Квант механикийн зүрхэнд

XNUMX-р зууны хамгийн агуу физикчдийн нэг Ричард Фейнман квант механикийг ойлгох түлхүүр бол "давхар ангарлын туршилт" гэж үзсэн. Өнөөдөр хийгдсэн энэхүү энгийн туршилт нь гайхалтай нээлтүүдийг хийсээр байна. Тэд сүүлийн тавин жилийн хамгийн чухал нээлтүүдийг хийхэд хүргэсэн квант механик нь эрүүл саруул ухаанд хэр нийцэхгүй байгааг харуулж байна.

Тэрээр анх удаа давхар ангархай туршилт хийжээ. Томас Янг (1) XIX зууны эхээр Англид.

Янгийн туршилт

Туршилтыг өмнө дурдсанчлан гэрэл нь корпускуляр шинж чанартай биш харин долгионы шинж чанартай болохыг харуулахын тулд ашигласан. Исаак Ньютон. Залуу гэрэл дуулгавартай байдгийг сая л харуулсан хөндлөнгийн оролцоо - хамгийн онцлог шинж чанар болох үзэгдэл (долгионы төрөл, тархаж буй орчиноос үл хамааран). Өнөөдөр квант механик эдгээр логикийн хувьд зөрчилтэй хоёр үзлийг нэгтгэж байна.

Давхар ангархай туршилтын мөн чанарыг эргэн санацгаая. Ердийнх шигээ хайрга хаясан газрын эргэн тойронд төвлөрсөн байдлаар тархах усны гадаргуу дээрх давалгааг хэлж байна. 

Долгион нь эвдрэлийн цэгээс цацрах дараалсан орой ба тэвшээс үүсдэг ба оройн хоорондох тогтмол зайг барьж, долгионы урт гэж нэрлэдэг. Долгионы замд саадыг байрлуулж болно, жишээлбэл, ус чөлөөтэй урсах боломжтой хоёр нарийн нүхтэй самбар хэлбэрээр. Ус руу хайрга шидэхэд долгион нь хуваалт дээр зогсдог - гэхдээ тийм ч сайн биш. Хоёр шинэ төвлөрсөн долгион (2) одоо хоёр нүхнээс хуваалтын нөгөө тал руу тархаж байна. Тэдгээр нь бие биендээ наасан, эсвэл бидний хэлснээр бие биендээ саад болж, гадаргуу дээр өвөрмөц хэв маягийг бий болгодог. Нэг давалгааны орой нөгөө давалгаатай нийлсэн газар усны товойлт эрчимжиж, хөндий нь хөндийтэй нийлсэн газарт хонхор гүн гүнзгийрдэг.

2. Хоёр ховилоос гарч буй долгионы хөндлөнгийн оролцоо.

Янгийн туршилтаар цэгийн эх үүсвэрээс ялгарах нэг өнгийн гэрэл нь хоёр ангархай бүхий тунгалаг бус диафрагмыг дайран өнгөрч, тэдгээрийн араас дэлгэцэн дээр тусдаг (өнөөдөр бид лазер гэрэл болон CCD ашиглахыг илүүд үздэг). Дэлгэц дээр гэрлийн долгионы интерференцийн дүрс нь ээлжлэн ээлжлэн гэрэл ба бараан судал хэлбэрээр харагдана (3). Энэ үр дүн нь XNUMX-аад оны эхэн үеийн нээлтүүд гэрэл мөн долгион гэдгийг харуулахаас өмнө гэрлийг долгион гэсэн итгэл үнэмшлийг улам бататгасан юм. фотоны урсгал тайван массгүй хөнгөн бөөмс юм. Хожим нь нууцлаг болсон нь тодорхой болсон долгион-бөөмийн хоёрдмол байдалГэрэлд анх нээсэн нь масстай бусад бөөмсүүдэд ч хамаатай. Удалгүй энэ нь дэлхийн квант механикийн шинэ тодорхойлолтын үндэс болсон.

3. Янгийн туршилтын алсын хараа

Бөөмүүд нь мөн саад болдог

1961 онд Тюбингений их сургуулийн Клаус Жонссон электрон микроскоп ашиглан асар том бөөмс болох электронуудын хөндлөнгийн оролцоог харуулсан. Арван жилийн дараа Болоньягийн их сургуулийн гурван Италийн физикч түүнтэй ижил төстэй туршилт хийжээ нэг электрон интерференц (давхар ангарлын оронд бипризм гэж нэрлэгддэг хэсгийг ашиглан). Тэд электрон цацрагийн эрчмийг маш бага хэмжээнд хүртэл бууруулж, электронууд хоёр призмээр ар араасаа цувран өнгөрч байв. Эдгээр электронуудыг флюресцент дэлгэц дээр бүртгэсэн.

Эхэндээ электрон мөрүүд нь дэлгэцэн дээр санамсаргүй байдлаар тархсан боловч цаг хугацаа өнгөрөхөд тэдгээр нь интерференцийн захын тодорхой интерференцийн дүрсийг бий болгосон. Янз бүрийн цаг үед завсарлагаанаар дамжин өнгөрөх хоёр электрон бие биендээ саад учруулах нь боломжгүй юм шиг санагддаг. Тиймээс бид үүнийг хүлээн зөвшөөрөх ёстой нэг электрон өөрөө өөртөө саад болдог! Гэхдээ дараа нь электрон хоёр ангархайг нэгэн зэрэг нэвтрүүлэх ёстой.

Энэ нь электрон үнэхээр дамжсан нүхийг харах сонирхолтой байж магадгүй юм. Цаашид бид электроны хөдөлгөөнд саад учруулахгүйгээр хэрхэн ийм ажиглалт хийхийг харах болно. Хэрэв бид электрон хүлээн авсан зүйлийн талаар мэдээлэл авбал интерференц ... алга болно! "Хэрхэн" мэдээлэл нь хөндлөнгийн оролцоог устгадаг. Энэ нь ухамсартай ажиглагч байгаа нь бие махбодийн үйл явцын явцад нөлөөлдөг гэсэн үг үү?

Давхар ангархай туршилтуудын илүү гайхалтай үр дүнгийн талаар ярихаасаа өмнө би хөндлөнгөөс оролцож буй объектуудын хэмжээсийн талаар жижиг ухралт хийх болно. Массын объектуудын квант интерференцийг эхлээд электронууд, дараа нь масс нь нэмэгдэж буй бөөмс: нейтрон, протон, атом, эцэст нь том химийн молекулуудын хувьд нээсэн.

2011 онд квант интерференцийн үзэгдлийг харуулсан объектын хэмжээний рекордыг эвдсэн. Туршилтыг Венийн их сургуульд тухайн үеийн докторант хийжээ. Сандра Эйбенбергер болон түүний хамтрагчид. Туршилтанд 5 протон, 5 мянган нейтрон, 5 мянган электрон агуулсан цогц органик молекулыг хоёр завсарлагатайгаар сонгосон! Маш нарийн төвөгтэй туршилтаар энэ асар том молекулын квант интерференц ажиглагдсан.

Энэ нь итгэл үнэмшлийг баталгаажуулсан Квант механикийн хуулиуд нь зөвхөн энгийн бөөмс төдийгүй материаллаг объект бүрт захирагддаг. Гагцхүү объект нь нарийн төвөгтэй байх тусам хүрээлэн буй орчинтой илүү их харьцдаг бөгөөд энэ нь түүний нарийн квант шинж чанарыг зөрчиж, хөндлөнгийн нөлөөллийг устгадаг..

Гэрлийн квант орооцолдол ба туйлшрал

Давхар ангархай туршилтын хамгийн гайхалтай үр дүн нь фотоныг хянах тусгай аргыг ашигласан бөгөөд энэ нь түүний хөдөлгөөнд ямар ч саад учруулдаггүй. Энэ арга нь хамгийн хачирхалтай квант үзэгдлүүдийн нэгийг ашигладаг квант орооцолдол. Энэ үзэгдлийг 30-аад онд квант механикийн гол бүтээгчдийн нэг анзаарсан. Эрвин Schrödinger.

Эргэлзээтэй Эйнштейн (мөн 🙂 тэднийг алсын зайд хий үзэгдэл гэж нэрлэдэг. Гэсэн хэдий ч хагас зууны дараа л энэ нөлөөний ач холбогдлыг олж мэдсэн бөгөөд өнөөдөр энэ нь физикчдийн онцгой сонирхлын сэдэв болжээ.

Энэ нөлөө нь юу вэ? Хэзээ нэгэн цагт бие биентэйгээ ойрхон байгаа хоёр бөөмс бие биентэйгээ маш хүчтэй харилцан үйлчилж, нэг төрлийн "ихэр харилцаа" үүсгэдэг бол бөөмс хоорондоо хэдэн зуун километрийн зайд байсан ч энэ харилцаа хэвээр үлдэнэ. Дараа нь бөөмс нь нэг систем шиг ажилладаг. Энэ нь бид нэг бөөм дээр үйлдэл хийхэд тэр даруй нөгөө бөөмсөнд нөлөөлдөг гэсэн үг юм. Гэсэн хэдий ч ийм байдлаар бид мэдээллийг цаг хугацааны хувьд алсын зайд дамжуулж чадахгүй.

Фотон бол массгүй бөөмс - гэрлийн үндсэн хэсэг бөгөөд цахилгаан соронзон долгион юм. Харгалзах болор хавтанг (туйлшруулагч гэж нэрлэдэг) дамжуулсны дараа гэрэл шугаман туйлширч, өөрөөр хэлбэл. цахилгаан соронзон долгионы цахилгаан талбайн вектор нь тодорхой хавтгайд хэлбэлздэг. Хариуд нь шугаман туйлширсан гэрлийг өөр нэг талстаас (дөрөвний долгион гэж нэрлэдэг) тодорхой зузаантай хавтангаар дамжуулснаар цахилгаан талбайн вектор нь мушгиа хэлбэрээр хөдөлдөг дугуй туйлширсан гэрэл болгон хувиргаж болно. цагийн зүүний дагуу эсвэл цагийн зүүний эсрэг) долгионы тархалтын чиглэлийн дагуух хөдөлгөөн. Үүний дагуу шугаман эсвэл дугуй туйлширсан фотонуудын тухай ярьж болно.

Орооцолдсон фотонуудтай хийсэн туршилтууд

4а. Шугаман бус BBO талст нь аргон лазераас ялгарах фотоныг хагас энергитэй, харилцан перпендикуляр туйлшрал бүхий орооцолдсон хоёр фотон болгон хувиргадаг. Эдгээр фотонууд өөр өөр чиглэлд тархаж, D1, D2 детекторуудаар бүртгэгдэж, LK давхцлын тоолуураар холбогддог.Хоёр ангархайтай диафрагмыг фотонуудын аль нэгнийх нь замд байрлуулсан. Хоёр детектор хоёулаа хоёулангийнх нь бараг нэгэн зэрэг ирснийг бүртгэх үед дохио нь төхөөрөмжийн санах ойд хадгалагдах бөгөөд D2 детектор нь ангархайтай зэрэгцэн алхдаг. D2 детекторын байрлалаас хамаарч фотонуудын тоог ийм байдлаар тэмдэглэж, интерференцийг харуулсан максимум ба минимумыг харуулсан хайрцагт үзүүлэв.

2001 онд Белу-Оризонти хотод Бразилийн физикчдийн нэг хэсэг Стивен Уолбурн ер бусын туршилт. Зохиогчид нь аргон лазераар ялгарах фотонуудын тодорхой хэсгийг энергийн тал хувьтай хоёр фотон болгон хувиргадаг тусгай талст (BBO гэж товчилсон) шинж чанарыг ашигласан. Эдгээр хоёр фотон нь хоорондоо орооцолдсон; Тэдний нэг нь жишээлбэл хэвтээ туйлшралтай байхад нөгөө нь босоо туйлшралтай байдаг. Эдгээр фотонууд хоёр өөр чиглэлд хөдөлж, тайлбарласан туршилтанд өөр өөр үүрэг гүйцэтгэдэг.

Бидний нэрлэх гэж буй фотонуудын нэг хяналт, фотон илрүүлэгч D1 (4a) руу шууд очдог. Илрүүлэгч нь цохилтын тоолуур гэж нэрлэгддэг төхөөрөмж рүү цахилгаан дохио илгээж ирснээ бүртгэдэг. LK Хоёрдахь фотон дээр хөндлөнгийн туршилт явуулна; бид түүнийг дуудна дохионы фотон. Түүний замд давхар ангархай байгаа бөгөөд түүний араас хоёр дахь фотон илрүүлэгч D2 нь фотоны эх үүсвэрээс D1 детектороос арай хол зайд оршдог. Энэ детектор нь цохилтын тоолуураас зохих дохиог хүлээн авах бүрдээ хос үүртэй холбоотой үсрэх боломжтой. Детектор D1 фотоныг бүртгэхдээ давхцлын тоолуурт дохио илгээдэг. Хэрэв агшин зуурын детектор D2 мөн фотоныг бүртгэж, тоолуур руу дохио илгээвэл энэ нь орооцолдсон фотонуудаас ирснийг хүлээн зөвшөөрөх бөгөөд энэ баримт нь төхөөрөмжийн санах ойд хадгалагдах болно. Энэ процедур нь детектор руу орж буй санамсаргүй фотонуудын бүртгэлийг оруулаагүй болно.

Орооцолдсон фотонууд 400 секундын турш үлддэг. Энэ хугацааны дараа детектор D2 нь ангархайн байрлалтай харьцуулахад 1 мм-ээр шилжиж, орооцолдсон фотоныг тоолоход дахин 400 секунд зарцуулагдана. Дараа нь детекторыг дахин 1 мм-ээр хөдөлгөж, процедурыг олон удаа давтана. Д2 детекторын байрлалаас хамааран ийм байдлаар бүртгэгдсэн фотонуудын тооны тархалт нь Янгийн туршилтанд (4a) гэрэл, харанхуй, интерференцийн ирмэгт тохирсон максимум, минимумтай байдаг.

Бид үүнийг дахин олж мэдэв давхар ангархайгаар дамжин өнгөрөх ганц фотонууд бие биедээ саад болдог.

Яаж?

Туршилтын дараагийн алхам нь тухайн фотон хөдөлгөөнд саад учруулахгүйгээр дамжин өнгөрөх нүхийг тодорхойлох явдал байв. Энд ашигласан шинж чанарууд дөрөвний долгионы хавтан. Хагархай бүрийн өмнө дөрөвний нэг долгионы хавтанг байрлуулсан бөгөөд тэдгээрийн нэг нь туссан фотоны шугаман туйлшралыг цагийн зүүний дагуу дугуй, нөгөөг нь зүүн талын дугуй туйлшрал болгон өөрчилсөн (4b). Фотоны туйлшралын төрөл нь тоологдсон фотоны тоонд нөлөөлөөгүй нь батлагдсан. Одоо фотон ангархайг дайран өнгөрсний дараа түүний туйлшралын эргэлтийг тодорхойлсноор фотон тэдгээрийн алинаар нь өнгөрснийг зааж өгөх боломжтой. "Аль чиглэлд" гэдгийг мэдэх нь хөндлөнгийн оролцоог устгадаг.

4б. Хагарлын өмнө дөрөвний долгионы хавтангуудыг (сүүдэрлэсэн тэгш өнцөгтүүд) байрлуулснаар "ямар зүгт" гэсэн мэдээлэл авах боломжтой бөгөөд хөндлөнгийн дүрс алга болно.

4c. D1 детекторын өмнө зохих чиглэгдсэн туйлшруулагч P-г байрлуулах нь "ямар зүгт" гэсэн мэдээллийг устгаж, хөндлөнгийн оролцоог сэргээдэг.

Үнэндээ, Хагарлын өмнө дөрөвний долгионы хавтанг зөв байрлуулсны дараа хөндлөнгийн оролцоог харуулсан тооллогын урьд өмнө ажиглагдсан хуваарилалт алга болно. Хамгийн хачирхалтай нь энэ нь зохих хэмжилтийг хийж чадах ухамсартай ажиглагчийн оролцоогүйгээр тохиолддог! Дөрөвний долгионы хавтанг байрлуулах нь хөндлөнгийн оролцоог арилгах үр нөлөөг бий болгодог.. Тэгэхээр фотон ялтсуудыг оруулсны дараа бид түүний дамжсан цоорхойг тодорхойлж чадна гэдгийг яаж мэдэх вэ?

Гэсэн хэдий ч энэ нь хачирхалтай байдлын төгсгөл биш юм. Одоо бид дохионы фотоны хөндлөнгийн оролцоог шууд нөлөөлөхгүйгээр сэргээж чадна. Үүнийг хийхийн тулд D1 детекторт хүрэх хяналтын фотоны замд туйлшруулагч байрлуулж, энэ нь хоёр орооцолдсон фотонуудын (4c) туйлшралын хослол болох туйлшрал бүхий гэрлийг дамжуулдаг. Энэ нь дохионы фотоны туйлшралыг нэн даруй өөрчилдөг. Одоо хагарлууд дээрх фотоны туйлшрал гэж юу болохыг, фотон аль ангарлаар дамжсаныг баттай тодорхойлох боломжгүй болсон. Энэ тохиолдолд хөндлөнгийн оролцоо сэргээгдэх болно!

Хойшлогдсон сонголтын мэдээллийг арилгах

Дээр дурдсан туршилтуудыг D1 детекторт дохионы фотон хүрэхээс өмнө хяналтын фотоныг D2 детектор бүртгэсэн байхаар хийсэн. Дохионы фотон детектор D2 хүрэхээс өмнө хяналтын фотоны туйлшралыг өөрчилснөөр "ямар тийшээ" гэсэн мэдээллийг устгасан. Дараа нь удирдаж буй фотон нь "ихэр"-дээ дараа нь юу хийхээ аль хэдийн хэлсэн гэж төсөөлж болно: хөндлөнгөөс оролцох эсвэл үгүй.

Одоо бид туршилтыг D1 детектор дээр дохионы фотон бүртгэгдсэний дараа хяналтын фотон D2 детекторыг цохих байдлаар өөрчилж байна. Үүнийг хийхийн тулд D1 илрүүлэгчийг фотоны эх үүсвэрээс холдуул. Хөндлөнгийн загвар нь өмнөхтэй ижил харагдаж байна. Одоо фотон ямар замаар явсныг тодорхойлохын тулд хагарлын өмнө дөрөвний долгионы хавтангуудыг байрлуулцгаая. Хөндлөнгийн хэв маяг алга болно. Дараа нь D1 детекторын өмнө зөв чиглүүлсэн туйлшруулагчийг байрлуулж "ямар зүгт" гэсэн мэдээллийг устгая. Хөндлөнгийн загвар дахин гарч ирнэ! Гэсэн хэдий ч D2 детектороор дохионы фотон бүртгэгдсэний дараа устгасан. Энэ яаж боломжтой вэ? Фотонд ямар нэгэн мэдээлэл хүрэхээс өмнө туйлын өөрчлөлтийг мэдэж байх ёстой.

5. Лазер туяагаар хийсэн туршилт.

Үйл явдлын байгалийн дараалал энд эсрэгээрээ байна; үр нөлөө нь шалтгаанаас өмнө! Энэ үр дүн нь бидний эргэн тойрон дахь бодит байдлын учир шалтгааны зарчмыг алдагдуулж байна. Эсвэл орооцолдсон бөөмсийн хувьд цаг хугацаа чухал биш юм болов уу? Квант орооцолдох нь сонгодог физикийн орон нутгийн зарчмыг зөрчиж, объектод зөвхөн ойр орчмын нөлөөлөл үзүүлэх боломжтой байдаг.

Бразилийн туршилтаас хойш ижил төстэй олон туршилтууд хийгдсэн бөгөөд энэ нь энд үзүүлсэн үр дүнг бүрэн баталж байна. Эцэст нь уншигч та эдгээр гэнэтийн үзэгдлийн нууцыг тодорхой тайлбарлахыг хүсч байна. Харамсалтай нь үүнийг хийх боломжгүй. Квант механикийн логик нь бидний өдөр тутам хардаг ертөнцийн логикоос өөр юм. Бид үүнийг даруухнаар хүлээн зөвшөөрч, квант механикийн хуулиудад бичил сансар огторгуйд тохиолдох үзэгдлүүдийг үнэн зөв дүрсэлж, улам дэвшилтэт техникийн төхөөрөмжүүдэд ашигтайгаар ашиглаж байгаад баярлах ёстой.