در قلب مکانیک کوانتومی

ریچارد فاینمن، یکی از بزرگترین فیزیکدانان قرن بیستم، استدلال کرد که کلید درک مکانیک کوانتومی "آزمایش شکاف دوگانه" است. این آزمایش مفهومی ساده که امروزه انجام می شود، همچنان به کشفیات شگفت انگیزی ادامه می دهد. آنها نشان می دهند که مکانیک کوانتومی چقدر با عقل سلیم ناسازگار است، که در نهایت منجر به مهم ترین اختراعات پنجاه سال اخیر شد.

او برای اولین بار آزمایش دو شکافی را انجام داد. توماس یانگ (1) در انگلستان در اوایل قرن نوزدهم.

آزمایش یانگ

از این آزمایش برای نشان دادن اینکه نور ماهیت موجی دارد و همانطور که قبلا گفته شد ماهیت جسمی ندارد استفاده شد. اسحاق نیوتن. یانگ فقط نشان داد که نور اطاعت می کند مداخله - پدیده ای که بارزترین ویژگی است (صرف نظر از نوع موج و رسانه ای که در آن منتشر می شود). امروزه مکانیک کوانتومی این دو دیدگاه منطقی متناقض را با هم آشتی داده است.

اجازه دهید ماهیت آزمایش دو شکاف را به یاد بیاوریم. طبق معمول منظورم موجی روی سطح آب است که به صورت متحدالمرکز در اطراف محل پرتاب سنگریزه پخش می شود. 

یک موج توسط تاج ها و فرورفتگی های متوالی که از نقطه اغتشاش تابش می کنند، تشکیل می شود، در حالی که فاصله ثابتی بین تاج ها حفظ می شود که به آن طول موج می گویند. می توان یک مانع در مسیر موج قرار داد، به عنوان مثال، به شکل تخته ای با دو شکاف باریک که آب می تواند آزادانه از طریق آن بریده شود. با پرتاب یک سنگریزه به آب، موج روی پارتیشن متوقف می شود - اما نه کاملا. دو موج متحدالمرکز جدید (2) اکنون از هر دو شکاف به طرف دیگر پارتیشن منتشر می شوند. آنها بر روی یکدیگر قرار می گیرند، یا، همانطور که می گوییم، با یکدیگر تداخل می کنند و یک الگوی مشخص بر روی سطح ایجاد می کنند. در جاهایی که تاج یک موج با تاج موج دیگر برخورد می کند، برآمدگی آب تشدید می شود و جایی که گود با دره برخورد می کند، فرورفتگی عمیق می شود.

2. تداخل امواج پدید آمده از دو شکاف.

در آزمایش یانگ، نور تک رنگی که از یک منبع نقطه‌ای ساطع می‌شود، از یک دیافراگم مات با دو شکاف عبور می‌کند و به صفحه پشت آن‌ها برخورد می‌کند (امروز ما ترجیح می‌دهیم از نور لیزر و یک CCD استفاده کنیم). یک تصویر تداخلی از یک موج نور به شکل یک سری نوارهای روشن و تاریک متناوب روی صفحه مشاهده می شود (3). این نتیجه این باور را تقویت کرد که نور یک موج است، قبل از اکتشافات در اوایل دهه XNUMX نشان دهد که نور نیز یک موج است. شار فوتون ذرات سبکی هستند که جرم سکون ندارند. بعدها معلوم شد که مرموز دوگانگی موج - ذرهبرای اولین بار برای نور کشف شد، همچنین در مورد سایر ذرات دارای جرم نیز صدق می کند. به زودی مبنایی برای توصیف مکانیکی کوانتومی جدید از جهان شد.

3. چشم انداز آزمایش یانگ

ذرات نیز تداخل دارند

در سال 1961، کلاوس جانسون از دانشگاه توبینگن تداخل ذرات عظیم - الکترون ها را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی نشان داد. ده سال بعد، سه فیزیکدان ایتالیایی از دانشگاه بولونیا آزمایش مشابهی را با آنها انجام دادند تداخل تک الکترون (استفاده از به اصطلاح بایپریسم به جای شکاف دوتایی). آنها شدت پرتو الکترونی را به حدی کم کردند که الکترون ها یکی پس از دیگری و یکی پس از دیگری از بایپریسم عبور کردند. این الکترون ها روی صفحه فلورسنت ثبت شدند.

در ابتدا، دنباله های الکترون به طور تصادفی بر روی صفحه نمایش توزیع شدند، اما با گذشت زمان آنها یک تصویر تداخل متمایز از حاشیه های تداخل را تشکیل دادند. غیرممکن به نظر می رسد که دو الکترون که پشت سر هم در زمان های مختلف از شکاف ها عبور می کنند بتوانند با یکدیگر تداخل داشته باشند. بنابراین باید به آن اذعان کنیم یک الکترون با خودش تداخل دارد! اما در آن صورت الکترون باید همزمان از هر دو شکاف عبور کند.

ممکن است وسوسه انگیز باشد که به سوراخی که الکترون از آن عبور کرده است نگاه کنید. بعداً خواهیم دید که چگونه می توان چنین مشاهده ای را بدون ایجاد اختلال در حرکت الکترون انجام داد. معلوم می شود که اگر اطلاعاتی در مورد آنچه الکترون دریافت کرده است به دست آوریم، آنگاه تداخل ... ناپدید می شود! اطلاعات "چگونه" تداخل را از بین می برد. آیا این بدان معناست که حضور یک ناظر آگاه بر روند فرآیند فیزیکی تأثیر می گذارد؟

قبل از صحبت در مورد نتایج شگفت‌انگیزتر آزمایش‌های دو شکاف، من یک انحراف کوچک در مورد اندازه اجسام مداخله‌گر انجام می‌دهم. تداخل کوانتومی اجسام جرمی ابتدا برای الکترون ها، سپس برای ذرات با جرم فزاینده کشف شد: نوترون ها، پروتون ها، اتم ها، و در نهایت برای مولکول های شیمیایی بزرگ.

در سال 2011، رکورد اندازه یک جسم شکسته شد که در آن پدیده تداخل کوانتومی نشان داده شد. این آزمایش در دانشگاه وین توسط یک دانشجوی دکترای آن زمان انجام شد. ساندرا آیبنبرگر و همکارانش یک مولکول آلی پیچیده حاوی حدود 5 پروتون، 5 هزار نوترون و 5 هزار الکترون برای آزمایش با دو شکست انتخاب شد! در یک آزمایش بسیار پیچیده، تداخل کوانتومی این مولکول عظیم مشاهده شد.

این اعتقاد را تایید کرد که قوانین مکانیک کوانتومی نه تنها از ذرات بنیادی، بلکه از هر جسم مادی نیز تبعیت می کند. فقط این که هرچه شیء پیچیده تر باشد، بیشتر با محیط تعامل می کند، که ویژگی های کوانتومی ظریف آن را نقض می کند و اثرات تداخل را از بین می برد..

درهم تنیدگی کوانتومی و قطبش نور

شگفت‌انگیزترین نتایج آزمایش‌های دو شکاف از استفاده از روش خاصی برای ردیابی فوتون حاصل شد که به هیچ وجه حرکت آن را مختل نکرد. در این روش از یکی از عجیب ترین پدیده های کوانتومی به اصطلاح استفاده می شود درهمتنیدگی کوانتومی. این پدیده در دهه 30 توسط یکی از خالقان اصلی مکانیک کوانتومی مورد توجه قرار گرفت. اروین شرودینگر.

انیشتین شکاک (همچنین رجوع کنید به 🙂 آنها را عمل شبح‌آلود در فاصله‌ای دور خواند. با این حال، تنها نیم قرن بعد اهمیت این اثر درک شد و امروزه به موضوعی مورد توجه خاص فیزیکدانان تبدیل شده است.

این تاثیر در مورد چیست؟ اگر دو ذره که در نقطه‌ای از زمان به یکدیگر نزدیک هستند، چنان قوی با یکدیگر تعامل داشته باشند که نوعی «رابطه دوقلو» را تشکیل دهند، آنگاه این رابطه حتی زمانی که ذرات صدها کیلومتر از هم فاصله دارند، ادامه می‌یابد. سپس ذرات به عنوان یک سیستم واحد رفتار می کنند. این بدان معناست که وقتی ما یک عمل را روی یک ذره انجام می دهیم، بلافاصله بر ذره دیگر تأثیر می گذارد. با این حال، در این روش نمی‌توانیم اطلاعات را از راه دور به صورت بی‌زمان انتقال دهیم.

فوتون یک ذره بدون جرم است - بخش ابتدایی نور که یک موج الکترومغناطیسی است. نور پس از عبور از صفحه ای از کریستال مربوطه (به نام پلاریزه کننده) به صورت خطی قطبی می شود، یعنی. بردار میدان الکتریکی یک موج الکترومغناطیسی در یک صفحه معین در نوسان است. به نوبه خود، با عبور نور پلاریزه خطی از یک صفحه با ضخامت معین از یک کریستال خاص دیگر (به اصطلاح صفحه موج چهارم)، می توان آن را به نور قطبی دایره ای تبدیل کرد که در آن بردار میدان الکتریکی به صورت مارپیچ حرکت می کند. در جهت عقربه های ساعت یا پادساعتگرد) حرکت در جهت انتشار موج. بر این اساس، می توان از فوتون های قطبی شده خطی یا دایره ای صحبت کرد.

آزمایش با فوتون های درهم تنیده

4a. یک کریستال غیر خطی BBO فوتون گسیل شده توسط لیزر آرگون را به دو فوتون درهم تنیده با نیمی از انرژی و قطبش متقابل عمود تبدیل می کند. این فوتون ها در جهات مختلف پراکنده می شوند و توسط آشکارسازهای D1 و D2 ثبت می شوند که توسط یک شمارنده تصادفی LK به هم متصل می شوند.یک دیافراگم با دو شکاف در مسیر یکی از فوتون ها قرار می گیرد. هنگامی که هر دو آشکارساز ورود تقریباً همزمان هر دو فوتون را ثبت می کنند، سیگنال در حافظه دستگاه ذخیره می شود و آشکارساز D2 به موازات شکاف ها قدم می گذارد. تعداد فوتون ها بسته به موقعیت آشکارساز D2 که به این ترتیب ثبت می شود، در کادر نشان داده شده است که حداکثر و حداقل را نشان می دهد که نشان دهنده تداخل است.

در سال 2001، گروهی از فیزیکدانان برزیلی در بلو هوریزونته تحت هدایت استیون والبورن آزمایش غیر معمول نویسندگان آن از خواص یک کریستال خاص (به اختصار BBO) استفاده کردند که بخش خاصی از فوتون های ساطع شده توسط لیزر آرگون را به دو فوتون با نیمی از انرژی تبدیل می کند. این دو فوتون با یکدیگر در هم پیچیده اند. وقتی یکی از آنها مثلاً قطبش افقی دارد، دیگری قطبش عمودی دارد. این فوتون ها در دو جهت مختلف حرکت می کنند و نقش های متفاوتی را در آزمایش توصیف شده ایفا می کنند.

یکی از فوتون هایی که قرار است نام ببریم کنترل، مستقیماً به آشکارساز فوتون D1 (4a) می رود. آشکارساز ورود خود را با ارسال یک سیگنال الکتریکی به دستگاهی به نام شمارنده ضربه ثبت می کند. LK آزمایش تداخل روی فوتون دوم انجام خواهد شد. ما با او تماس خواهیم گرفت فوتون سیگنال. یک شکاف دوتایی در مسیر آن وجود دارد و به دنبال آن یک آشکارساز فوتون دوم، D2، کمی دورتر از منبع فوتون نسبت به آشکارساز D1 قرار دارد. این آشکارساز می تواند هر بار که سیگنال مناسبی را از شمارنده ضربه دریافت می کند، نسبت به شیار دوگانه پرش کند. هنگامی که آشکارساز D1 یک فوتون را ثبت می کند، سیگنالی را به شمارشگر تصادف می فرستد. اگر در یک لحظه آشکارساز D2 یک فوتون را نیز ثبت کند و سیگنالی را به متر بفرستد، آنگاه تشخیص می دهد که از فوتون های درهم تنیده شده است و این واقعیت در حافظه دستگاه ذخیره می شود. این روش ثبت فوتون های تصادفی وارد شده به آشکارساز را حذف می کند.

فوتون های درهم تنیده به مدت 400 ثانیه باقی می مانند. پس از این زمان، آشکارساز D2 با توجه به موقعیت شکاف ها 1 میلی متر جابجا می شود و شمارش فوتون های درهم تنیده 400 ثانیه دیگر طول می کشد. سپس آشکارساز دوباره 1 میلی متر جابجا می شود و این روش بارها تکرار می شود. به نظر می رسد که توزیع تعداد فوتون های ثبت شده به این ترتیب بسته به موقعیت آشکارساز D2 دارای ماکزیمم و مینیمم مشخصه مربوط به نور و تاریکی و حاشیه های تداخل در آزمایش یانگ است (4a).

ما دوباره متوجه می شویم که تک فوتون هایی که از شکاف دوگانه عبور می کنند با یکدیگر تداخل دارند.

چگونه؟

مرحله بعدی آزمایش تعیین حفره ای بود که یک فوتون خاص بدون ایجاد اختلال در حرکت آن از آن عبور می کرد. خواص استفاده شده در اینجا صفحه موج یک چهارم. یک صفحه موج چهارم در جلوی هر شکاف قرار داده شد که یکی از آنها قطبش خطی فوتون فرودی را در جهت عقربه های ساعت و دیگری را به قطبش دایره ای سمت چپ تغییر داد (4b). تأیید شد که نوع قطبش فوتون بر تعداد فوتون های شمارش شده تأثیری ندارد. حال با تعیین چرخش قطبش فوتون پس از عبور از شکاف ها، می توان مشخص کرد که فوتون از کدام یک از آنها عبور کرده است. دانستن "در کدام جهت" تداخل را از بین می برد.

4b. با قرار دادن صفحات موج یک چهارم (مستطیل های سایه دار) در مقابل شکاف ها می توان اطلاعات «کدام مسیر» را به دست آورد و تصویر تداخل از بین می رود.

4c. قرار دادن یک پلاریزر P با جهت گیری مناسب در مقابل آشکارساز D1 اطلاعات "به کدام سمت" را پاک می کند و تداخل را بازیابی می کند.

در واقع ، پس از قرار دادن صحیح صفحات موج چهارم در مقابل شکاف ها، توزیع شمارش مشاهده شده قبلی، که نشان دهنده تداخل است، ناپدید می شود. عجیب ترین چیز این است که این اتفاق بدون مشارکت یک ناظر آگاه است که بتواند اندازه گیری های مناسب را انجام دهد! صرف قرار دادن صفحات موج چهارم یک اثر لغو تداخل ایجاد می کند.. پس فوتون از کجا می‌داند که پس از وارد کردن صفحات، می‌توانیم شکافی را که از آن عبور کرده است، تعیین کنیم؟

با این حال، این پایان عجیب و غریب نیست. اکنون می‌توانیم تداخل فوتون سیگنال را بدون تأثیر مستقیم بر آن بازیابی کنیم. برای انجام این کار، در مسیر رسیدن فوتون کنترلی به آشکارساز D1، یک پلارایزر را طوری قرار دهید که نور را با قطبش که ترکیبی از قطبش هر دو فوتون درهم تنیده (4c) است، عبور دهد. این بلافاصله قطبیت فوتون سیگنال را مطابق با آن تغییر می دهد. اکنون دیگر نمی توان با قطعیت مشخص کرد که قطبش یک فوتون بر روی شکاف ها چیست و فوتون از کدام شکاف عبور کرده است. در این صورت تداخل بازیابی می شود!

اطلاعات انتخاب تاخیری را پاک کنید

آزمایش هایی که در بالا توضیح داده شد به گونه ای انجام شد که فوتون کنترل توسط آشکارساز D1 قبل از رسیدن فوتون سیگنال به آشکارساز D2 ثبت شد. پاک کردن اطلاعات "کدام راه" با تغییر قطبش فوتون کنترل قبل از رسیدن فوتون سیگنال به آشکارساز D2 انجام شد. سپس می توان تصور کرد که فوتون کنترل کننده قبلاً به "دوقلو" خود گفته است که بعداً چه کاری انجام دهد: مداخله کند یا نه.

اکنون آزمایش را به گونه ای تغییر می دهیم که فوتون کنترل پس از ثبت فوتون سیگنال در آشکارساز D1 به آشکارساز D2 برخورد کند. برای انجام این کار، آشکارساز D1 را از منبع فوتون دور کنید. الگوی تداخل مانند قبل به نظر می رسد. حالا بیایید صفحات یک چهارم موج را در مقابل شکاف ها قرار دهیم تا مشخص شود که فوتون کدام مسیر را طی کرده است. الگوی تداخل ناپدید می شود. در مرحله بعد، بیایید با قرار دادن یک قطبشگر مناسب در مقابل آشکارساز D1، اطلاعات "به کدام سمت" را پاک کنیم. الگوی تداخل دوباره ظاهر می شود! با این حال، پاک کردن پس از ثبت فوتون سیگنال توسط آشکارساز D2 انجام شد. چه طور ممکنه؟ فوتون باید از تغییر قطبیت قبل از رسیدن هر گونه اطلاعاتی به آن آگاه می شد.

5. آزمایش با پرتو لیزر.

توالی طبیعی رویدادها در اینجا معکوس شده است. اثر مقدم بر علت است! این نتیجه اصل علیت را در واقعیت اطراف ما تضعیف می کند. یا شاید زمان در مورد ذرات درهم تنیده مهم نیست؟ درهم تنیدگی کوانتومی اصل محلی بودن در فیزیک کلاسیک را نقض می‌کند که طبق آن یک جسم فقط می‌تواند تحت تأثیر محیط نزدیک خود قرار گیرد.

از زمان آزمایش برزیل، آزمایش های مشابه زیادی انجام شده است که نتایج ارائه شده در اینجا را کاملا تایید می کند. در پایان، خواننده مایل است راز این پدیده های غیرمنتظره را به وضوح توضیح دهد. متأسفانه نمی توان این کار را انجام داد. منطق مکانیک کوانتومی با منطق جهانی که هر روز می بینیم متفاوت است. ما باید متواضعانه این را بپذیریم و از این واقعیت خوشحال باشیم که قوانین مکانیک کوانتومی پدیده‌هایی را که در عالم صغیر رخ می‌دهند، که به طور مفید در دستگاه‌های فنی پیشرفته‌تر استفاده می‌شوند، به دقت توصیف می‌کنند.