Am Häerz vun der Quantemechanik

De Richard Feynman, ee vun de gréisste Physiker vum XNUMX. Joerhonnert, argumentéiert datt de Schlëssel fir d'Quantemechanik ze verstoen ass den "Double Schlitz Experiment". Dëst konzeptuell einfacht Experiment, dat haut gemaach gëtt, bréngt weider erstaunlech Entdeckungen. Si weisen wéi inkompatibel mam gesonde Mënscheverstand d'Quantemechanik ass, déi schlussendlech zu de wichtegsten Erfindunge vun de leschte fofzeg Joer gefouert huet.

Fir d'éischte Kéier huet hien en Duebelslitexperiment gemaach. Thomas Young (1) an England am fréien XNUMX. Joerhonnert.

Young säin Experiment

D'Experiment gouf benotzt fir ze weisen datt d'Liicht vun enger Wellennatur ass an net vun enger korpuskulärer Natur, wéi virdru gesot. Vum Isaac Newton. Young huet just bewisen datt d'Liicht hält Interventioun - e Phänomen dat am meeschte charakteristesche Feature ass (onofhängeg vun der Aart vun der Welle an dem Medium an deem se propagéiert). Haut reconciliéiert d'Quantemechanik dës zwee logesch widderspréchlech Meenungen.

Loosst eis d'Essenz vum Duebelslitexperiment erënneren. Wéi gewinnt mengen ech eng Welle op der Uewerfläch vum Waasser, déi sech konzentresch ronderëm d'Plaz verbreet, wou de Kiesel geheit gouf. 

Eng Welle entsteet duerch successive Kamm an Trog, déi vum Stéierungspunkt ausstrahlen, wärend eng konstant Distanz tëscht de Kampen behalen, wat d'Wellelängt genannt gëtt. Eng Barrière kann am Wee vun der Welle plazéiert ginn, zum Beispill, an der Form vun engem Brett mat zwee schmuele Schlitze geschnidden duerch déi Waasser fräi fléissen kann. E Kieselstéck an d'Waasser werfen, d'Welle stoppt op der Partition - awer net ganz. Zwee nei konzentresch Wellen (2) propagéieren elo op déi aner Säit vun der Partition vu béide Schlitze. Si sinn openeen iwwerlagert, oder, wéi mir soen, stéieren mateneen, e charakteristesche Muster op der Uewerfläch ze kreéieren. Op Plazen, wou de Kamm vun enger Well de Kamm vun enger anerer begéint, verstäerkt d'Waasserbulle, a wou den Huel den Dall begéint, gëtt d'Depressioun méi déif.

2. Amëschung vu Wellen, déi aus zwee Schlitze kommen.

Am Young sengem Experiment passéiert eenzegfaarweg Liicht, dat vun enger Punktquell emittéiert ass, duerch eng opak Membran mat zwee Schlitze a trefft den Ecran hannert hinnen (haut géife mir léiwer Laserlicht an eng CCD benotzen). En Interferenzbild vun enger Liichtwelle gëtt um Bildschierm a Form vun enger Serie vun alternéierend hell an donkel Streifen (3) beobachtet. Dëst Resultat huet d'Iwwerzeegung verstäerkt datt d'Liicht eng Welle war, ier Entdeckungen an de fréien XNUMXer weisen datt d'Liicht och eng Welle war. photon Flux si liicht Partikelen, déi keng Reschtmass hunn. Spéider huet sech erausgestallt, datt déi mysteriéis Welle-Partikel Dualitéitfir d'éischt entdeckt fir d'Liicht gëlt och fir aner Partikele mat Mass dotéiert. Et gouf séier d'Basis fir eng nei quantummechanesch Beschreiwung vun der Welt.

3. Visioun vum Young Experiment

D'Partikel stéieren och

1961 huet de Klaus Jonsson vun der Universitéit Tübingen d'Interferenz vu massive Partikelen - Elektronen mat engem Elektronenmikroskop bewisen. Zéng Joer méi spéit hunn dräi italienesch Physiker vun der Universitéit vu Bologna en ähnlechen Experiment mat Een-Elektroninterferenz (mat engem sougenannte Biprisma amplaz vun engem Duebelschlit). Si hunn d'Intensitéit vum Elektronenstrahl op esou e klenge Wäert reduzéiert, datt d'Elektronen een nom aneren duerch de Biprisma passéiert sinn, een nom aneren. Dës Elektronen goufen op engem fluoreszent Bildschierm registréiert.

Am Ufank goufen d'Elektronenspuren zoufälleg iwwer den Ecran verdeelt, awer mat der Zäit hunn se e markéiert Interferenzbild vun den Interferenzfrënn geformt. Et schéngt onméiglech datt zwee Elektronen, déi duerch d'Schlitten nofolgend zu verschiddenen Zäiten passéieren, matenee stéieren. Dofir musse mir dat unerkennen een Elektron stéiert sech selwer! Awer dann muss den Elektron gläichzäiteg duerch déi zwee Schlitze passéieren.

Et kann verlockend sinn d'Lach ze kucken, duerch deen den Elektron tatsächlech passéiert. Spéider wäerte mir kucken wéi een esou eng Observatioun maache kann ouni d'Bewegung vum Elektron ze stéieren. Et stellt sech eraus datt wa mir Informatioun kréien iwwer wat den Elektron kritt huet, da wäert d'Interferenz ... verschwannen! D'"wéi" Informatioun zerstéiert d'Interferenz. Heescht dat datt d'Präsenz vun engem bewosst Beobachter de Verlaf vum kierperleche Prozess beaflosst?

Ier ech iwwer déi nach méi iwwerraschend Resultater vun Duebelslitexperimenter schwätzen, wäert ech eng kleng Digression iwwer d'Gréisste vun interferéierend Objeten maachen. Quantuminterferenz vu Massenobjekte gouf fir d'éischt fir Elektronen entdeckt, duerno fir Partikelen mat ëmmer méi Mass: Neutronen, Protonen, Atomer, a schliisslech fir grouss chemesch Moleküle.

Am Joer 2011 gouf de Rekord fir d'Gréisst vun engem Objet gebrach, op deem de Phänomen vu Quanteninterferenz bewisen gouf. D'Experiment gouf op der Universitéit vu Wien vun engem Doktorand vun der Zäit duerchgefouert. Sandra Eibenberger an hir Mataarbechter. Eng komplex organesch Molekül mat ongeféier 5 Protonen, 5 Tausend Neutronen a 5 Tausend Elektronen gouf fir den Experiment mat zwee Pausen gewielt! An engem ganz komplexen Experiment gouf Quanteinterferenz vun dësem risege Molekül observéiert.

Dëst huet d'Iwwerzeegung bestätegt datt D'Gesetzer vun der Quantemechanik befollegen net nëmmen elementar Partikelen, awer och all materiellen Objet. Nëmmen datt wat méi komplex den Objet ass, wat et méi mat der Ëmwelt interagéiert, wat seng subtile Quanteeigenschaften verletzt an Interferenzeffekter zerstéiert..

Quanteverbesserung a Polariséierung vum Liicht

Déi iwwerraschendst Resultater vun den Duebelslitexperimenter koumen aus der Hëllef vun enger spezieller Method fir de Photon ze verfolgen, déi seng Beweegung op kee Fall gestéiert huet. Dës Method benotzt ee vun de komeschste Quantephenomener, de sougenannte quantum Entanglement. Dëst Phänomen gouf zréck an den 30er Joren vun engem vun den Haaptgrënn vun der Quantemechanik gemierkt, Den Erwin Schrödinger.

De skepteschen Einstein (kuckt och 🙂 huet se geeschteg Handlung op enger Distanz genannt. Allerdéngs war nëmmen en halleft Joerhonnert méi spéit d'Bedeitung vun dësem Effekt realiséiert, an haut ass et e Sujet vu spezielle Interesse fir Physiker ginn.

Iwwer wat geet dësen Effekt? Wann zwee Partikelen, déi iergendwann no beienee stinn, sou staark matenee interagéieren, datt se eng Aart "Zwillingverhältnis" bilden, da bleift d'Relatioun och wann d'Partikel honnerte vu Kilometer ausenee stinn. Da behuelen d'Partikelen sech als een eenzegt System. Dëst bedeit datt wa mir eng Handlung op engem Partikel ausféieren, et direkt en anere Partikel beaflosst. Wéi och ëmmer, op dës Manéier kënnen mir net zäitlos Informatioun iwwer eng Distanz weiderginn.

E Photon ass e masselosen Deelchen - en elementar Deel vum Liicht, wat eng elektromagnetesch Welle ass. Nom Passage duerch eng Plack vum entspriechende Kristall (genannt Polarisator), gëtt d'Liicht linear polariséiert, d.h. de Vektor vum elektresche Feld vun enger elektromagnetescher Welle oszilléiert an engem bestëmmte Plang. Andeems Dir linear polariséiert Liicht duerch eng Plack vun enger gewësser Dicke vun engem anere bestëmmte Kristall (de sougenannte Véierwellenplack) passéiert, kann et an kreesfërmeg polariséiert Liicht ëmgewandelt ginn, an deem den elektresche Feldvektor sech an engem helical ( Auer oder géint Auer) Bewegung laanscht d'Richtung vun der Welleverbreedung. Deementspriechend kann ee vu linear oder kreesfërmeg polariséierte Photonen schwätzen.

Experimenter mat entangled Photonen

4a. En net-linear BBO-Kristall konvertéiert e Photon, dee vun engem Argon-Laser emittéiert ass, an zwee verschwonnene Photonen mat der Halschent vun der Energie a géigesäiteg senkrecht Polariséierung. Dës Photone sinn a verschiddene Richtungen verspreet a gi vun den Detektoren D1 an D2 opgeholl, déi duerch en Zoufallszähler LK verbonne sinn.Eng Membran mat zwee Schlitze gëtt am Wee vun engem vun de Photonen geluecht. Wann béid Detektoren déi bal gläichzäiteg Arrivée vu béide Photonen registréieren, gëtt d'Signal an der Erënnerung vum Apparat gespäichert, an den Detektor D2 trëtt parallel zu de Schlitze. D'Zuel vun de Photonen ofhängeg vun der Positioun vum Detektor D2, also opgeholl, gëtt an der Këscht ugewisen, déi d'Maxima a Minima weist, wat d'Interferenz ugeet.

Am Joer 2001 huet eng Grupp vu brasilianesche Physiker zu Belo Horizonte ënner der Leedung vum Stephen Walborn ongewéinlech Experiment. Seng Auteuren hunn d'Eegeschafte vun engem speziellen Kristall (ofgekierzt BBO) benotzt, deen e bestëmmten Deel vun de Photonen, déi vun engem Argon-Laser emittéiert sinn, an zwee Photone mat der Halschent vun der Energie ëmgewandelt hunn. Dës zwee Photone si matenee verwéckelt; wann ee vun hinnen huet, zum Beispill, horizontal Polarisatioun, déi aner vertikal Polarisatioun. Dës Photonen bewegen an zwou verschidde Richtungen a spillen verschidde Rollen am beschriwwenen Experiment.

Ee vun de Photonen déi mir nennen kontrolléieren, geet direkt an de Photonen Detektor D1 (4a). Den Detektor registréiert seng Arrivée andeems en elektrescht Signal un en Apparat schéckt deen en Hitteller genannt gëtt. LK En Interferenzexperiment gëtt um zweete Photon duerchgefouert; mir ruffen hien un Signal photon. Et gëtt en Duebelschlit a sengem Wee, gefollegt vun engem zweete Photonendetektor, D2, liicht méi wäit vun der Photonequell wéi Detektor D1. Dësen Detektor kann ëm den Dual Slot sprangen all Kéier wann et e passende Signal vum Hitteller kritt. Wann Detektor D1 e Photon registréiert, schéckt e Signal un den Zoufallszähler. Wann an engem Moment den Detektor D2 och e Photon registréiert an e Signal un de Meter schéckt, da wäert et erkennen datt et aus versteckten Photonen kënnt, an dës Tatsaach gëtt an der Erënnerung vum Apparat gespäichert. Dës Prozedur schléisst d'Aschreiwung vun zoufälleg Photonen aus, déi an den Detektor kommen.

Entangled Photone bestoe fir 400 Sekonnen. No dëser Zäit gëtt den Detektor D2 mat Respekt vun der Positioun vun de Schlitze ëm 1 mm verdrängt, an d'Zeechung vun de verwéckelte Photonen dauert nach 400 Sekonnen. Da gëtt den Detektor erëm ëm 1 mm geréckelt an d'Prozedur gëtt vill Mol widderholl. Et stellt sech eraus, datt d'Verdeelung vun der Unzuel vun de Photonen, déi op dës Manéier opgeholl goufen ofhängeg vun der Positioun vum Detektor D2, charakteristesch Maxima a Minima huet, entspriechend Liicht an Däischtert an Interferenzfrënn am Young sengem Experiment (4a).

Dat fanne mer erëm eraus eenzel Photonen, déi duerch den Duebelschlit passéieren, stéieren sech mateneen.

Wéi?

Den nächste Schrëtt am Experiment war d'Lach ze bestëmmen, duerch deen e bestëmmte Photon passéiert ouni seng Bewegung ze stéieren. Eegeschafte benotzt hei Véierelwellenplack. Virun all Schlitz gouf e Véierwelle-Platte gesat, vun deenen eng d'linear Polariséierung vum Incident Photon op kreesfërmeg Auer an deen aneren op lénkser Kreespolariséierung geännert huet (4b). Et gouf verifizéiert datt d'Art vun der Photonpolariséierung net d'Zuel vun de gezielte Photonen beaflosst. Elo kann een duerch d'Bestëmmung vun der Rotatioun vun der Polariséierung vum Photon, nodeems en duerch d'Schlitze passéiert ass, uginn, duerch wéi eng vun hinnen de Photon passéiert ass. Wësse "a wéi eng Richtung" zerstéiert Interferenz.

4b vun. Andeems Dir Véirelwellenplacke (schattéiert Rechtecker) virun de Schlitze setzt, kann "wéi eng Manéier" Informatioun kritt ginn an d'Interferenzbild verschwannen.

4c vun. Wann Dir en entspriechend orientéierte Polarisator P virum Detektor D1 setzt, läscht d'Informatioun "wéi eng Manéier" a restauréiert d'Interferenz.

Tatsächlech, no der korrekter Plazéierung vun de Véierwellenplacke virun de Schlitze verschwënnt d'virdrun observéiert Verdeelung vun den Zuelen, wat fir Interferenz bezeechent gëtt. Déi komeschst Saach ass datt dat geschitt ouni d'Participatioun vun engem bewosst Beobachter deen déi entspriechend Miessunge maache kann! Déi blo Plazéierung vu Véierwellenplacke produzéiert en Interferenzannuléierungseffekt.. Also wéi weess de Photon datt mir no der Aféierung vun de Placke de Spalt bestëmmen, duerch deen et passéiert?

Allerdéngs ass dëst net d'Enn vun der Komeschheet. Elo kënne mir d'Signal Photoninterferenz restauréieren ouni se direkt ze beaflossen. Fir dëst ze maachen, am Wee vun der Kontroll Photon erreecht Detektor D1, Plaz e Polarisator sou datt et Liicht mat enger Polariséierung iwwerdréit, datt eng Kombinatioun vun de Polarisatioune vu béiden entangled Photonen ass (4c). Dëst ännert direkt d'Polaritéit vum Signalfoton entspriechend. Elo ass et net méi méiglech mat Sécherheet festzestellen, wat d'Polariséierung vun engem Photon-Tëschefall op de Schlitze ass, an duerch wéi eng Schlitz de Photon passéiert ass. An dësem Fall gëtt d'Interferenz restauréiert!

Läschen verspéiten Auswiel Informatiounen

D'Experimenter, déi uewen beschriwwe goufen, goufen esou duerchgefouert, datt de Kontrollfoton vum Detektor D1 registréiert gouf ier de Signalfoton den Detektor D2 erreecht huet. D'Läsche vun der "wéi enger Manéier" Informatioun gouf gemaach andeems d'Polariséierung vum Kontrollfoton geännert gouf ier de Signalfoton den Detektor D2 erreecht huet. Da kann ee sech virstellen, datt de kontrolléierende Photon säin "Zwilling" scho gesot huet, wat hien duerno maache soll: intervenéieren oder net.

Elo modifizéiere mir d'Experiment esou datt de Kontrollfoton den Detektor D1 trefft nodeems de Signal Photon um Detektor D2 registréiert ass. Fir dëst ze maachen, réckelt Detektor D1 ewech vun der Photonquell. D'Interferenzmuster gesäit d'selwecht aus wéi virdrun. Loosst eis elo Véierwellenplacke virun de Schlitze setzen, fir ze bestëmmen, wéi ee Wee de Photon gemaach huet. D'Interferenzmuster verschwënnt. Als nächst, loosst eis d'Informatioun "wéi eng Manéier" läschen andeems Dir en entspriechend orientéierte Polarisator virum Detektor D1 setzt. D'Interferenzmuster erschéngt erëm! D'Läsche gouf awer gemaach nodeems de Signalfoton vum Detektor D2 registréiert gouf. Wéi ass dat méiglech? De Photon huet misse vun der Polaritéitsännerung bewosst sinn, ier all Informatioun doriwwer konnt erreechen.

5. Experimenter mat engem Laserstrahl.

Déi natierlech Sequenz vun Evenementer ass hei ëmgedréint; Effekt virun Ursaach! Dëst Resultat ënnergruewt de Prinzip vun der Kausalitéit an der Realitéit ronderëm eis. Oder vläicht ass d'Zäit egal wann et ëm verwéckelt Partikelen geet? D'Quanteverrécklung verstéisst de Prinzip vun der Lokalitéit an der klassescher Physik, no deem en Objet nëmme vu sengem direkten Ëmfeld beaflosst ka ginn.

Zënter dem brasilianesche Experiment goufe vill ähnlech Experimenter duerchgefouert, déi d'Resultater déi hei presentéiert ginn, voll bestätegen. Um Enn wëll de Lieser d'Geheimnis vun dësen onerwaarte Phänomener kloer erklären. Leider kann dat net gemaach ginn. D'Logik vun der Quantemechanik ass anescht wéi d'Logik vun der Welt déi mir all Dag gesinn. Mir mussen dat bescheiden akzeptéieren a freeën eis iwwer d'Tatsaach, datt d'Gesetzer vun der Quantemechanik d'Phänomener, déi am Mikrokosmos optrieden, genee beschreiwen, déi nëtzlech an ëmmer méi fortgeschratt techneschen Apparater benotzt ginn.