք, թե ինչպես կարելի է նման դիտարկում անել առանց էլեկտրոնի շարժումը խանգարելու։ Ստացվում է, որ եթե մենք տեղեկատվություն ստանանք այն մասին, թե ինչ է ստացել էլեկտրոնը, ապա միջամտությունը ... կվերանա: «Ինչպես» տեղեկատվությունը ոչնչացնում է միջամտությունը: Արդյո՞ք սա նշանակում է, որ գիտակից դիտորդի առկայությունը ազդում է ֆիզիկական գործընթացի ընթացքի վրա:

Նախքան կրկնակի ճեղքվածքով փորձերի է՛լ ավելի զարմանալի արդյունքների մասին խոսելը, ես մի փոքր շեղում կանեմ խանգարող առարկաների չափերի մասին։ Զանգվածային առարկաների քվանտային միջամտությունը հայտնաբերվեց սկզբում էլեկտրոնների, այնուհետև աճող զանգված ունեցող մասնիկների՝ նեյտրոնների, պրոտոնների, ատոմների և վերջապես խոշոր քիմիական մոլեկուլների համար։

2011 թվականին գերազանցվել է օբյեկտի չափի ռեկորդը, որի վրա ցուցադրվել է քվանտային միջամտության երեւույթը։ Փորձն իրականացվել է Վիեննայի համալսարանում այն ​​ժամանակվա մի դոկտորանտի կողմից։ Սանդրա Էյբենբերգեր և նրա համախոհները։ Երկու ընդմիջումներով փորձի համար ընտրվել է բարդ օրգանական մոլեկուլ, որը պարունակում է մոտ 5 պրոտոն, 5 հազար նեյտրոն և 5 հազար էլեկտրոն: Շատ բարդ փորձի ժամանակ նկատվել է այս հսկայական մոլեկուլի քվանտային միջամտությունը:

Սա հաստատեց այն համոզմունքը, որ Քվանտային մեխանիկայի օրենքները ենթարկվում են ոչ միայն տարրական մասնիկներին, այլև յուրաքանչյուր նյութական առարկայի։ Միայն թե որքան բարդ է օբյեկտը, այնքան ավելի շատ է այն փոխազդում շրջակա միջավայրի հետ, ինչը խախտում է նրա նուրբ քվանտային հատկությունները և ոչնչացնում միջամտության էֆեկտները:.

Լույսի քվանտային խճճվածություն և բևեռացում

Կրկնակի ճեղքվածքով փորձերի ամենազարմանալի արդյունքները ստացան ֆոտոնին հետևելու հատուկ մեթոդի կիրառումը, որը ոչ մի կերպ չէր խանգարում նրա շարժմանը: Այս մեթոդը օգտագործում է ամենատարօրինակ քվանտային երեւույթներից մեկը՝ այսպես կոչված քվանտային խճճվածություն. Այս երևույթը նկատվել է դեռևս 30-ականներին քվանտային մեխանիկայի գլխավոր ստեղծողներից մեկի կողմից. Էրվին Շրյոդինգեր.

Թերահավատ Էյնշտեյնը (տես նաև 🙂 դրանք անվանեց ուրվական գործողություն հեռավորության վրա: Սակայն միայն կես դար անց հասկացվեց այս էֆեկտի նշանակությունը, և այսօր այն դարձել է ֆիզիկոսների հատուկ հետաքրքրության առարկան:

Ինչի՞ մասին է այս ազդեցությունը: Եթե ​​երկու մասնիկներ, որոնք ժամանակի ինչ-որ պահի մոտ են միմյանց, այնքան ուժեղ են փոխազդում միմյանց հետ, որ ձևավորում են մի տեսակ «երկվորյակ հարաբերություններ», ապա հարաբերությունները պահպանվում են նույնիսկ այն ժամանակ, երբ մասնիկները հարյուրավոր կիլոմետրեր են հեռու: Այնուհետև մասնիկները իրենց պահում են որպես մեկ միասնական համակարգ։ Սա նշանակում է, որ երբ մենք գործողություն ենք կատարում մի մասնիկի վրա, այն անմիջապես ազդում է մեկ այլ մասնիկի վրա։ Այնուամենայնիվ, այս կերպ մենք չենք կարող անժամկետ տեղեկատվություն փոխանցել հեռավորության վրա:

Ֆոտոնը զանգված չունեցող մասնիկ է՝ լույսի տարրական մաս, որը էլեկտրամագնիսական ալիք է։ Համապատասխան բյուրեղի թիթեղով (կոչվում է բևեռացնող) անցնելուց հետո լույսը դառնում է գծային բևեռացված, այսինքն. էլեկտրամագնիսական ալիքի էլեկտրական դաշտի վեկտորը տատանվում է որոշակի հարթությունում։ Իր հերթին, գծային բևեռացված լույսը մեկ այլ բյուրեղից որոշակի հաստությամբ ափսեի միջով անցնելով (այսպես կոչված՝ քառորդ ալիքի ափսե), այն կարող է վերածվել շրջանաձև բևեռացված լույսի, որի դեպքում էլեկտրական դաշտի վեկտորը շարժվում է պարույրով ( ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ կամ հակառակ ուղղությամբ) շարժում ալիքի տարածման ուղղությամբ: Ըստ այդմ, կարելի է խոսել գծային կամ շրջանաձև բևեռացված ֆոտոնների մասին։

Փորձեր խճճված ֆոտոնների հետ

4 ա. Ոչ գծային BBO բյուրեղը փոխակերպում է արգոն լազերի կողմից արտանետվող ֆոտոնը երկու խճճված ֆոտոնների՝ կես էներգիայով և փոխադարձ ուղղահայաց բևեռացմամբ: Այս ֆոտոնները ցրվում են տարբեր ուղղություններով և գրանցվում են D1 և D2 դետեկտորներով, որոնք միացված են LK համընկնման հաշվիչով։Ֆոտոններից մեկի ճանապարհին դրված է երկու ճեղքերով դիֆրագմ։ Երբ երկու դետեկտորները գրանցում են երկու ֆոտոնների գրեթե միաժամանակյա ժամանումը, ազդանշանը պահվում է սարքի հիշողության մեջ, իսկ դետեկտորը D2 քայլում է ճեղքերին զուգահեռ։ Ֆոտոնների քանակը կախված D2 դետեկտորի դիրքից, այդպիսով գրանցված, ցուցադրվում է վանդակում՝ ցույց տալով առավելագույնը և նվազագույնը՝ նշելով միջամտությունը:

2001 թվականին Բելո Հորիզոնտեում մի խումբ բրազիլացի ֆիզիկոսներ ելույթ ունեցան ղեկավարությամբ. Սթիվեն Ուոլբորն անսովոր փորձ. Դրա հեղինակներն օգտագործել են հատուկ բյուրեղի (կրճատ՝ BBO) հատկությունները, որը փոխակերպում է արգոն լազերի կողմից արտանետվող ֆոտոնների որոշակի մասը երկու ֆոտոնի՝ էներգիայի կեսով։ Այս երկու ֆոտոնները խճճված են միմյանց հետ. երբ դրանցից մեկն ունի, օրինակ, հորիզոնական բևեռացում, մյուսը՝ ուղղահայաց բևեռացում։ Այս ֆոտոնները շարժվում են երկու տարբեր ուղղություններով և տարբեր դերեր են խաղում նկարագրված փորձի մեջ։

Ֆոտոններից մեկը, որը մենք պատրաստվում ենք անվանել վերահսկել, ուղղակիորեն գնում է դեպի ֆոտոն դետեկտոր D1 (4a): Դետեկտորը գրանցում է իր ժամանումը՝ էլեկտրական ազդանշան ուղարկելով հարվածների հաշվիչ կոչվող սարքին: LK Երկրորդ ֆոտոնի վրա կկատարվի միջամտության փորձ. մենք կկանչենք նրան ազդանշանային ֆոտոն. Նրա ճանապարհին կա կրկնակի ճեղք, որին հաջորդում է երկրորդ ֆոտոն դետեկտորը՝ D2, ֆոտոնային աղբյուրից մի փոքր ավելի հեռու, քան D1 դետեկտորը: Այս դետեկտորը կարող է թռչել երկակի բնիկի շուրջը ամեն անգամ, երբ համապատասխան ազդանշան է ստանում հարվածների հաշվիչից: Երբ դետեկտոր D1 գրանցում է ֆոտոն, այն ազդանշան է ուղարկում համընկնումների հաշվիչին: Եթե ​​մի պահ D2 դետեկտորը նույնպես գրանցի ֆոտոն և ազդանշան ուղարկի հաշվիչին, ապա նա կճանաչի, որ այն գալիս է խճճված ֆոտոններից, և այդ փաստը կպահվի սարքի հիշողության մեջ։ Այս ընթացակարգը բացառում է դետեկտոր մտնող պատահական ֆոտոնների գրանցումը:

Խճճված ֆոտոնները պահպանվում են 400 վայրկյան: Այս ժամանակից հետո D2 դետեկտորը ճեղքերի դիրքի նկատմամբ տեղաշարժվում է 1 մմ-ով, իսկ խճճված ֆոտոնների հաշվարկը տևում է ևս 400 վայրկյան: Այնուհետև դետեկտորը կրկին տեղափոխվում է 1 մմ-ով և ընթացակարգը կրկնվում է բազմիցս։ Պարզվում է, որ այս ձևով գրանցված ֆոտոնների քանակի բաշխումը կախված D2 դետեկտորի դիրքից ունի Յանգի փորձի (4ա) լույսին և մութին համապատասխանող բնութագրական մաքսիմումներ և մինիմումներ։

Մենք նորից պարզում ենք, որ Կրկնակի ճեղքով անցնող միայնակ ֆոտոնները խանգարում են միմյանց.

Ինչպես?

Փորձի հաջորդ քայլը եղավ որոշել այն անցքը, որով անցնում էր որոշակի ֆոտոն՝ չխանգարելով նրա շարժմանը: Այստեղ օգտագործվող հատկությունները քառորդ ալիքի ափսե. Յուրաքանչյուր ճեղքի առջև տեղադրվել է քառորդ ալիքային թիթեղ, որոնցից մեկը փոխում է ընկնող ֆոտոնի գծային բևեռացումը ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ, իսկ մյուսը՝ ձախակողմյան շրջանաձև բևեռացման (4b): Ստուգվեց, որ ֆոտոնների բևեռացման տեսակը չի ազդել հաշվված ֆոտոնների քանակի վրա: Այժմ, որոշելով ֆոտոնի բևեռացման պտույտը ճեղքերով անցնելուց հետո, կարելի է նշել, թե դրանցից որով է անցել ֆոտոնը։ «Որ ուղղությամբ» իմանալը ոչնչացնում է միջամտությունը:

4բ. Ճեղքերի դիմաց քառորդ ալիքային թիթեղներ (ստվերավորված ուղղանկյուններ) դնելով՝ «որ ճանապարհով» տեղեկություն կարելի է ստանալ, և միջամտության պատկերը կվերանա։

4գ. D1 դետեկտորի դիմաց համապատասխան կողմնորոշված ​​բևեռացնող P տեղադրելը ջնջում է «որ ուղղությամբ» տեղեկատվությունը և վերականգնում միջամտությունը:

Փաստորեն, Քառորդ ալիքի թիթեղների ճիշտ տեղադրումից հետո ճեղքերի դիմաց վերանում է հաշվարկների նախկինում դիտարկված բաշխումը, որը վկայում է միջամտության մասին: Ամենատարօրինակն այն է, որ դա տեղի է ունենում առանց գիտակից դիտորդի մասնակցության, որը կարող է համապատասխան չափումներ կատարել։ Քառորդ ալիքային թիթեղների զուտ տեղադրումն առաջացնում է միջամտության չեղարկման էֆեկտ:. Այսպիսով, ինչպե՞ս է ֆոտոնը իմանում, որ թիթեղները տեղադրելուց հետո մենք կարող ենք որոշել այն բացը, որով նա անցել է:

Այնուամենայնիվ, սա տարօրինակությունների ավարտը չէ: Այժմ մենք կարող ենք վերականգնել ազդանշանային ֆոտոնների միջամտությունը՝ առանց դրա վրա ուղղակիորեն ազդելու: Դա անելու համար հսկիչ ֆոտոնի՝ D1 դետեկտորին հասնելու ճանապարհին տեղադրեք բևեռացուցիչ, որպեսզի այն լույսը փոխանցի բևեռացումով, որը երկու խճճված ֆոտոնների (4c) բևեռացումների համակցությունն է: Սա անմիջապես փոխում է ազդանշանային ֆոտոնի բևեռականությունը համապատասխանաբար: Այժմ այլևս հնարավոր չէ վստահորեն որոշել, թե որն է ֆոտոնի բևեռացումը ճեղքերի վրա, և որ ճեղքով է անցել ֆոտոնը։ Այս դեպքում միջամտությունը վերականգնվում է:

Ջնջել հետաձգված ընտրության տեղեկատվությունը

Վերը նկարագրված փորձերն իրականացվել են այնպես, որ հսկիչ ֆոտոնը գրանցվում է D1 դետեկտորի կողմից նախքան ազդանշանային ֆոտոնը հասնելը դետեկտորին D2: «Ո՞ր ճանապարհի» տեղեկատվության ջնջումը կատարվել է կառավարիչ ֆոտոնի բևեռացումը փոխելով, մինչև ազդանշանային ֆոտոնը կհասներ դետեկտոր D2-ին։ Հետո կարելի է պատկերացնել, որ կառավարող ֆոտոնն իր «երկվորյակին» արդեն ասել է, թե ինչ պետք է անել՝ միջամտե՞լ, թե՞ ոչ։

Այժմ մենք փոփոխում ենք փորձը այնպես, որ կառավարման ֆոտոնը հարվածում է D1 դետեկտորին այն բանից հետո, երբ ազդանշանային ֆոտոնը գրանցվում է դետեկտորում D2: Դա անելու համար դետեկտոր D1-ը հեռացրեք ֆոտոնների աղբյուրից: Միջամտության օրինակը կարծես նույնն է, ինչ նախկինում: Այժմ եկեք տեղադրենք քառորդ ալիքի թիթեղները ճեղքերի դիմաց՝ որոշելու համար, թե որ ճանապարհն է անցել ֆոտոնը: Միջամտության օրինաչափությունը անհետանում է: Հաջորդը, եկեք ջնջենք «որ կողմից» տեղեկատվությունը՝ D1 դետեկտորի դիմաց տեղադրելով համապատասխան կողմնորոշված ​​բևեռացնող: Միջամտության օրինաչափությունը կրկին հայտնվում է: Այնուամենայնիվ, ջնջումն իրականացվել է այն բանից հետո, երբ ազդանշանային ֆոտոնը գրանցվել է D2 դետեկտորի կողմից: Ինչպե՞ս է դա հնարավոր: Ֆոտոնը պետք է տեղյակ լիներ բևեռականության փոփոխության մասին, նախքան դրա մասին որևէ տեղեկություն հասնելը:

5. Փորձեր լազերային ճառագայթով:

Իրադարձությունների բնական հաջորդականությունն այստեղ հակադարձված է. ազդեցությունը նախորդում է պատճառին: Այս արդյունքը խաթարում է մեզ շրջապատող իրականության պատճառականության սկզբունքը։ Իսկ գուցե ժամանակը կապ չունի, երբ խոսքը խճճված մասնիկների մասին է: Քվանտային խճճվածությունը խախտում է դասական ֆիզիկայի տեղայնության սկզբունքը, ըստ որի օբյեկտի վրա կարող է ազդել միայն նրա անմիջական միջավայրը։

Բրազիլական փորձից ի վեր բազմաթիվ նմանատիպ փորձեր են իրականացվել, որոնք լիովին հաստատում են այստեղ ներկայացված արդյունքները։ Վերջում ընթերցողը ցանկանում է հստակ բացատրել այս անսպասելի երևույթների առեղծվածը։ Ցավոք, դա հնարավոր չէ անել: Քվանտային մեխանիկայի տրամաբանությունը տարբերվում է այն աշխարհի տրամաբանությունից, որը մենք տեսնում ենք ամեն օր: Մենք պետք է խոնարհաբար ընդունենք դա և ուրախանանք, որ քվանտային մեխանիկայի օրենքները ճշգրիտ նկարագրում են միկրոտիեզերքում տեղի ունեցող երևույթները, որոնք օգտակար են օգտագործվում ավելի առաջադեմ տեխնիկական սարքերում: