Kvant mexanikasının mərkəzində

XNUMX-ci əsrin ən böyük fiziklərindən biri olan Riçard Feynman, kvant mexanikasını başa düşməyin açarının "ikili yarıq təcrübəsi" olduğunu müdafiə etdi. Bu gün aparılan bu konseptual sadə təcrübə heyrətamiz kəşflər verməkdə davam edir. Onlar son əlli ilin ən mühüm ixtiralarına səbəb olan kvant mexanikasının sağlam düşüncə ilə nə qədər uyğun olmadığını göstərir.

İlk dəfə o, ikiqat yarıq təcrübəsi apardı. Thomas Young (1) XIX əsrin əvvəllərində İngiltərədə.

Gəncin təcrübəsi

Təcrübə işığın daha əvvəl deyildiyi kimi korpuskulyar xarakterli deyil, dalğa xarakterli olduğunu göstərmək üçün istifadə edilmişdir. Isaac Newton. Gənc yalnız işığın itaət etdiyini nümayiş etdirdi müdaxilə - ən xarakterik xüsusiyyət olan hadisə (dalğanın növündən və yayıldığı mühitdən asılı olmayaraq). Bu gün kvant mexanikası bu iki məntiqi ziddiyyətli görüşü uzlaşdırır.

Qoşa yarıq təcrübəsinin mahiyyətini xatırlayaq. Həmişə olduğu kimi, çınqılın atıldığı yerin ətrafında konsentrik şəkildə yayılan suyun səthində dalğanı nəzərdə tuturam. 

Dalğa dalğa uzunluğu adlanan zirvələr arasında sabit məsafəni qoruyarkən, pozulma nöqtəsindən şüalanan ardıcıl təpələrdən və çuxurlardan əmələ gəlir. Dalğanın yolunda bir maneə qoyula bilər, məsələn, suyun sərbəst axdığı iki dar yuvası olan bir taxta şəklində. Suya bir çınqıl ataraq, dalğa arakəsmədə dayanır - amma tam deyil. İki yeni konsentrik dalğa (2) indi hər iki yuvadan bölmənin digər tərəfinə yayılır. Onlar bir-birinin üstünə qoyulur və ya dediyimiz kimi, bir-birinə müdaxilə edərək səthdə xarakterik naxış yaradır. Bir dalğanın təpəsinin digərinin zirvəsi ilə qovuşduğu yerlərdə su qabarıqlığı güclənir, çuxurun dərə ilə birləşdiyi yerlərdə isə çökəklik dərinləşir.

2. İki yuvadan çıxan dalğaların müdaxiləsi.

Young təcrübəsində nöqtə mənbəyindən yayılan tək rəngli işıq iki yarıq olan qeyri-şəffaf diafraqmadan keçir və onların arxasındakı ekrana dəyir (bu gün biz lazer işığından və CCD-dən istifadə etməyi üstün tuturuq). İşıq dalğasının müdaxilə təsviri ekranda bir-birini əvəz edən işıq və tünd zolaqlar silsiləsi şəklində müşahidə olunur (3). Bu nəticə, XNUMX-cü illərin əvvəllərindəki kəşflər işığın da dalğa olduğunu göstərməzdən əvvəl işığın dalğa olduğuna dair inamı gücləndirdi. foton axını istirahət kütləsi olmayan yüngül hissəciklərdir. Daha sonra sirli olduğu ortaya çıxdı dalğa-hissəcik ikiliyiilk dəfə işıq üçün kəşf edilmiş kütləyə malik olan digər hissəciklərə də aiddir. Tezliklə dünyanın yeni kvant mexaniki təsviri üçün əsas oldu.

3. Gəncin eksperimentinə baxış

Hissəciklər də müdaxilə edir

1961-ci ildə Tübingen Universitetindən Klaus Jonsson elektron mikroskopdan istifadə edərək kütləvi hissəciklərin - elektronların müdaxiləsini nümayiş etdirdi. On il sonra, Bolonya Universitetindən üç italyan fizikləri ilə oxşar təcrübə həyata keçirdilər tək elektron müdaxilə (qoşa yarıq yerinə sözdə biprizmadan istifadə etməklə). Onlar elektron şüasının intensivliyini elə aşağı qiymətə endirdilər ki, elektronlar bir-birinin ardınca biprizmadan keçdilər. Bu elektronlar flüoresan ekranda qeydə alınıb.

Əvvəlcə elektron cığırları təsadüfi olaraq ekran üzərində paylandı, lakin zaman keçdikcə onlar müdaxilə saçaqlarının fərqli müdaxilə təsvirini yaratdılar. Müxtəlif vaxtlarda yarıqlardan ardıcıl keçən iki elektronun bir-birinə müdaxilə etməsi qeyri-mümkün görünür. Ona görə də biz bunu etiraf etməliyik bir elektron özünə müdaxilə edir! Lakin onda elektron eyni anda hər iki yarıqdan keçməli olacaqdı.

Elektronun həqiqətən keçdiyi dəliyə baxmaq cazibədar ola bilər. Daha sonra elektronun hərəkətini pozmadan belə bir müşahidənin necə aparılacağını görəcəyik. Belə çıxır ki, əgər elektronun qəbul etdiyi barədə məlumat alsaq, onda müdaxilə... yox olacaq! “Necə” məlumatı müdaxiləni məhv edir. Bu, şüurlu müşahidəçinin olmasının fiziki prosesin gedişatına təsir etdiyini bildirirmi?

İkiqat yarıq eksperimentlərinin daha təəccüblü nəticələri haqqında danışmazdan əvvəl müdaxilə edən obyektlərin ölçüləri haqqında kiçik bir məlumat verəcəyəm. Kütləvi cisimlərin kvant müdaxiləsi əvvəlcə elektronlar, sonra kütləsi artan hissəciklər: neytronlar, protonlar, atomlar və nəhayət iri kimyəvi molekullar üçün kəşf edilmişdir.

2011-ci ildə kvant müdaxiləsi fenomeninin nümayiş olunduğu obyektin ölçüsünə görə rekord qırıldı. Təcrübəni Vyana Universitetində dövrün doktorantı həyata keçirib. Sandra Eibenberger və onun tərəfdaşları. Təcrübə üçün iki fasilə ilə təxminən 5 proton, 5 min neytron və 5 min elektrondan ibarət mürəkkəb üzvi molekul seçildi! Çox mürəkkəb bir təcrübədə bu nəhəng molekulun kvant müdaxiləsi müşahidə edildi.

Bu inamı təsdiqlədi Kvant mexanikasının qanunları təkcə elementar hissəciklərə deyil, həm də hər bir maddi obyektə tabedir. Yalnız odur ki, obyekt nə qədər mürəkkəbdirsə, onun incə kvant xassələrini pozan və müdaxilə effektlərini məhv edən mühitlə bir o qədər çox qarşılıqlı əlaqədə olur..

İşığın kvant dolaşıqlığı və qütbləşməsi

İki yarıqlı təcrübələrin ən təəccüblü nəticələri fotonun hərəkətini heç bir şəkildə pozmayan xüsusi bir izləmə metodundan istifadə etməklə əldə edilmişdir. Bu üsul ən qəribə kvant hadisələrindən birini istifadə edir, sözdə kvant dolaşıqlığı. Bu fenomen 30-cu illərdə kvant mexanikasının əsas yaradıcılarından biri tərəfindən fərq edildi. Erwin Schrödinger.

Skeptik Eynşteyn (həmçinin bax 🙂 onları uzaqdan xəyalpərəst hərəkət adlandırdı. Lakin, yalnız yarım əsr sonra bu effektin əhəmiyyəti dərk edildi və bu gün fiziklərin xüsusi maraq dairəsinə çevrildi.

Bu təsir nə ilə bağlıdır? Əgər zamanın müəyyən bir nöqtəsində bir-birinə yaxın olan iki hissəcik bir-biri ilə o qədər güclü qarşılıqlı əlaqəyə girirsə ki, onlar bir növ “əkiz əlaqə” yaradırlarsa, o zaman zərrəciklər bir-birindən yüzlərlə kilometr aralı olduqda belə əlaqə davam edir. Sonra hissəciklər vahid sistem kimi davranırlar. Bu o deməkdir ki, biz bir zərrəcik üzərində bir hərəkət etdikdə, o, dərhal digər hissəciyə təsir edir. Ancaq bu şəkildə biz məlumatı zamansız olaraq məsafəyə ötürə bilmərik.

Foton kütləsiz hissəcikdir - elektromaqnit dalğası olan işığın elementar hissəsidir. Uyğun kristalın (polarizator adlanır) bir boşqabından keçdikdən sonra işıq xətti qütbləşir, yəni. elektromaqnit dalğasının elektrik sahəsinin vektoru müəyyən müstəvidə salınır. Öz növbəsində, xətti qütbləşmiş işığı başqa bir kristaldan (dörddəbir dalğa lövhəsi adlanan) müəyyən qalınlıqdakı bir boşqabdan keçirərək, elektrik sahəsinin vektorunun spiral şəklində hərəkət etdiyi dairəvi qütblü işığa çevrilə bilər ( saat əqrəbi istiqamətində və ya saat əqrəbinin əksinə) dalğanın yayılması istiqamətində hərəkət. Müvafiq olaraq, xətti və ya dairəvi qütbləşmiş fotonlardan danışmaq olar.

Dolaşan fotonlarla təcrübələr

4a. Qeyri-xətti BBO kristalı, arqon lazerinin yaydığı fotonu enerjisinin yarısı və qarşılıqlı perpendikulyar qütbləşmə ilə iki dolaşıq fotona çevirir. Bu fotonlar müxtəlif istiqamətlərə səpilir və təsadüf sayğacı LK ilə birləşdirilən D1 və D2 detektorları tərəfindən qeydə alınır.Fotonlardan birinin yoluna iki yarığı olan diafraqma yerləşdirilir. Hər iki detektor hər iki fotonun demək olar ki, eyni vaxtda gəlməsini qeydə aldıqda, siqnal cihazın yaddaşında saxlanılır və D2 detektoru yarıqlara paralel addımlayır. D2 detektorunun mövqeyindən asılı olaraq fotonların sayı, beləliklə qeydə alınır, müdaxiləni göstərən maksimal və minimumları göstərən qutuda göstərilir.

2001-ci ildə Belo Horizontedə bir qrup braziliyalı fizikin rəhbərliyi altında çıxış etdilər. Stephen Walborn qeyri-adi təcrübə. Onun müəllifləri arqon lazerinin buraxdığı fotonların müəyyən hissəsini enerjinin yarısı olan iki fotona çevirən xüsusi kristalın (qısaldılmış BBO) xüsusiyyətlərindən istifadə ediblər. Bu iki foton bir-birinə qarışıb; onlardan birində, məsələn, üfüqi qütbləşmə olduqda, digərində şaquli qütbləşmə olur. Bu fotonlar iki fərqli istiqamətdə hərəkət edir və təsvir edilən təcrübədə fərqli rol oynayırlar.

Adını çəkəcəyimiz fotonlardan biri nəzarət, birbaşa D1 (4a) foton detektoruna keçir. Detektor onun gəlişini vurma sayğacı adlanan cihaza elektrik siqnalı göndərməklə qeyd edir. LK İkinci fotonda müdaxilə təcrübəsi aparılacaq; ona zəng edəcəyik siqnal fotonu. Onun yolunda ikiqat yarıq var, ardınca ikinci foton detektoru D2, foton mənbəyindən D1 detektorundan bir qədər uzaqdadır. Bu detektor hər dəfə vuruş sayğacından müvafiq siqnal alanda ikili yuvanın ətrafında hoppanır. D1 detektoru fotonu qeydə aldıqda təsadüf sayğacına siqnal göndərir. Əgər bir anda D2 detektoru da fotonu qeyd edib sayğaca siqnal göndərirsə, o zaman onun dolaşıq fotonlardan gəldiyini tanıyacaq və bu fakt cihazın yaddaşında qalacaq. Bu prosedur detektora daxil olan təsadüfi fotonların qeydiyyatını istisna edir.

Dolaşan fotonlar 400 saniyə davam edir. Bu müddətdən sonra D2 detektoru yarıqların vəziyyətinə görə 1 mm yerdəyişir və dolaşıq fotonların hesablanması daha 400 saniyə çəkir. Sonra detektor yenidən 1 mm hərəkət edir və prosedur dəfələrlə təkrarlanır. Belə çıxır ki, D2 detektorunun mövqeyindən asılı olaraq bu şəkildə qeydə alınan fotonların sayının paylanması Yanq təcrübəsində (4a) işıq və qaranlıq və interferensiya saçaqlarına uyğun gələn xarakterik maksimum və minimumlara malikdir.

Biz bunu bir daha aşkar edirik qoşa yarıqdan keçən tək fotonlar bir-birinə müdaxilə edir.

Nasıl?

Təcrübədə növbəti addım müəyyən bir fotonun hərəkətini pozmadan keçdiyi dəliyi müəyyən etmək idi. Burada istifadə olunan xüsusiyyətlər dörddəbir dalğa lövhəsi. Hər bir yarığın önünə dörddəbir dalğalı lövhə yerləşdirildi, onlardan biri hadisə fotonun xətti polarizasiyasını saat əqrəbi istiqamətində dairəvi, digəri isə sol dairəvi qütbləşməyə dəyişdi (4b). Fotonun qütbləşməsinin növünün hesablanan fotonların sayına təsir etmədiyi təsdiqləndi. İndi fotonun yarıqlardan keçdikdən sonra onun qütbləşməsinin fırlanmasını təyin etməklə fotonun onların hansından keçdiyini göstərmək olar. "Hansı istiqamətdə" bilmək müdaxiləni məhv edir.

4b. Yarıqların önünə dörddəbir dalğalı lövhələr (kölgələnmiş düzbucaqlılar) yerləşdirməklə “hansı yolla” məlumat əldə etmək olar və müdaxilə təsviri yox olacaq.

4c. D1 detektorunun qarşısına uyğun yönümlü polarizator P yerləşdirilməsi "hansı tərəf" məlumatını silir və müdaxiləni bərpa edir.

Əslində yarıqların qarşısında dörddəbir dalğalı lövhələrin düzgün yerləşdirilməsindən sonra, müdaxilənin göstəricisi olan sayların əvvəllər müşahidə edilən paylanması yox olur. Ən qəribəsi odur ki, bu, müvafiq ölçmə apara bilən şüurlu müşahidəçinin iştirakı olmadan baş verir! Dörddəbir dalğalı lövhələrin sadəcə yerləşdirilməsi müdaxilənin ləğvi effekti yaradır.. Bəs foton haradan bilir ki, lövhələri daxil etdikdən sonra onun keçdiyi boşluğu müəyyən edə bilərik?

Bununla belə, bu qəribəliyin sonu deyil. İndi biz birbaşa təsir etmədən siqnal foton müdaxiləsini bərpa edə bilərik. Bunu etmək üçün D1 detektoruna çatan nəzarət fotonun yolunda polarizatoru elə yerləşdirin ki, o, hər iki dolaşıq fotonun (4c) qütbləşmələrinin kombinasiyası olan qütbləşmə ilə işığı ötürsün. Bu dərhal müvafiq olaraq siqnal fotonunun polaritesini dəyişir. İndi yarıqlarda bir foton hadisəsinin qütbləşməsinin nə olduğunu və fotonun hansı yarıqdan keçdiyini əminliklə müəyyən etmək artıq mümkün deyil. Bu halda müdaxilə bərpa olunur!

Gecikmiş seçim məlumatını silin

Yuxarıda təsvir edilən təcrübələr elə aparıldı ki, siqnal fotonu D1 detektoruna çatmazdan əvvəl nəzarət fotonu D2 detektoru tərəfindən qeydə alınıb. Siqnal fotonu D2 detektoruna çatmazdan əvvəl nəzarət fotonunun qütbləşməsinin dəyişdirilməsi ilə "hansı tərəf" məlumatının silinməsi həyata keçirilirdi. O zaman təsəvvür etmək olar ki, idarə edən foton artıq öz “əkizinə” bundan sonra nə edəcəyini deyib: müdaxilə edib-etməmək.

İndi biz təcrübəni elə dəyişdiririk ki, D1 detektorunda siqnal fotonu qeydə alındıqdan sonra idarəetmə fotonu D2 detektoruna dəyir. Bunun üçün D1 detektorunu foton mənbəyindən uzaqlaşdırın. Müdaxilə nümunəsi əvvəlki kimi görünür. İndi fotonun hansı yolu tutduğunu müəyyən etmək üçün yarıqların önünə dörddəbir dalğalı lövhələr yerləşdirək. Müdaxilə nümunəsi yox olur. Sonra, D1 detektorunun qarşısına uyğun yönümlü polarizator qoyaraq “hansı tərəf” məlumatını silək. Müdaxilə nümunəsi yenidən görünür! Bununla belə, silmə D2 detektoru tərəfindən siqnal fotonu qeydə alındıqdan sonra edildi. Bu necə mümkündür? Foton haqqında hər hansı bir məlumat ona çatmazdan əvvəl polarite dəyişikliyindən xəbərdar olmalı idi.

5. Lazer şüası ilə təcrübələr.

Burada hadisələrin təbii ardıcıllığı tərsinə çevrilir; təsir səbəbdən əvvəldir! Bu nəticə bizi əhatə edən reallıqda səbəb-nəticə prinsipini pozur. Yaxud dolanmış hissəciklərə gəldikdə zamanın əhəmiyyəti yoxdur? Kvant dolaşıqlığı klassik fizikada lokallik prinsipini pozur, buna görə obyektə yalnız onun yaxın ətrafı təsir edə bilər.

Braziliya eksperimentindən bəri, burada təqdim olunan nəticələri tam təsdiqləyən bir çox oxşar təcrübələr aparılmışdır. Sonda oxucu bu gözlənilməz hadisələrin sirrini aydın şəkildə izah etmək istərdi. Təəssüf ki, bunu etmək mümkün deyil. Kvant mexanikasının məntiqi hər gün gördüyümüz dünyanın məntiqindən fərqlidir. Biz bunu təvazökarlıqla qəbul etməli və kvant mexanikasının qanunlarının mikrokosmosda baş verən və getdikcə daha təkmil texniki cihazlarda faydalı şəkildə istifadə edilən hadisələri dəqiq təsvir etdiyinə sevinməliyik.