Katika moyo wa quantum mechanics

Richard Feynman, mmoja wa wanafizikia wakubwa wa karne ya XNUMX, alisema kwamba ufunguo wa kuelewa mechanics ya quantum ni "jaribio la mpasuko mara mbili". Jaribio hili rahisi kimawazo, lililofanywa leo, linaendelea kutoa uvumbuzi wa kushangaza. Wanaonyesha jinsi ambavyo haviendani na akili ya kawaida ni mechanics ya quantum, ambayo hatimaye ilisababisha uvumbuzi muhimu zaidi wa miaka hamsini iliyopita.

Kwa mara ya kwanza alifanya jaribio la kupasuliwa mara mbili. Thomas Young (1) nchini Uingereza mwanzoni mwa karne ya kumi na tisa.

Jaribio la vijana

Jaribio lilitumiwa kuonyesha kuwa mwanga ni wa asili ya mawimbi na si wa asili ya mwili, kama ilivyoelezwa hapo awali. Isaac Newton. Vijana wameonyesha tu kwamba nuru hutii kuingilia kati - jambo ambalo ni kipengele cha sifa zaidi (bila kujali aina ya wimbi na kati ambayo hueneza). Leo, mechanics ya quantum inapatanisha maoni haya mawili yanayopingana kimantiki.

Hebu tukumbuke kiini cha jaribio la kupasuliwa mara mbili. Kama kawaida, ninamaanisha wimbi juu ya uso wa maji ambalo huenea karibu na mahali ambapo kokoto ilirushwa. 

Wimbi huundwa na crests mfululizo na mabwawa yanayotoka kwenye hatua ya usumbufu, huku ikidumisha umbali wa mara kwa mara kati ya crests, ambayo inaitwa urefu wa wimbi. Kizuizi kinaweza kuwekwa kwenye njia ya wimbi, kwa mfano, kwa namna ya bodi iliyo na sehemu mbili nyembamba zilizokatwa ambazo maji yanaweza kutiririka kwa uhuru. Kutupa kokoto ndani ya maji, wimbi huacha kwenye kizigeu - lakini sio kabisa. Mawimbi mawili mapya makini (2) sasa yanaenea hadi upande mwingine wa kizigeu kutoka kwa nafasi zote mbili. Wamewekwa juu ya kila mmoja, au, kama tunavyosema, huingilia kati, na kuunda muundo wa tabia juu ya uso. Katika maeneo ambapo kilele cha wimbi moja hukutana na kilele cha lingine, uvimbe wa maji huongezeka, na ambapo shimo hukutana na bonde, unyogovu huongezeka.

2. Kuingiliwa kwa mawimbi yanayojitokeza kutoka kwenye nafasi mbili.

Katika jaribio la Young, mwanga wa rangi moja unaotolewa kutoka kwa chanzo cha uhakika hupitia diaphragm isiyo wazi yenye mpasuko mbili na kugonga skrini nyuma yake (leo tungependelea kutumia mwanga wa leza na CCD). Picha ya kuingiliwa ya wimbi la mwanga huzingatiwa kwenye skrini kwa namna ya mfululizo wa kupigwa kwa mwanga na giza (3). Matokeo haya yaliimarisha imani kwamba nuru ni wimbi, kabla ya uvumbuzi katika miaka ya mapema ya XNUMX kuonyesha kuwa nuru pia ni wimbi. mtiririko wa picha ni chembe nyepesi ambazo hazina misa ya kupumzika. Baadaye aligeuka kuwa ya ajabu uwili wa chembe ya wimbikwanza kugunduliwa kwa nuru pia inatumika kwa chembe zingine zilizojaaliwa na wingi. Hivi karibuni ikawa msingi wa maelezo mapya ya mitambo ya ulimwengu.

3. Maono ya majaribio ya Young

Chembe pia huingilia kati

Mnamo 1961, Klaus Jonsson kutoka Chuo Kikuu cha Tübingen alionyesha kuingiliwa kwa chembe kubwa - elektroni kwa kutumia darubini ya elektroni. Miaka kumi baadaye, wanafizikia watatu wa Italia kutoka Chuo Kikuu cha Bologna walifanya majaribio sawa na kuingiliwa kwa elektroni moja (kwa kutumia kinachojulikana kama biprism badala ya mpasuko mara mbili). Walipunguza nguvu ya boriti ya elektroni hadi thamani ya chini hivi kwamba elektroni zilipitia biprism moja baada ya nyingine, moja baada ya nyingine. Elektroni hizi zilisajiliwa kwenye skrini ya fluorescent.

Hapo awali, njia za elektroni zilisambazwa kwa nasibu juu ya skrini, lakini baada ya muda ziliunda taswira tofauti ya uingiliaji wa miingilio. Inaonekana haiwezekani kwamba elektroni mbili zinazopita kwenye mpasuo kwa mfululizo kwa nyakati tofauti zinaweza kuingiliana. Kwa hiyo, ni lazima tukubali hilo elektroni moja huingilia yenyewe! Lakini basi elektroni ingelazimika kupita kwenye mipasuko yote miwili kwa wakati mmoja.

Inaweza kushawishi kutazama shimo ambalo elektroni ilipita. Baadaye tutaona jinsi ya kufanya uchunguzi huo bila kuvuruga mwendo wa elektroni. Inatokea kwamba ikiwa tunapata taarifa kuhusu kile ambacho elektroni imepokea, basi kuingiliwa ... kutatoweka! Habari ya "jinsi" inaharibu kuingiliwa. Je, hii ina maana kwamba kuwepo kwa mwangalizi mwenye ufahamu huathiri mwendo wa mchakato wa kimwili?

Kabla ya kuzungumza juu ya matokeo ya kushangaza zaidi ya majaribio ya kupasuliwa mara mbili, nitafanya upungufu mdogo kuhusu ukubwa wa vitu vinavyoingilia. Uingilivu wa quantum wa vitu vya molekuli uligunduliwa kwanza kwa elektroni, kisha kwa chembe zilizo na wingi unaoongezeka: neutroni, protoni, atomi, na hatimaye kwa molekuli kubwa za kemikali.

Mnamo 2011, rekodi ya ukubwa wa kitu ilivunjwa, ambayo uzushi wa kuingiliwa kwa quantum ulionyeshwa. Jaribio hilo lilifanywa katika Chuo Kikuu cha Vienna na mwanafunzi wa udaktari wa wakati huo. Sandra Eibenberger na washirika wake. Molekuli tata ya kikaboni iliyo na protoni 5 hivi, neutroni elfu 5 na elektroni elfu 5 ilichaguliwa kwa majaribio na mapumziko mawili! Katika jaribio tata sana, kuingiliwa kwa quantum ya molekuli hii kubwa kulionekana.

Hii ilithibitisha imani hiyo Sheria za mechanics ya quantum hutii sio tu chembe za msingi, lakini pia kila kitu cha nyenzo. Ni kwamba kitu ngumu zaidi, ndivyo inavyoingiliana na mazingira, ambayo inakiuka mali yake ya hila ya quantum na kuharibu athari za kuingiliwa..

Quantum entanglement na polarization ya mwanga

Matokeo ya kushangaza zaidi ya majaribio ya vipande viwili yalitoka kwa kutumia njia maalum ya kufuatilia photon, ambayo haikusumbua mwendo wake kwa njia yoyote. Njia hii hutumia moja ya matukio ya ajabu ya quantum, kinachojulikana msongamano wa quantum. Jambo hili liligunduliwa nyuma katika miaka ya 30 na mmoja wa waundaji wakuu wa mechanics ya quantum, Erwin Schrödinger.

Einstein mwenye shaka (tazama pia 🙂 ​​aliwaita hatua ya roho kwa mbali. Hata hivyo, nusu karne tu baadaye umuhimu wa athari hii ulionekana, na leo imekuwa somo la maslahi maalum kwa wanafizikia.

Athari hii inahusu nini? Ikiwa chembe mbili ambazo ziko karibu kwa wakati fulani zinaingiliana kwa nguvu sana hivi kwamba zinaunda aina ya "mahusiano ya mapacha", basi uhusiano huo unaendelea hata wakati chembe hizo ziko umbali wa mamia ya kilomita. Kisha chembe zinafanya kama mfumo mmoja. Hii ina maana kwamba tunapofanya kitendo kwenye chembe moja, mara moja huathiri chembe nyingine. Walakini, kwa njia hii hatuwezi kusambaza habari bila wakati kwa umbali.

Photon ni chembe isiyo na wingi - sehemu ya msingi ya mwanga, ambayo ni wimbi la umeme. Baada ya kupitia sahani ya kioo inayofanana (inayoitwa polarizer), mwanga unakuwa mstari wa polarized, i.e. vekta ya uwanja wa umeme wa wimbi la umeme huzunguka katika ndege fulani. Kwa upande wake, kwa kupitisha mwanga wa polarized kupitia sahani ya unene fulani kutoka kwa kioo kingine (kinachojulikana kama sahani ya robo-wimbi), inaweza kubadilishwa kuwa mwanga wa polarized, ambayo vector ya shamba la umeme husogea kwenye helical. clockwise au kinyume cha saa) mwendo kando ya mwelekeo wa uenezi wa wimbi. Ipasavyo, mtu anaweza kuzungumza juu ya picha za polarized linearly au circularly.

Majaribio na fotoni zilizonaswa

4a. Fuwele ya BBO isiyo ya mstari hubadilisha fotoni inayotolewa na leza ya argon kuwa fotoni mbili zilizonaswa na nusu ya nishati na mgawanyiko unaoendana. Picha hizi hutawanyika kwa mwelekeo tofauti na zimesajiliwa na detectors D1 na D2, zilizounganishwa na counter counter LK. Diaphragm yenye slits mbili imewekwa kwenye njia ya moja ya photoni. Wakati vigunduzi vyote viwili vinasajili kuwasili kwa karibu wakati huo huo kwa fotoni zote mbili, ishara huhifadhiwa kwenye kumbukumbu ya kifaa, na kigunduzi D2 hatua sambamba na mpasuo. Idadi ya photoni kulingana na nafasi ya detector D2, hivyo kumbukumbu, inavyoonekana katika sanduku, kuonyesha maxima na minima, kuonyesha kuingiliwa.

Mnamo 2001, kikundi cha wanafizikia wa Brazil huko Belo Horizonte walifanya kazi chini ya uongozi wa Stephen Walborn majaribio yasiyo ya kawaida. Waandishi wake walitumia sifa za fuwele maalum (iliyofupishwa kama BBO), ambayo hubadilisha sehemu fulani ya fotoni iliyotolewa na laser ya argon kuwa fotoni mbili na nusu ya nishati. Fotoni hizi mbili zimeshikana; wakati mmoja wao ana, kwa mfano, polarization ya usawa, nyingine ina polarization ya wima. Fotoni hizi huenda katika pande mbili tofauti na hucheza majukumu tofauti katika jaribio lililoelezwa.

Moja ya picha tunazoenda kuzitaja kudhibiti, huenda moja kwa moja kwa detector ya photon D1 (4a). Kigunduzi husajili kuwasili kwake kwa kutuma ishara ya umeme kwa kifaa kinachoitwa hit counter. LK Jaribio la kuingiliwa litafanywa kwenye fotoni ya pili; tutamwita ishara photon. Kuna mpasuko mara mbili kwenye njia yake, ikifuatiwa na kigunduzi cha pili cha picha, D2, kidogo zaidi kutoka kwa chanzo cha fotoni kuliko kigunduzi D1. Kigunduzi hiki kinaweza kuruka karibu na sehemu mbili kila wakati kinapopokea mawimbi inayolingana kutoka kwa kihesabu kinachogonga. Wakati kigunduzi D1 kinasajili fotoni, hutuma ishara kwa kihesabu cha bahati mbaya. Ikiwa kwa muda mfupi detector D2 pia inasajili photon na kutuma ishara kwa mita, basi itatambua kuwa inatoka kwenye picha zilizopigwa, na ukweli huu utahifadhiwa kwenye kumbukumbu ya kifaa. Utaratibu huu haujumuishi usajili wa picha za nasibu zinazoingia kwenye kigunduzi.

Picha zilizonaswa hudumu kwa sekunde 400. Baada ya wakati huu, detector D2 inahamishwa na 1 mm kwa heshima na nafasi ya slits, na kuhesabu picha zilizopigwa huchukua sekunde 400 nyingine. Kisha detector inahamishwa tena na 1 mm na utaratibu unarudiwa mara nyingi. Inabadilika kuwa usambazaji wa idadi ya picha zilizorekodiwa kwa njia hii kulingana na nafasi ya detector D2 ina maxima ya tabia na minima inayolingana na mwanga na giza na pindo za kuingiliwa katika jaribio la Young (4a).

Tunagundua hilo tena fotoni moja zinazopita kwenye mpasuko mara mbili huingiliana.

Jinsi gani hivyo?

Hatua inayofuata katika jaribio ilikuwa kuamua shimo ambalo fotoni fulani ilipita bila kuvuruga harakati zake. Mali zinazotumika hapa sahani ya wimbi la robo. Sahani ya robo-wimbi iliwekwa mbele ya kila mpasuko, moja ambayo ilibadilisha mgawanyiko wa mstari wa fotoni ya tukio hadi kuwa mduara kisaa, na nyingine hadi ugawanyiko wa duara wa kushoto (4b). Ilithibitishwa kuwa aina ya uchanganuzi wa fotoni haukuathiri idadi ya fotoni zilizohesabiwa. Sasa, kwa kuamua mzunguko wa polarization ya photon baada ya kupita kwenye slits, inawezekana kuonyesha kupitia nani kati yao photon imepita. Kujua "katika mwelekeo gani" huharibu kuingiliwa.

4b. Kwa kuweka sahani za robo-wimbi (rectangles za kivuli) mbele ya slits, "njia gani" habari inaweza kupatikana na picha ya kuingiliwa itatoweka.

4c. Kuweka polarizer yenye mwelekeo ipasavyo P mbele ya kigunduzi D1 hufuta maelezo ya "njia gani" na kurejesha uingiliaji.

Kwa kweli, baada ya uwekaji sahihi wa sahani za robo-wimbi mbele ya slits, usambazaji uliozingatiwa hapo awali wa hesabu, unaonyesha kuingiliwa, hupotea. Jambo la ajabu zaidi ni kwamba hii hutokea bila ushiriki wa mwangalizi mwenye ufahamu ambaye anaweza kufanya vipimo vinavyofaa! Uwekaji tu wa sahani za robo-wimbi hutoa athari ya kufuta kuingiliwa.. Kwa hiyo photon inajuaje kwamba baada ya kuingiza sahani, tunaweza kuamua pengo ambalo lilipitia?

Hata hivyo, huu sio mwisho wa ajabu. Sasa tunaweza kurejesha kuingiliwa kwa photon ya ishara bila kuathiri moja kwa moja. Ili kufanya hivyo, kwenye njia ya kigunduzi cha fotoni inayofikia D1, weka polarizer kwa njia ambayo inasambaza mwanga na polarization ambayo ni mchanganyiko wa polarizations ya fotoni zote mbili zilizonaswa (4c). Hii inabadilisha mara moja polarity ya photon ya ishara ipasavyo. Sasa haiwezekani tena kuamua kwa uhakika ni nini polarization ya tukio la photon kwenye slits, na kwa njia ambayo mpasuko wa photon ulipita. Katika kesi hii, kuingiliwa kunarejeshwa!

Futa maelezo ya uteuzi yaliyochelewa

Majaribio yaliyoelezwa hapo juu yalifanywa kwa njia ambayo photon ya udhibiti ilisajiliwa na detector D1 kabla ya photon ya ishara kufikia detector D2. Ufutaji wa maelezo ya "njia gani" ulifanywa kwa kubadilisha mgawanyiko wa fotoni ya udhibiti kabla ya fotoni ya mawimbi kufikia kigunduzi D2. Kisha mtu anaweza kufikiria kwamba photon ya kudhibiti tayari imeiambia "mapacha" yake nini cha kufanya baadaye: kuingilia kati au la.

Sasa tunarekebisha jaribio kwa njia ambayo fotoni ya udhibiti inagonga kigunduzi D1 baada ya photon ya mawimbi kusajiliwa kwenye kigunduzi D2. Ili kufanya hivyo, sogeza kigunduzi D1 mbali na chanzo cha fotoni. Mchoro wa kuingilia kati unaonekana sawa na hapo awali. Sasa hebu tuweke sahani za robo-wimbi mbele ya mpasuo ili kubaini ni njia ipi ambayo fotoni imechukua. Mchoro wa kuingilia kati hupotea. Kisha, hebu tufute maelezo ya "njia gani" kwa kuweka polarizer inayoelekezwa ipasavyo mbele ya kigunduzi D1. Mchoro wa kuingiliwa unaonekana tena! Bado ufutaji huo ulifanyika baada ya fotoni ya ishara kusajiliwa na kigunduzi D2. Je, hili linawezekanaje? Photon ilibidi kufahamu mabadiliko ya polarity kabla ya taarifa yoyote kuihusu kuifikia.

5. Majaribio na boriti ya laser.

Mlolongo wa asili wa matukio umebadilishwa hapa; athari hutangulia sababu! Matokeo haya yanadhoofisha kanuni ya usababisho katika ukweli unaotuzunguka. Au labda wakati haijalishi linapokuja suala la chembe msikubali? Kuingizwa kwa quantum kunakiuka kanuni ya eneo katika fizikia ya zamani, kulingana na ambayo kitu kinaweza kuathiriwa tu na mazingira yake ya karibu.

Tangu jaribio la Brazili, majaribio mengi kama hayo yamefanywa, ambayo yanathibitisha kikamilifu matokeo yaliyowasilishwa hapa. Mwishowe, msomaji angependa kuelezea kwa uwazi siri ya matukio haya yasiyotarajiwa. Kwa bahati mbaya, hii haiwezi kufanywa. Mantiki ya quantum mechanics ni tofauti na mantiki ya ulimwengu tunayoiona kila siku. Ni lazima tukubali hili kwa unyenyekevu na kufurahia ukweli kwamba sheria za quantum mechanics zinaelezea kwa usahihi matukio yanayotokea katika microcosm, ambayo hutumiwa kwa manufaa katika vifaa vya juu zaidi vya kiufundi.