Sa kasingkasing sa quantum mechanics

Si Richard Feynman, usa sa labing bantugan nga physicist sa ika-XNUMX nga siglo, nangatarungan nga ang yawe sa pagsabot sa quantum mechanics mao ang "double slit experiment". Kining simple nga konsepto nga eksperimento, nga gihimo karon, nagpadayon sa paghatag ug talagsaong mga diskobre. Gipakita nila kung unsa ka dili mahiuyon sa sentido komon ang quantum mechanics, nga sa katapusan mitultol sa labing hinungdanon nga mga imbensyon sa miaging kalim-an ka tuig.

Sa unang higayon nagpahigayon siya og double-slit experiment. Thomas Young (1) sa England sa sayong bahin sa ikanapulog-siyam nga siglo.

eksperimento ni Young

Ang eksperimento gigamit aron ipakita nga ang kahayag usa ka kinaiya sa balud ug dili usa ka corpuscular nga kinaiya, sama sa giingon kaniadto. Isaac Newton. Gipakita lang ni Young nga ang kahayag nagsunod interbensyon - usa ka panghitabo nga mao ang labing kinaiya nga bahin (bisan unsa pa ang matang sa balud ug ang medium diin kini mokaylap). Karon, ang quantum mechanics nag-uli sa duha niining lohikal nga magkasumpaki nga mga panglantaw.

Atong hinumdoman ang diwa sa double-slit experiment. Sama sa naandan, ang akong gipasabot mao ang usa ka balud sa ibabaw sa tubig nga nagkuyanap sa palibot sa dapit diin ang bato gilabay. 

Ang usa ka balud naporma pinaagi sa sunud-sunod nga mga crests ug troughs nga nagdan-ag gikan sa punto sa kasamok, samtang nagpadayon sa usa ka kanunay nga gilay-on tali sa mga crest, nga gitawag nga wavelength. Ang usa ka babag mahimong ibutang sa agianan sa balud, pananglitan, sa porma sa usa ka tabla nga adunay duha ka pig-ot nga mga slots nga giputol diin ang tubig mahimong libre nga moagos. Ang paglabay sa usa ka bato ngadto sa tubig, ang balud mihunong sa partisyon - apan dili kaayo. Duha ka bag-ong concentric waves (2) karon mokaylap sa pikas bahin sa partition gikan sa duha ka slots. Sila gipatong sa usag usa, o, ingon sa atong giingon, manghilabot sa usag usa, nga naghimo sa usa ka kinaiya nga sumbanan sa ibabaw. Sa mga dapit diin ang taluktok sa usa ka balud nagtagbo sa tumoy sa lain, ang pagbul-og sa tubig mokusog, ug diin ang haw-ang nagtagbo sa walog, ang depresyon molawom.

2. Interference sa mga balud nga migawas gikan sa duha ka slots.

Sa eksperimento ni Young, ang usa ka kolor nga kahayag nga gipagawas gikan sa usa ka punto nga tinubdan moagi sa usa ka opaque diaphragm nga adunay duha ka slits ug moigo sa screen sa likod niini (karon mas gusto namong gamiton ang laser light ug CCD). Ang usa ka interference nga imahe sa usa ka light wave makita sa screen sa porma sa usa ka serye sa mga alternating light ug dark stripes (3). Kini nga resulta nagpalig-on sa pagtuo nga ang kahayag usa ka balud, sa wala pa ang mga nadiskobrehan sa sayong bahin sa XNUMX nagpakita nga ang kahayag usa usab ka balud. flux sa photon mao ang gaan nga mga partikulo nga walay rest mass. Sa ulahi kini nahimo nga ang misteryoso wave-particle dualityunang nadiskobrehan alang sa kahayag magamit usab sa ubang mga partikulo nga gitugahan sa masa. Kini sa wala madugay nahimong basehan alang sa usa ka bag-ong quantum mechanical nga paghulagway sa kalibutan.

3. Panan-awon sa eksperimento ni Young

Ang mga partikulo usab makabalda

Niadtong 1961, si Klaus Jonsson gikan sa Unibersidad sa Tübingen nagpakita sa pagpanghilabot sa dagkong mga partikulo - mga electron gamit ang electron microscope. Napulo ka tuig ang milabay, tulo ka Italyano nga mga pisiko gikan sa Unibersidad sa Bologna ang naghimo sa susamang eksperimento sa usa ka electron interference (gamit ang gitawag nga biprism imbes nga double slit). Gipakunhod nila ang intensity sa electron beam ngadto sa usa ka ubos nga bili nga ang mga electron miagi sa biprism sa usag usa, sa usag usa. Kini nga mga electron narehistro sa usa ka fluorescent screen.

Sa sinugdan, ang mga agianan sa elektron random nga giapod-apod sa ibabaw sa screen, apan sa paglabay sa panahon sila nagporma og usa ka lahi nga interference nga hulagway sa interference fringes. Morag imposible nga ang duha ka electron nga moagi sa mga slits nga sunodsunod sa lain-laing mga panahon mahimong makabalda sa usag usa. Busa, kinahanglan natong ilhon kana ang usa ka electron makabalda sa iyang kaugalingon! Apan unya ang electron kinahanglang moagi sa duha ka slits sa samang higayon.

Mahimong makatintal ang pagtan-aw sa lungag diin ang electron aktuwal nga miagi. Sa ulahi atong tan-awon kung giunsa paghimo ang ingon nga obserbasyon nga dili makabalda sa paglihok sa electron. Kini nahimo nga kung makakuha kita og kasayuran bahin sa nadawat sa electron, nan ang pagpanghilabot ... mawala! Ang "unsaon" nga impormasyon makaguba sa pagpanghilabot. Nagpasabot ba kini nga ang presensya sa usa ka mahunahunaon nga tigpaniid makaimpluwensya sa dagan sa pisikal nga proseso?

Sa dili pa maghisgot mahitungod sa mas makapakurat nga mga resulta sa double-slit nga mga eksperimento, maghimo ko og gamay nga digression mahitungod sa mga gidak-on sa mga butang nga makabalda. Ang quantum interference sa mass objects nadiskobrehan una para sa mga electron, unya sa mga partikulo nga nagkadaghang masa: neutrons, protons, atoms, ug sa kataposan para sa dagkong kemikal nga molekula.

Sa 2011, ang rekord alang sa gidak-on sa usa ka butang nabuak, diin ang panghitabo sa quantum interference gipakita. Ang eksperimento gihimo sa Unibersidad sa Vienna sa usa ka estudyante sa doktor sa panahon. Sandra Eibenberger ug sa iyang mga kauban. Usa ka komplikado nga organikong molekula nga adunay mga 5 ka proton, 5 ka libo nga mga neutron ug 5 ka libo nga mga electron ang gipili alang sa eksperimento nga adunay duha ka mga break! Sa usa ka komplikado kaayo nga eksperimento, ang quantum interference niining dako nga molekula naobserbahan.

Kini nagpamatuod sa pagtuo nga Ang mga balaod sa quantum mechanics nagsunod dili lamang sa elementarya nga mga partikulo, apan usab sa matag materyal nga butang. Lamang nga ang mas komplikado nga butang, mas kini nakig-uban sa kalikopan, nga naglapas sa iyang maliputon nga quantum nga mga kabtangan ug makaguba sa mga epekto sa pagpanghilabot..

Quantum entanglement ug polarization sa kahayag

Ang labing makapakurat nga mga resulta sa double-slit nga mga eksperimento naggikan sa paggamit sa usa ka espesyal nga paagi sa pagsubay sa photon, nga wala makabalda sa paglihok niini sa bisan unsang paagi. Kini nga pamaagi naggamit sa usa sa labing katingad-an nga quantum phenomena, ang gitawag quantum entanglement. Kini nga panghitabo namatikdan balik sa 30s sa usa sa mga nag-unang tiglalang sa quantum mechanics, Erwin Schrödinger.

Ang maduhaduhaon nga Einstein (tan-awa usab ang 🙂 nagtawag kanila nga multo nga aksyon sa layo. Apan, tunga sa siglo ang milabay ang kamahinungdanon niini nga epekto naamgohan, ug karon kini nahimong usa ka hilisgutan sa espesyal nga interes sa mga pisiko.

Mahitungod sa unsa kini nga epekto? Kung ang duha ka mga partikulo nga duol sa usag usa sa usa ka punto sa panahon nakig-interact kaayo sa usag usa nga sila nahimong usa ka matang sa "kaluha nga relasyon", nan ang relasyon magpadayon bisan kung ang mga partikulo gatosan ka kilometro ang gilay-on. Dayon ang mga partikulo molihok isip usa ka sistema. Nagpasabot kini nga kung maghimo kita og aksyon sa usa ka partikulo, makaapekto dayon kini sa laing partikulo. Bisan pa, niining paagiha dili kami makapadala sa kasayuran sa layo.

Ang photon usa ka partikulo nga walay masa - usa ka elementarya nga bahin sa kahayag, nga usa ka electromagnetic wave. Human sa pag-agi sa usa ka plato sa katumbas nga kristal (gitawag nga polarizer), ang kahayag mahimong linearly polarized, i.e. ang vector sa electric field sa usa ka electromagnetic wave nag-oscillate sa usa ka eroplano. Sa baylo, pinaagi sa pagpasa sa linearly polarized nga kahayag pinaagi sa usa ka plato sa usa ka piho nga gibag-on gikan sa lain nga partikular nga kristal (ang gitawag nga quarter-wave plate), kini mahimong makabig ngadto sa circularly polarized nga kahayag, diin ang electric field vector nagalihok sa usa ka helical ( clockwise o counterclockwise) lihok subay sa direksyon sa wave propagation. Busa, ang usa mahimong maghisgot sa linearly o circularly polarized photon.

Mga eksperimento gamit ang mga nalambigit nga mga photon

4a. Ang usa ka non-linear nga BBO nga kristal nag-convert sa usa ka photon nga gibuga sa usa ka argon laser ngadto sa duha ka nalambigit nga mga photon nga adunay katunga sa enerhiya ug mutually perpendicular polarization. Kini nga mga photon nagkatag sa lain-laing direksyon ug narehistro sa mga detector D1 ug D2, konektado sa usa ka coincidence counter LK. Usa ka diaphragm nga adunay duha ka slits ang gibutang sa agianan sa usa sa mga photon. Kung ang duha ka detector magparehistro sa halos dungan nga pag-abot sa duha ka mga photon, ang signal gitipigan sa panumduman sa device, ug ang detector D2 mga lakang nga susama sa mga slits. Ang gidaghanon sa mga photon depende sa posisyon sa detector D2, sa ingon natala, gipakita sa kahon, nga nagpakita sa maxima ug minima, nga nagpakita sa interference.

Niadtong 2001, usa ka grupo sa mga Brazilian physicist sa Belo Horizonte ang nagpasundayag ubos sa paggiya sa Stephen Walborn talagsaon nga eksperimento. Gigamit sa mga tagsulat niini ang mga kabtangan sa usa ka espesyal nga kristal (gipamubo nga BBO), nga nag-convert sa usa ka bahin sa mga photon nga gipagawas sa usa ka argon laser ngadto sa duha ka mga photon nga adunay katunga sa enerhiya. Kining duha ka mga photon nalambigit sa usag usa; kung ang usa kanila adunay, pananglitan, pinahigda nga polarisasyon, ang lain adunay bertikal nga polarisasyon. Kini nga mga photon naglihok sa duha ka lainlaing direksyon ug nagdula sa lainlaing mga tahas sa gihulagway nga eksperimento.

Usa sa mga photon nga atong nganlan pagpugong, direkta nga moadto sa photon detector D1 (4a). Girehistro sa detector ang pag-abot niini pinaagi sa pagpadala og electrical signal ngadto sa device nga gitawag og hit counter. LK Usa ka eksperimento sa interference ang himuon sa ikaduhang photon; tawgon nato siya signal nga photon. Adunay usa ka double slit sa agianan niini, gisundan sa usa ka ikaduha nga photon detector, D2, gamay nga layo sa tinubdan sa photon kay sa detector D1. Kini nga detector mahimong molukso libot sa dual slot sa matag higayon nga kini makadawat sa tukma nga signal gikan sa hit counter. Kung ang detector D1 nagrehistro sa usa ka photon, nagpadala kini og signal sa coincidence counter. Kung sa usa ka gutlo ang detector D2 usab nagparehistro sa usa ka photon ug nagpadala ug usa ka signal sa metro, nan kini makaila nga kini gikan sa entangled photon, ug kini nga kamatuoran gitipigan sa panumduman sa device. Kini nga pamaagi wala maglakip sa pagrehistro sa mga random nga photon nga mosulod sa detector.

Ang mga nalambigit nga mga photon nagpadayon sulod sa 400 ka segundo. Human niini nga panahon, ang detector D2 gipapahawa sa 1 mm kalabot sa posisyon sa mga slits, ug ang pag-ihap sa mga entangled photon nagkinahanglan og laing 400 segundos. Unya ang detector gipalihok pag-usab sa 1 mm ug ang pamaagi gisubli sa daghang mga higayon. Kini nahimo nga ang pag-apod-apod sa gidaghanon sa mga photon nga natala sa niini nga paagi depende sa posisyon sa detector D2 adunay kinaiya nga maxima ug minimum nga katumbas sa kahayag ug ngitngit ug interference fringes sa eksperimento ni Young (4a).

Atong nasayran pag-usab kana Ang mga single photon nga moagi sa double slit makabalda sa usag usa.

Sa unsang paagi?

Ang sunod nga lakang sa eksperimento mao ang pagtino sa lungag diin ang usa ka partikular nga photon miagi nga wala makabalda sa paglihok niini. Mga kabtangan nga gigamit dinhi quarter wave plate. Ang usa ka quarter-wave plate gibutang sa atubangan sa matag slit, usa niini nagbag-o sa linear polarization sa insidente nga photon ngadto sa circular clockwise, ug ang usa ngadto sa left-hand circular polarization (4b). Gipamatud-an nga ang matang sa photon polarization wala makaapekto sa gidaghanon sa mga photon nga giihap. Karon, pinaagi sa pagtino sa rotation sa polarization sa usa ka photon human kini moagi sa mga slits, kini mao ang posible nga sa pagpakita pinaagi sa diin kanila ang photon milabay. Ang pagkahibalo "sa asa nga direksyon" makaguba sa pagpanghilabot.

4b. Pinaagi sa pagbutang og quarter-wave plates (shaded rectangles) atubangan sa mga slits, "unsa nga paagi" nga impormasyon makuha ug ang interference image mawala.

4c. Ang pagbutang sa usa ka tukma nga oriented nga polarizer P sa atubangan sa detector D1 mapapas ang "unsa nga paagi" nga impormasyon ug ibalik ang interference.

Sa tinuud, human sa husto nga pagbutang sa quarter-wave plates atubangan sa mga slits, ang naobserbahan kaniadto nga pag-apod-apod sa mga ihap, nga nagpaila sa pagpanghilabot, mawala. Ang labing katingad-an nga butang mao nga kini mahitabo nga wala ang pag-apil sa usa ka mahunahunaon nga tigpaniid nga makahimo sa angay nga mga pagsukod! Ang pagbutang lamang sa quarter-wave nga mga plato nagpatunghag epekto sa pagkansela sa interference.. Busa giunsa pagkahibalo sa photon nga human sa pagsal-ot sa mga palid, atong matino ang gintang diin kini miagi?

Bisan pa, dili kini ang katapusan sa katingad-an. Karon mahimo namong ibalik ang signal photon interference nga dili direktang makaapekto niini. Aron mahimo kini, sa agianan sa kontrol nga photon nga makaabot sa detector D1, ibutang ang usa ka polarizer sa paagi nga kini nagpadala sa kahayag nga adunay polarization nga usa ka kombinasyon sa mga polarization sa duha ka nalambigit nga mga photon (4c). Gibag-o dayon niini ang polarity sa signal photon sumala niana. Karon dili na posible nga mahibal-an nga sigurado kung unsa ang polarization sa usa ka insidente sa photon sa mga slits, ug kung diin gipasa ang slit sa photon. Sa kini nga kaso, ang pagpanghilabot gipahiuli!

Papasa ang nalangan nga impormasyon sa pagpili

Ang mga eksperimento nga gihulagway sa ibabaw gihimo sa paagi nga ang control photon narehistro sa detector D1 sa wala pa ang signal photon nakaabot sa detector D2. Ang pagpapas sa "unsa nga paagi" nga impormasyon gihimo pinaagi sa pagbag-o sa polarization sa control photon sa wala pa ang signal photon nakaabot sa detector D2. Unya mahanduraw sa usa nga ang nagkontrol nga photon nagsulti na sa iyang "kaluha" kung unsa ang sunod nga buhaton: mangilabot o dili.

Karon atong usbon ang eksperimento sa paagi nga ang control photon moigo sa detector D1 human ang signal photon marehistro sa detector D2. Aron mahimo kini, ipalayo ang detector D1 gikan sa tinubdan sa photon. Ang pattern sa interference sama ra sa una. Karon ibutang nato ang quarter-wave plates atubangan sa mga slits aron mahibal-an kung asa nga dalan ang gikuha sa photon. Nawala ang pattern sa interference. Sunod, atong papason ang "unsa nga paagi" nga impormasyon pinaagi sa pagbutang sa usa ka tukma nga gipunting nga polarizer sa atubangan sa detector D1. Ang interference pattern makita pag-usab! Apan ang pagpapas gihimo human ang signal photon narehistro sa detector D2. Sa unsang paagi kini posible? Kinahanglang mahibalo ang photon sa pagbag-o sa polarity sa dili pa makaabot niini ang bisan unsang impormasyon bahin niini.

5. Mga eksperimento gamit ang laser beam.

Ang natural nga pagkasunodsunod sa mga panghitabo gibaliktad dinhi; ang epekto nag-una sa hinungdan! Kini nga resulta nagpahuyang sa prinsipyo sa causality sa reyalidad sa atong palibot. O tingali dili igsapayan ang oras kung bahin sa mga partikulo nga nasamdan? Ang quantum entanglement naglapas sa prinsipyo sa lokalidad sa klasikal nga pisika, sumala sa diin ang usa ka butang maapektuhan lamang sa iyang diha-diha nga palibot.

Sukad sa eksperimento sa Brazil, daghang susama nga mga eksperimento ang gihimo, nga hingpit nga nagpamatuod sa mga resulta nga gipresentar dinhi. Sa katapusan, gusto sa magbabasa nga klaro nga ipatin-aw ang misteryo niining wala damha nga panghitabo. Ikasubo, dili kini mahimo. Ang lohika sa quantum mechanics lahi sa lohika sa kalibutan nga atong makita kada adlaw. Kinahanglan nga mapaubsanon natong dawaton kini ug magmaya sa kamatuoran nga ang mga balaod sa quantum mechanics tukma nga naghulagway sa mga panghitabo sa microcosm, nga mapuslanon nga gigamit sa mas abante nga teknikal nga mga himan.