Дар маркази механикаи квантй

Ричард Фейнман, яке аз бузургтарин физикҳои асри XNUMX, изҳор дошт, ки калиди дарки механикаи квантӣ "таҷрибаи дукарата" аст. Ин таҷрибаи соддаи консептуалӣ, ки имрӯз гузаронида шуд, бозёфтҳои аҷиберо идома медиҳад. Онҳо нишон медиҳанд, ки то чӣ андоза бо ақли солим номувофиқ аст механикаи квантӣ, ки дар ниҳоят ба муҳимтарин ихтирооти панҷоҳ соли охир оварда расонд.

Бори аввал тачрибан ду-руст гузаронд. Томас Янг (1) дар Англия дар ибтидои асри нуздаҳум.

Таҷрибаи ҷавон

Таҷриба барои нишон додани он истифода шуд, ки рӯшноӣ, чунон ки қаблан гуфта шуда буд, хусусияти мавҷӣ дорад, на хусусияти корпускулярӣ. Исҳоқ Нютон. Ҷавон танҳо нишон дод, ки нур итоат мекунад дахолат - падидае, ки хоси бештарин аст (вобаста аз намуди мавч ва мухити пахншавии он). Имрӯз механикаи квантӣ ин ду нуқтаи назари аз ҷиҳати мантиқӣ ба ҳам мухолифро оштӣ медиҳад.

Мохияти тачрибаи ду-рустро ба хотир меоварем. Ман аз руи одат мавчи руи обро дар назар дорам, ки ба таври концентрй дар атрофи чое, ки сангреза партофта шудааст, пахн мешавад. 

Мавҷ аз қабатҳои пай дар пай ва ҷӯйборҳое ба вуҷуд меояд, ки аз нуқтаи халалдоршаванда масофаи доимиро нигоҳ медорад, ки онро дарозии мавҷ меноманд. Дар рохи мавч монеа гузоштан мумкин аст, масалан, дар шакли тахтае, ки бо ду ковоки танг бурида шудааст, ки аз он об озодона мегузарад. Сангро ба об партофта, мавҷ дар қисмат қатъ мешавад - аммо на он қадар. Ду мавҷи нави консентрикӣ (2) ҳоло аз ҳарду слот ба тарафи дигари бахш паҳн мешаванд. Онхо дар болои хамдигар гузошта шудаанд, ё чунон ки мо мегуем, ба хамдигар халал расонда, дар руи замин як шакли характернок ба вучуд меоваранд. Дар чойхое, ки куллаи як мавч ба болои мавчи дигар вомехурад, обхезй пурзур мешавад ва дар он чое, ки кох ба водй вомехурад, пастй чукуртар мешавад.

2. Интерференсияи мављњое, ки аз ду љой мебароянд.

Дар таҷрибаи Янг, нури якранг, ки аз як манбаи нуқта мебарояд, аз диафрагмаи ношаффоф бо ду сӯрох мегузарад ва ба экрани паси онҳо меафтад (имрӯз мо истифодаи нури лазерӣ ва CCD-ро афзалтар медонем). Тасвири интерференсияи мавҷи рӯшноӣ дар экран дар шакли як қатор рахҳои рӯшноӣ ва торикии ивазшаванда мушоҳида мешавад (3). Ин натиҷа эътиқодро дар бораи мавҷ будани рӯшноӣ тақвият дод, пеш аз он ки кашфиётҳо дар авоили солҳои XNUMX нишон доданд, ки рӯшноӣ низ мавҷ аст. ҷараёни фотон заррачахои сабук мебошанд, ки массаи ором надоранд. Баъдтар маълум шуд, ки пурасрор дуализми мавҷи зарраҳобори аввал барои рӯшноӣ кашфшуда ба дигар зарраҳои дорои масса низ дахл дорад. Он дере нагузашта асоси тавсифи нави механикии квантии чахон гардид.

3. Намоиши таҷрибаи Янг

Зарраҳо низ халал мерасонанд

Соли 1961 Клаус Ҷонссон аз Донишгоҳи Тюбинген интерференсияи заррачаҳои азим – электронҳоро тавассути микроскопи электронӣ нишон дод. Пас аз XNUMX сол, се физики итолиёвӣ аз Донишгоҳи Болония бо чунин таҷриба анҷом доданд интерференсияи як-электронӣ (бо истифода аз бипризм ба ном ба ҷои сӯрохии дукарата). Онхо интенсивии шуои электронхоро ба дарачае паст карданд, ки электронхо яке аз паси дигар, аз бипризм гузаштанд. Ин электронҳо дар экрани флуоресцентӣ сабт карда шуданд.

Дар аввал, пайраҳаҳои электронӣ дар экран ба таври тасодуфӣ тақсим карда мешуданд, аммо бо мурури замон онҳо тасвири мушаххаси интерференсияи канораҳои интерференсияро ба вуҷуд оварданд. Ба назар имконнопазир аст, ки ду электроне, ки дар вақтҳои гуногун аз сӯрохиҳо пай дар пай мегузаранд, метавонанд ба ҳамдигар халал расонанд. Бинобар ин мо бояд инро эътироф кунем як электрон ба худ халал мерасонад! Аммо он гоҳ электрон бояд дар як вақт аз ҳарду сӯрохиҳо гузарад.

Мумкин аст назар кардан ба сӯрохе, ки электрон воқеан аз он гузаштааст, ҷолиб бошад. Баъдтар мо мебинем, ки чӣ гуна чунин мушоҳидаро бидуни халалдор кардани ҳаракати электрон анҷом додан мумкин аст. Маълум мешавад, ки агар мо дар бораи он чизе, ки электрон кабул кардааст, маълумот гирем, он гох интерференция... аз байн меравад! Маълумоти "чӣ гуна" дахолатро нест мекунад. Оё ин чунин маъно дорад, ки ҳузури мушоҳиди бошуур ба ҷараёни ҷараёни физикӣ таъсир мерасонад?

Пеш аз он ки дар бораи натичахои боз хам тааччубовартарини тачрибахои дукарата сухан ронам, ман дар бораи андозахои объектхои интерферен-циявй як дисми хурд хохам кард. Дахолати квантии объектхои масса аввал барои электронхо, баъд барои заррачахои массаашон зиёдшаванда: нейтронхо, протонхо, атомхо ва дар охир барои молекулахои калони химиявй кашф карда шуд.

Соли 2011 рекорди андозаи объект шикаста шуд, ки дар он падидаи интерференсияи квантӣ нишон дода шуд. Таҷрибаро дар Донишгоҳи Вена як докторанти он вақт гузаронида буд. Сандра Эйбенбергер ва шариконаш. Барои озмоиш як молекулаи мураккаби органикии дорои тақрибан 5 протон, 5 ҳазор нейтрон ва 5 ҳазор электрон бо ду танаффус интихоб карда шуд! Дар озмоиши хеле мураккаб интерференцияи квантии ин молекулаи азим мушохида карда шуд.

Ин бовариро тасдик намуд Қонунҳои механикаи квантӣ на танҳо ба зарраҳои элементарӣ, балки ба ҳар як объекти моддӣ низ итоат мекунанд. Факат дар он аст, ки объект хар кадар мураккабтар бошад, вай бо мухит хамон кадар бештар алока дорад, ки хосиятхои нозуки квантии онро вайрон карда, таъсири интерференцияро вайрон мекунад..

Гирифтани квантӣ ва поляризатсияи рӯшноӣ

Натичахои ачоибтарини тачрибахои ду-рахшонй дар натичаи истифодаи усули махсуси пайгирии фотон, ки ба харакати он ба хеч вачх халал намерасонд, ба даст омад. Ин усул яке аз аҷибтарин падидаҳои квантиро, ки ном дорад, истифода мебарад печиши квантӣ. Ин падидаро ҳанӯз дар солҳои 30-ум яке аз созандагони асосии механикаи квантӣ мушоҳида карда буд. Эрвин Шредингер.

Эйнштейни шаккок (инчунин ниг. 🙂 онҳоро амали арвоҳӣ дар масофа номид. Аммо, танҳо пас аз ним аср аҳамияти ин таъсир дарк шуд ва имрӯз он мавзӯъи таваҷҷӯҳи махсуси физикҳо шудааст.

Ин таъсир дар бораи чӣ аст? Агар ду заррае, ки дар ягон ваќт ба њам наздиканд, бо њамдигар чунон сахт амал кунанд, ки як навъ «муносибати дугона»-ро ба вуљуд оваранд, он гоњ муносибат њатто ваќте ки заррањо аз њам садњо километр дур бошанд њам, боќї мемонад. Он гоҳ зарраҳо ҳамчун як системаи ягона рафтор мекунанд. Ин маънои онро дорад, ки вақте ки мо амалеро ба як зарра иҷро мекунем, он фавран ба зарраҳои дигар таъсир мерасонад. Аммо, бо ин роҳ мо наметавонем маълумотро ба масофа беохир интиқол диҳем.

Фотон заррачаи бемасса - қисми элементарии рӯшноӣ мебошад, ки мавҷи электромагнитӣ мебошад. Пас аз гузаштан аз лавҳаи кристалли мувофиқ (поляризатор номида мешавад) рӯшноӣ ба таври хаттӣ поляризатсия мешавад, яъне. вектори майдони электрикии мавҷи электромагнитӣ дар як ҳамвории муайян меларзад. Дар навбати худ, тавассути гузариши нури хаттии қутбӣ аз як кристали ғафсии муайян аз дигар кристалл (ба истилоҳ лавҳаи чорякмавҷӣ) онро ба нури қутббандии даврашакл табдил додан мумкин аст, ки дар он вектори майдони электрикӣ дар шакли спирал ҳаракат мекунад ( ба самти ақрабаки соат ё муқобили ақрабаки соат) ҳаракат дар баробари самти паҳншавии мавҷ. Мувофиқи он, метавон дар бораи фотонҳои қутббандии хаттӣ ё даврашакл сухан ронем.

Таҷрибаҳо бо фотонҳои печида

4а. Кристали ғайрихаттӣ BBO фотони аз лазери аргон баровардашударо ба ду фотон печида бо нисфи энергия ва поляризатсияи мутақобилан перпендикуляр табдил медиҳад. Ин фотонхо ба самтхои гуногун пароканда шуда, ба воситаи детекторхои Д1 ва Д2 ба кайд гирифта мешаванд, ки ба воситаи хисобкунаки тасодуфии ЛК пайваст карда шудаанд.Дар рохи яке аз фотонхо диафрагма бо ду рахна гузошта шудааст. Вақте ки ҳарду детектор қариб дар як вақт расидани ҳарду фотонро қайд мекунанд, сигнал дар хотираи дастгоҳ нигоҳ дошта мешавад ва детектори D2 ба сӯрохиҳо параллел қадам мезанад. Миқдори фотонҳо вобаста ба мавқеъи детектори D2, ки ҳамин тавр сабт шудааст, дар қуттӣ нишон дода мешавад, ки ҳадди аксар ва минимумҳоро нишон медиҳад, ки интерференсияро нишон медиҳад.

Соли 2001 як гурӯҳи физикҳои Бразилия дар Белу-Оризонти таҳти роҳбарии Стивен Уолбурн таҷрибаи ғайриоддӣ. Муаллифони он хосиятхои кристалли махсусро (бо номи ББО мухтасар) истифода бурданд, ки як кисми муайяни фотонхои аз лазери аргон баровардашударо ба ду фотон бо нисфи энергия табдил медихад. Ин ду фотон бо хам печидаанд; вақте ки яке аз онҳо, масалан, поляризатсияи уфуқӣ дорад, дигаре поляризатсияи амудӣ дорад. Ин фотонҳо дар ду самти гуногун ҳаракат мекунанд ва дар таҷрибаи тавсифшуда нақшҳои гуногун мебозанд.

Яке аз фотонҳое, ки мо номбар карданӣ ҳастем назорат, бевосита ба детектори фотон D1 (4а) меравад. Детектор омадани худро тавассути фиристодани сигнали электрикӣ ба дастгоҳе, ки ҳисобкунаки хит номида мешавад, сабт мекунад. LK Тачрибаи интерференция дар фотон дуйум гузаронда мешавад; ба ӯ занг мезанем фотони сигнал. Дар роҳи он сӯрохии дукарата мавҷуд аст, ки пас аз он як детектори дуюми фотон, D2, каме дуртар аз манбаи фотон нисбат ба детектори D1 ҷойгир аст. Ин детектор ҳар дафъае, ки сигнали мувофиқро аз ҳисобкунаки хит қабул мекунад, метавонад дар атрофи слот гузарад. Вақте ки детектор D1 фотонро сабт мекунад, он ба ҳисобкунаки тасодуф сигнал мефиристад. Агар дар лахзае детектори Д2 фотонро хам ба кайд гирифта, ба метр сигнал фиристад, пас вай эътироф мекунад, ки он аз фотонхои печида баромадааст ва ин факт дар хотираи аппарат махфуз мемонад. Ин тартиб сабти фотонҳои тасодуфиро, ки ба детектор ворид мешаванд, истисно мекунад.

Фотонҳои ба ҳам печида 400 сония боқӣ мемонанд. Пас аз ин ваќт детектори D2 нисбат ба мавќеи рахнањо 1 мм љойгир мешавад ва њисобкунии фотонњои печидашуда 400 сонияи дигарро мегирад. Баъдан детекторро боз 1 мм кӯчонда, тартибро чандин маротиба такрор мекунанд. Маълум мешавад, ки таксимоти микдори фотонхои бо ин тарз сабтшуда вобаста ба мавкеи детектори D2 максимум ва минимуми характеристика дорад, ки ба равшаниву тира ва канорхои интерференция дар тачрибаи Янг (4а) мувофиканд.

Мо боз дарк мекунем фотонхои ягонае, ки аз тарики дукарата мегузаранд, ба хамдигар халал мерасонанд.

Чӣ тавр?

Қадами навбатии таҷриба муайян кардани сӯрохие буд, ки фотон аз он бе халалдор кардани ҳаракати он мегузарад. Хусусиятҳое, ки дар ин ҷо истифода мешаванд лавҳаи мавҷи чоряк. Дар пеши ҳар як сӯрох як лавҳаи чорякмавҷӣ гузошта шуда буд, ки яке поляризатсияи хаттии фотони афтидаро ба ақрабаки соат ба даврашакл ва дигаре ба қутбизатсияи давравии дасти чап тағйир дод (4б). Санҷида шуд, ки намуди поляризатсияи фотон ба шумораи фотонҳои ҳисобшуда таъсир намерасонад. Акнун бо муайян кардани гардиши поляризатсияи фотон пас аз гузаштани он аз рахнахо, нишон додан мумкин аст, ки фотон аз кадоме аз онхо гузаштааст. Донистани "ба кадом самт" дахолатро нест мекунад.

4б. Бо гузоштани лавҳаҳои чорякмавҷӣ (росткунҷаҳои сояафкан) дар назди сӯрохҳо, иттилооти "кадом роҳ" ба даст оварда мешавад ва тасвири интерференсия нест мешавад.

4в. Ҷойгир кардани поляризатори мувофиқи P дар назди детектори D1 маълумоти "кадом роҳ"-ро нест мекунад ва дахолатро барқарор мекунад.

Дар хакикат. баъди дуруст чо ба чо гузоштани пластинкахои чоряк-мавч дар назди раххо таксимоти пештар мушохидашудаи хисобхо, ки аз интерференция гувохй медихад, аз байн меравад. Ачибтарин чиз дар он аст, ки ин бе иштироки мушохидаи бошууре сурат мегирад, ки ченакхои мувофикро анчом дода метавонад! Танҳо ҷойгиркунии плитаҳои чоряки мавҷӣ таъсири бекоркунии интерференсияро ба вуҷуд меорад.. Пас, аз куҷо фотон медонад, ки пас аз гузоштани плитаҳо мо метавонем фосилаеро, ки аз он гузаштааст, муайян кунем?

Бо вуҷуди ин, ин охири аҷиб нест. Акнун мо метавонем дахолати фотон сигналро бидуни таъсир ба он барқарор кунем. Барои ин дар роҳи фотони идоракунанда, ки ба детектори D1 мерасад, поляризаторро тавре ҷойгир кунед, ки он нурро бо қутбизатсия интиқол диҳад, ки маҷмӯи қутбшавии ҳарду фотонҳои печида (4c) мебошад. Ин дарҳол қутбияти фотони сигналро мутаносибан тағир медиҳад. Акнун дигар бо итминон муайян кардан мумкин нест, ки поляризатсияи ҳодисаи фотон дар сӯрохиҳо чист ва фотон аз кадом сӯрох гузашт. Дар ин ҳолат, дахолат барқарор карда мешавад!

Маълумоти таъхиршудаи интихобиро нест кунед

Тачрибахое, ки дар боло тавсиф карда шудаанд, тавре гузаронида шуданд, ки фотони идоракуниро детектори D1 пеш аз расидани фотони сигнал ба детектори D2 ба кайд гирифт. Тозакунии иттилооти "кадом роҳ" тавассути тағир додани поляризатсияи фотони идоракунӣ пеш аз расидани фотони сигнал ба детектори D2 анҷом дода шуд. Он гоҳ метавон тасаввур кард, ки фотони назораткунанда аллакай ба "дугоник"-и худ гуфтааст, ки минбаъд чӣ бояд кард: дахолат кардан ё не.

Ҳоло мо таҷрибаро тавре тағир медиҳем, ки фотони идоракунӣ ба детектори D1 пас аз ба қайд гирифта шудани фотони сигнал дар детектори D2 бархӯрад. Барои ин, детектори D1-ро аз манбаи фотон дур кунед. Намунаи интерференсия мисли пештара ба назар мерасад. Акнун биёед плитахои чоряк-мавчиро дар назди порахо гузорем, то муайян кунем, ки фотон кадом рохро пеш гирифтааст. Намунаи интерференсия аз байн меравад. Минбаъд, биёед бо гузоштани поляризатори мувофиқ дар назди детектори D1 маълумоти "кадом роҳ"-ро тоза кунем. Намунаи дахолат боз пайдо мешавад! Аммо несткунӣ пас аз ба қайд гирифта шудани фотони сигнал аз ҷониби детектори D2 анҷом дода шуд. Ин чӣ гуна имконпазир аст? Пеш аз он ки ягон маълумот дар бораи он дастрас шавад, фотон бояд аз тағирёбии қутб огоҳ мешуд.

5. Таҷрибаҳо бо шуои лазерӣ.

Дар ин ҷо пайдарпайии табиии рӯйдодҳо баръакс аст; таъсир пеш аз сабаб! Ин натиҷа принсипи сабабиятро дар воқеияти атрофамон вайрон мекунад. Ё шояд вақте ки сухан дар бораи зарраҳои печида меравад, вақт аҳамият надорад? Гирифтани квантӣ принсипи маҳаллиро дар физикаи классикӣ вайрон мекунад, ки мувофиқи он ба объект танҳо муҳити бевоситаи он таъсир расонида метавонад.

Аз тачрибаи Бразилия бисьёр тачрибахои ба ин монанд гузаронда шуданд, ки натичахои дар ин чо овардашударо пурра тасдик мекунанд. Дар охир хонанда мехохад асрори ин ходисахои гайричашмдоштро равшан шарх дихад. Мутаассифона, ин корро кардан мумкин нест. Мантиқи механикаи квантӣ аз мантиқи ҷаҳоне, ки мо ҳар рӯз мебинем, фарқ мекунад. Мо бояд инро хоксорона кабул кунем ва аз он шод шавем, ки конунхои механикаи квантй ходисахои дар микрокосм ба амал омадаро, ки дар асбобхои техникии торафт мукаммалтар истифода бурда мешаванд, дуруст тасвир мекунанд.