V srdci kvantové mechaniky

Richard Feynman, jeden z největších fyziků XNUMX. století, tvrdil, že klíčem k pochopení kvantové mechaniky je „experiment s dvojitou štěrbinou“. Tento koncepčně jednoduchý experiment, který se dnes provádí, nadále přináší úžasné objevy. Ukazují, jak neslučitelná se zdravým rozumem je kvantová mechanika, která nakonec vedla k nejdůležitějším vynálezům posledních padesáti let.

Poprvé provedl dvouštěrbinový experiment. Thomas Young (1) v Anglii na počátku devatenáctého století.

Youngův experiment

Experiment byl použit k prokázání, že světlo má vlnovou povahu a nikoli korpuskulární povahu, jak bylo uvedeno dříve. Isaac Newton. Young právě ukázal, že světlo poslouchá zásah - jev, který je nejcharakterističtějším znakem (bez ohledu na typ vlny a prostředí, ve kterém se šíří). Kvantová mechanika dnes tyto dva logicky protichůdné názory uvádí do souladu.

Připomeňme si podstatu dvouštěrbinového experimentu. Jako obvykle mám na mysli vlnu na hladině vody, která se soustředně šíří kolem místa, kde byl oblázek odhozen. 

Vlna je tvořena po sobě jdoucími hřebeny a prohlubněmi vyzařujícími z místa narušení, přičemž se mezi hřebeny udržuje konstantní vzdálenost, která se nazývá vlnová délka. Do dráhy vlny lze umístit zábranu např. v podobě desky se dvěma úzkými proříznutými štěrbinami, kterými může voda volně proudit. Hodím kamínek do vody, vlna se zastaví na přepážce – ale ne tak docela. Dvě nové soustředné vlny (2) se nyní šíří na druhou stranu přepážky z obou slotů. Jsou na sebe navrstvené, nebo, jak říkáme, se vzájemně ruší a vytvářejí na povrchu charakteristický vzor. V místech, kde se hřeben jedné vlny stýká s hřebenem druhé, se vodní výduť zintenzivňuje a kde se prohlubeň stýká s údolím, prohlubeň se prohlubuje.

2. Rušení vln vycházejících ze dvou slotů.

V Youngově experimentu jednobarevné světlo vyzařované z bodového zdroje prochází neprůhlednou membránou se dvěma štěrbinami a dopadá na obrazovku za nimi (dnes bychom raději použili laserové světlo a CCD). Na obrazovce je pozorován interferenční obraz světelné vlny ve formě řady střídajících se světlých a tmavých pruhů (3). Tento výsledek posílil víru, že světlo je vlna, než objevy na počátku XNUMX. století ukázaly, že světlo je také vlna. tok fotonů jsou lehké částice, které nemají klidovou hmotnost. Později se ukázalo, že tajemný dualita vlna-částicepoprvé objevené pro světlo platí také pro jiné částice obdařené hmotou. Brzy se stal základem pro nový kvantově mechanický popis světa.

3. Vize Youngova experimentu

Částice také ruší

V roce 1961 Klaus Jonsson z univerzity v Tübingenu prokázal interferenci masivních částic – elektronů pomocí elektronového mikroskopu. O deset let později provedli tři italští fyzici z univerzity v Bologni podobný experiment s jednoelektronové rušení (použití tzv. biprismu místo dvojité štěrbiny). Snížili intenzitu elektronového paprsku na tak nízkou hodnotu, že elektrony procházely biprismem jeden za druhým, jeden za druhým. Tyto elektrony byly registrovány na fluorescenčním stínítku.

Zpočátku byly elektronové stopy rozmístěny po obrazovce náhodně, ale postupem času vytvořily zřetelný interferenční obraz interferenčních proužků. Zdá se nemožné, že by dva elektrony procházející štěrbinami za sebou v různých časech mohly vzájemně interferovat. Proto to musíme uznat jeden elektron interferuje sám se sebou! Pak by ale elektron musel projít oběma štěrbinami současně.

Může být lákavé podívat se na díru, kterou elektron skutečně prošel. Později uvidíme, jak takové pozorování provést, aniž bychom narušili pohyb elektronu. Ukazuje se, že pokud získáme informace o tom, co elektron přijal, pak rušení ... zmizí! Informace „jak“ ničí rušení. Znamená to, že přítomnost vědomého pozorovatele ovlivňuje průběh fyzikálního procesu?

Než budu mluvit o ještě překvapivějších výsledcích dvouštěrbinových experimentů, udělám malou odbočku o velikostech rušivých objektů. Kvantová interference hmotných objektů byla objevena nejprve pro elektrony, poté pro částice s rostoucí hmotností: neutrony, protony, atomy a nakonec pro velké chemické molekuly.

V roce 2011 byl překonán rekord velikosti objektu, na kterém byl demonstrován fenomén kvantové interference. Experiment prováděl na vídeňské univerzitě tehdejší doktorand. Sandra Eibenbergerová a její společníci. Pro experiment se dvěma přestávkami byla vybrána složitá organická molekula obsahující asi 5 protonů, 5 tisíc neutronů a 5 tisíc elektronů! Ve velmi složitém experimentu byla pozorována kvantová interference této obrovské molekuly.

Tím se potvrdilo přesvědčení, že Zákony kvantové mechaniky se řídí nejen elementárními částicemi, ale i každým hmotným objektem. Pouze to, že čím je objekt složitější, tím více interaguje s prostředím, což narušuje jeho jemné kvantové vlastnosti a ničí interferenční efekty..

Kvantové zapletení a polarizace světla

Nejpřekvapivější výsledky dvouštěrbinových experimentů přineslo použití speciální metody sledování fotonu, která nijak nenarušovala jeho pohyb. Tato metoda využívá jeden z nejpodivnějších kvantových jevů, tzv Kvantové zapletení. Tohoto jevu si všiml již ve 30. letech jeden z hlavních tvůrců kvantové mechaniky, Erwin Schrödinger.

Skeptický Einstein (viz také 🙂 je nazval strašidelným působením na dálku. Teprve o půl století později si však význam tohoto efektu uvědomil a dnes se stal předmětem zvláštního zájmu fyziků.

V čem spočívá tento efekt? Pokud dvě částice, které jsou v určitém okamžiku blízko sebe, na sebe vzájemně působí tak silně, že vytvoří jakýsi „dvojitý vztah“, pak vztah přetrvává, i když jsou částice od sebe vzdáleny stovky kilometrů. Poté se částice chovají jako jeden systém. To znamená, že když provedeme akci na jednu částici, okamžitě to ovlivní další částici. Takto však nemůžeme nadčasově přenášet informace na dálku.

Foton je bezhmotná částice - elementární část světla, což je elektromagnetické vlnění. Po průchodu destičkou odpovídajícího krystalu (tzv. polarizátor) se světlo lineárně polarizuje, tzn. vektor elektrického pole elektromagnetické vlny kmitá v určité rovině. Průchodem lineárně polarizovaného světla přes desku určité tloušťky z jiného konkrétního krystalu (tzv. čtvrtvlnná deska) může být přeměněno na kruhově polarizované světlo, ve kterém se vektor elektrického pole pohybuje po šroubovici ( ve směru nebo proti směru hodinových ručiček) pohyb ve směru šíření vlny. Podle toho lze hovořit o lineárně nebo kruhově polarizovaných fotonech.

Experimenty s provázanými fotony

4a. Nelineární krystal BBO převádí foton emitovaný argonovým laserem na dva provázané fotony s poloviční energií a vzájemně kolmou polarizací. Tyto fotony se rozptylují do různých směrů a jsou registrovány detektory D1 a D2, propojenými koincidenčním čítačem LK.V dráze jednoho z fotonů je umístěna clona se dvěma štěrbinami. Když oba detektory zaregistrují téměř současný příchod obou fotonů, signál se uloží do paměti zařízení a detektor D2 postupuje paralelně se štěrbinami. Počet fotonů v závislosti na poloze detektoru D2, takto zaznamenaný, je zobrazen v rámečku s maximy a minimy, indikujícími interferenci.

V roce 2001 vystoupila skupina brazilských fyziků v Belo Horizonte pod vedením o Stephen Walborn neobvyklý experiment. Jeho autoři využili vlastnosti speciálního krystalu (zkráceně BBO), který přeměňuje určitou část fotonů emitovaných argonovým laserem na dva fotony s poloviční energií. Tyto dva fotony jsou vzájemně propletené; když jeden z nich má například horizontální polarizaci, druhý má vertikální polarizaci. Tyto fotony se pohybují dvěma různými směry a hrají v popsaném experimentu různé role.

Jeden z fotonů, který pojmenujeme ovládání, jde přímo do fotonového detektoru D1 (4a). Detektor zaregistruje svůj příchod odesláním elektrického signálu do zařízení zvaného počítadlo zásahů. LK Na druhém fotonu bude proveden interferenční experiment; zavoláme mu signální foton. V jeho dráze je dvojitá štěrbina, za kterou následuje druhý fotonový detektor D2, o něco dále od zdroje fotonů než detektor D1. Tento detektor může přeskakovat ve vztahu k duálnímu slotu pokaždé, když obdrží vhodný signál z čítače zásahů. Když detektor D1 zaregistruje foton, vyšle signál do koincidenčního čítače. Pokud za okamžik zaregistruje i detektor D2 foton a vyšle signál do měřiče, pak pozná, že pochází z provázaných fotonů a tato skutečnost se uloží do paměti přístroje. Tento postup vylučuje registraci náhodných fotonů vstupujících do detektoru.

Zapletené fotony přetrvávají 400 sekund. Po této době se detektor D2 posune o 1 mm vzhledem k poloze štěrbin a počítání provázaných fotonů trvá dalších 400 sekund. Poté se detektor opět posune o 1 mm a postup se mnohokrát opakuje. Ukazuje se, že rozložení počtu takto zaznamenaných fotonů v závislosti na poloze detektoru D2 má charakteristická maxima a minima odpovídající světlu a tmě a interferenční proužky v Youngově experimentu (4a).

Znovu to zjišťujeme jednotlivé fotony procházející dvojitou štěrbinou se vzájemně ruší.

Jak je to možné?

Dalším krokem experimentu bylo určení otvoru, kterým prošel konkrétní foton, aniž by narušil jeho pohyb. Zde použité vlastnosti čtvrtvlnná deska. Před každou štěrbinou byla umístěna čtvrtvlnná deska, z nichž jedna změnila lineární polarizaci dopadajícího fotonu na kruhovou ve směru hodinových ručiček a druhá na levostrannou kruhovou polarizaci (4b). Bylo ověřeno, že typ fotonové polarizace neovlivnil počet počítaných fotonů. Nyní určením rotace polarizace fotonu poté, co prošel štěrbinami, je možné označit, kterou z nich foton prošel. Vědět „kterým směrem“ ničí rušení.

4b. Umístěním čtvrtvlnných desek (stínovaných obdélníků) před štěrbiny lze získat informaci „kterou cestou“ a interferenční obraz zmizí.

4c. Umístěním vhodně orientovaného polarizátoru P před detektor D1 se vymaže informace „kudy“ a obnoví se interference.

Ve skutečnosti, po správném umístění čtvrtvlnných destiček před štěrbiny zmizí dříve pozorovaná distribuce impulzů, svědčící o interferenci. Nejpodivnější je, že se to děje bez účasti vědomého pozorovatele, který může provést příslušná měření! Pouhé umístění čtvrtvlnných desek vytváří efekt zrušení interference.. Jak tedy foton ví, že po vložení desek můžeme určit mezeru, kterou prošel?

Tím však podivnosti nekončí. Nyní můžeme obnovit fotonovou interferenci signálu, aniž bychom ji přímo ovlivnili. K tomu umístěte do dráhy kontrolního fotonu dosahujícího detektor D1 polarizátor tak, aby propouštěl světlo s polarizací, která je kombinací polarizací obou provázaných fotonů (4c). Tím se okamžitě odpovídajícím způsobem změní polarita signálního fotonu. Nyní již není možné s jistotou určit, jaká je polarizace fotonu dopadajícího na štěrbiny a jakou štěrbinou foton prošel. V tomto případě je rušení obnoveno!

Vymazat informace o zpožděném výběru

Výše popsané experimenty byly provedeny tak, že kontrolní foton byl registrován detektorem D1 předtím, než signální foton dosáhl detektoru D2. Vymazání informace "která cesta" bylo provedeno změnou polarizace řídícího fotonu předtím, než signální foton dosáhl detektoru D2. Pak si lze představit, že řídící foton už svému „dvojčeti“ řekl, co má dělat dál: zasáhnout nebo ne.

Nyní experiment upravíme tak, že kontrolní foton narazí na detektor D1 poté, co je signální foton zaregistrován na detektoru D2. Chcete-li to provést, přesuňte detektor D1 od zdroje fotonů. Interferenční obrazec vypadá stejně jako předtím. Nyní před štěrbiny položíme čtvrtvlnné desky, abychom určili, jakou dráhu foton prošel. Interferenční obrazec zmizí. Dále vymažeme informaci „kudy“ umístěním vhodně orientovaného polarizátoru před detektor D1. Opět se objeví interferenční obrazec! Vymazání však bylo provedeno poté, co byl signální foton zaregistrován detektorem D2. Jak je tohle možné? Foton si musel být vědom změny polarity, než se k němu mohla dostat jakákoli informace o něm.

5. Experimenty s laserovým paprskem.

Přirozený sled událostí je zde obrácený; účinek předchází příčinu! Tento výsledek podkopává princip kauzality v realitě kolem nás. Nebo možná čas nehraje roli, pokud jde o zapletené částice? Kvantové provázání porušuje princip lokality v klasické fyzice, podle kterého může být objekt ovlivněn pouze jeho bezprostředním okolím.

Od brazilského experimentu bylo provedeno mnoho podobných experimentů, které plně potvrzují zde prezentované výsledky. Na závěr by čtenář rád srozumitelně vysvětlil záhadu těchto nečekaných jevů. Bohužel to nelze udělat. Logika kvantové mechaniky se liší od logiky světa, který vidíme každý den. Musíme to s pokorou přijmout a radovat se z toho, že zákony kvantové mechaniky přesně popisují jevy vyskytující se v mikrokosmu, které jsou užitečně využívány ve stále pokročilejších technických zařízeních.