კვანტური მექანიკის გულში

რიჩარდ ფეინმანი, მე-XNUMX საუკუნის ერთ-ერთი უდიდესი ფიზიკოსი, ამტკიცებდა, რომ კვანტური მექანიკის გაგების გასაღები არის „ორმაგი ჭრილობის ექსპერიმენტი“. ეს კონცეპტუალურად მარტივი ექსპერიმენტი, რომელიც დღეს ტარდება, აგრძელებს გასაოცარ აღმოჩენებს. ისინი აჩვენებენ, თუ რამდენად შეუთავსებელია საღი აზროვნება კვანტური მექანიკა, რამაც საბოლოოდ გამოიწვია ბოლო ორმოცდაათი წლის ყველაზე მნიშვნელოვანი გამოგონებები.

პირველად მან ჩაატარა ორმაგი ჭრილის ექსპერიმენტი. თომას იანგი (1) ინგლისში მეცხრამეტე საუკუნის დასაწყისში.

იანგის ექსპერიმენტი

ექსპერიმენტი გამოიყენეს იმის დასანახად, რომ სინათლე ტალღური ხასიათისაა და არა კორპუსკულარული, როგორც ადრე იყო ნათქვამი. ისააკ ნიუტონი. ახალგაზრდამ აჩვენა, რომ სინათლე ემორჩილება ინტერვენცია - ფენომენი, რომელიც ყველაზე დამახასიათებელი თვისებაა (მიუხედავად ტალღის ტიპისა და საშუალებისა, რომელშიც ის ვრცელდება). დღეს კვანტური მექანიკა აერთიანებს ამ ორ ლოგიკურად ურთიერთგამომრიცხავ შეხედულებას.

გავიხსენოთ ორმაგი ჭრილობის ექსპერიმენტის არსი. ჩვეულებისამებრ, ვგულისხმობ ტალღას წყლის ზედაპირზე, რომელიც კონცენტრიულად ვრცელდება კენჭის გადაყრის ადგილის გარშემო. 

ტალღა წარმოიქმნება თანმიმდევრული მწვერვალებითა და ღრმულებით, რომლებიც ასხივებენ არეულობის წერტილიდან, ხოლო მუდმივი მანძილის შენარჩუნებას წვეროებს შორის, რასაც ტალღის სიგრძე ეწოდება. ბარიერი შეიძლება განთავსდეს ტალღის გზაზე, მაგალითად, დაფის სახით ორი ვიწრო ჭრილით, რომლითაც წყალი თავისუფლად მიედინება. წყალში კენჭის ჩაგდებისას, ტალღა ჩერდება დანაყოფზე - მაგრამ არა საკმაოდ. ორი ახალი კონცენტრული ტალღა (2) ახლა ვრცელდება დანაყოფის მეორე მხარეს ორივე სლოტიდან. ისინი ერთმანეთზეა გადახურული, ან, როგორც ჩვენ ვამბობთ, ხელს უშლიან ერთმანეთს, ქმნიან დამახასიათებელ ნიმუშს ზედაპირზე. იმ ადგილებში, სადაც ერთი ტალღის მწვერვალი ხვდება მეორის ქერქს, წყლის ამობურცულობა ძლიერდება და სადაც ღრუ ხვდება ხეობას, დეპრესია ღრმავდება.

2. ორი სლოტიდან გამომავალი ტალღების ჩარევა.

იანგის ექსპერიმენტში, წერტილის წყაროდან გამოსხივებული ერთფეროვანი შუქი გადის გაუმჭვირვალე დიაფრაგმაში ორი ჭრილით და ურტყამს მათ უკან ეკრანს (დღეს ჩვენ გვირჩევნია გამოვიყენოთ ლაზერული შუქი და CCD). ეკრანზე შეიმჩნევა სინათლის ტალღის ჩარევის გამოსახულება მონაცვლეობითი მსუბუქი და მუქი ზოლების სახით (3). ამ შედეგმა განამტკიცა რწმენა, რომ სინათლე იყო ტალღა, სანამ აღმოჩენები XNUMX-იანი წლების დასაწყისში აჩვენებდნენ, რომ სინათლე ასევე ტალღა იყო. ფოტონის ნაკადი არის მსუბუქი ნაწილაკები, რომლებსაც არ აქვთ მოსვენებული მასა. მოგვიანებით გაირკვა, რომ იდუმალი ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობაპირველად აღმოჩენილი სინათლისთვის ასევე ეხება მასით დაჯილდოებულ სხვა ნაწილაკებს. ის მალე გახდა სამყაროს ახალი კვანტური მექანიკური აღწერის საფუძველი.

3. იანგის ექსპერიმენტის ხედვა

ნაწილაკებიც ერევა

1961 წელს კლაუს ჯონსონმა ტუბინგენის უნივერსიტეტიდან აჩვენა მასიური ნაწილაკების - ელექტრონების ჩარევა ელექტრონული მიკროსკოპის გამოყენებით. ათი წლის შემდეგ ბოლონიის უნივერსიტეტის სამმა იტალიელმა ფიზიკოსმა ჩაატარა მსგავსი ექსპერიმენტი ერთელექტრონული ჩარევა (ორმაგი ჭრილის ნაცვლად ე.წ. ბიპრიზმის გამოყენება). მათ შეამცირეს ელექტრონული სხივის ინტენსივობა იმდენად დაბალ მნიშვნელობამდე, რომ ელექტრონები ერთმანეთის მიყოლებით გაიარეს ბიპრიზმში. ეს ელექტრონები რეგისტრირებული იყო ფლუორესცენტურ ეკრანზე.

თავდაპირველად, ელექტრონული ბილიკები შემთხვევით ნაწილდებოდა ეკრანზე, მაგრამ დროთა განმავლობაში ისინი ქმნიდნენ ჩარევის ზღურბლების მკაფიო ინტერფერენციულ სურათს. როგორც ჩანს, შეუძლებელია, რომ ორმა ელექტრონმა, რომლებიც სხვადასხვა დროს ზედიზედ გადიან ჭრილებში, ხელი შეუშალონ ერთმანეთს. ამიტომ, ეს უნდა ვაღიაროთ ერთი ელექტრონი ერევა საკუთარ თავში! მაგრამ მაშინ ელექტრონს ორივე ჭრილში ერთდროულად უნდა გაევლო.

შეიძლება მაცდური იყოს იმ ხვრელის დათვალიერება, რომლითაც რეალურად გაიარა ელექტრონი. მოგვიანებით ვნახავთ, თუ როგორ უნდა გავაკეთოთ ასეთი დაკვირვება ელექტრონის მოძრაობის დარღვევის გარეშე. გამოდის, რომ თუ მივიღებთ ინფორმაციას იმის შესახებ, თუ რა მიიღო ელექტრონმა, მაშინ ჩარევა ... გაქრება! ინფორმაცია „როგორ“ ანგრევს ჩარევას. ნიშნავს თუ არა ეს, რომ ცნობიერი დამკვირვებლის არსებობა გავლენას ახდენს ფიზიკური პროცესის მიმდინარეობაზე?

სანამ ორმაგი ჭრილობის ექსპერიმენტების კიდევ უფრო გასაოცარ შედეგებზე ვისაუბრებ, მცირე დიგრესიას გავაკეთებ ჩარევის ობიექტების ზომების შესახებ. მასობრივი ობიექტების კვანტური ჩარევა აღმოაჩინეს ჯერ ელექტრონებისთვის, შემდეგ მზარდი მასის მქონე ნაწილაკებისთვის: ნეიტრონები, პროტონები, ატომები და ბოლოს დიდი ქიმიური მოლეკულები.

2011 წელს მოხსნა ობიექტის ზომის რეკორდი, რომელზეც კვანტური ჩარევის ფენომენი იყო დემონსტრირებული. ექსპერიმენტი ვენის უნივერსიტეტში იმდროინდელმა დოქტორანტმა ჩაატარა. სანდრა ეიბენბერგერი და მისი თანამოაზრეები. ექსპერიმენტისთვის ორი შესვენებით აირჩიეს რთული ორგანული მოლეკულა, რომელიც შეიცავს დაახლოებით 5 პროტონს, 5 ათას ნეიტრონს და 5 ათას ელექტრონს! ძალიან რთულ ექსპერიმენტში ამ უზარმაზარი მოლეკულის კვანტური ჩარევა დაფიქსირდა.

ამან დაადასტურა რწმენა იმისა, რომ კვანტური მექანიკის კანონები ემორჩილება არა მხოლოდ ელემენტარულ ნაწილაკებს, არამედ ყველა მატერიალურ ობიექტს. მხოლოდ ის, რომ რაც უფრო რთულია ობიექტი, მით უფრო მეტად ურთიერთქმედებს ის გარემოსთან, რაც არღვევს მის დახვეწილ კვანტურ თვისებებს და ანადგურებს ჩარევის ეფექტებს..

სინათლის კვანტური ჩახლართულობა და პოლარიზაცია

ორმაგი ჭრილის ექსპერიმენტების ყველაზე გასაოცარი შედეგები მოვიდა ფოტონის თვალთვალის სპეციალური მეთოდის გამოყენებით, რომელიც არანაირად არ არღვევდა მის მოძრაობას. ეს მეთოდი იყენებს ერთ-ერთ ყველაზე უცნაურ კვანტურ მოვლენას, ე.წ კვანტური ჩახლართულობა. ეს ფენომენი ჯერ კიდევ 30-იან წლებში შენიშნა კვანტური მექანიკის ერთ-ერთმა მთავარმა შემქმნელმა. ერვინ შრედინგერი.

სკეპტიკურად განწყობილმა აინშტაინმა (იხ. ასევე 🙂 უწოდა მათ მოჩვენებითი მოქმედება დისტანციაზე. თუმცა, მხოლოდ ნახევარი საუკუნის შემდეგ გაიაზრა ამ ეფექტის მნიშვნელობა და დღეს ის გახდა ფიზიკოსების განსაკუთრებული ინტერესის საგანი.

რაზეა ეს ეფექტი? თუ ორი ნაწილაკი, რომლებიც დროის გარკვეულ მომენტში ერთმანეთთან ახლოს არიან, იმდენად ძლიერად ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, რომ ქმნიან ერთგვარ „ტყუპ ურთიერთობას“, მაშინ ურთიერთობა შენარჩუნდება მაშინაც კი, როცა ნაწილაკები ერთმანეთისგან ასობით კილომეტრით არიან დაშორებული. შემდეგ ნაწილაკები იქცევიან როგორც ერთიანი სისტემა. ეს ნიშნავს, რომ როდესაც ჩვენ ვასრულებთ მოქმედებას ერთ ნაწილაკზე, ის მაშინვე მოქმედებს მეორე ნაწილაკზე. თუმცა, ამ გზით ჩვენ არ შეგვიძლია დროულად გადავიტანოთ ინფორმაცია მანძილზე.

ფოტონი არის უმასური ნაწილაკი - სინათლის ელემენტარული ნაწილი, რომელიც ელექტრომაგნიტური ტალღაა. შესაბამისი ბროლის ფირფიტაზე გავლის შემდეგ (ე.წ. პოლარიზატორი), სინათლე ხდება წრფივი პოლარიზება, ე.ი. ელექტრომაგნიტური ტალღის ელექტრული ველის ვექტორი რხევა გარკვეულ სიბრტყეში. თავის მხრივ, წრფივი პოლარიზებული შუქის გავლისას გარკვეული სისქის ფირფიტაზე სხვა კონკრეტული კრისტალიდან (ე.წ. მეოთხედი ტალღის ფირფიტა), ის შეიძლება გარდაიქმნას წრიულ პოლარიზებულ შუქად, რომელშიც ელექტრული ველის ვექტორი მოძრაობს სპირალურად. საათის ისრის მიმართულებით ან საათის ისრის საწინააღმდეგოდ) მოძრაობა ტალღის გავრცელების მიმართულებით. შესაბამისად, შეიძლება ლაპარაკი წრფივი ან წრიულად პოლარიზებულ ფოტონებზე.

ექსპერიმენტები ჩახლართული ფოტონებით

4ა. არაწრფივი BBO კრისტალი გარდაქმნის არგონის ლაზერის მიერ გამოსხივებულ ფოტონს ორ ჩახლართულ ფოტონად ნახევარი ენერგიით და ურთიერთ პერპენდიკულარული პოლარიზებით. ეს ფოტონები იფანტება სხვადასხვა მიმართულებით და ჩაიწერება D1 და D2 დეტექტორებით, რომლებიც დაკავშირებულია დამთხვევის მრიცხველით LK.ერთ-ერთი ფოტონის გზაზე მოთავსებულია დიაფრაგმა ორი ჭრილით. როდესაც ორივე დეტექტორი აღრიცხავს ორივე ფოტონის თითქმის ერთდროულ ჩამოსვლას, სიგნალი ინახება მოწყობილობის მეხსიერებაში და დეტექტორი D2 ნაბიჯებს დგამს ჭრილების პარალელურად. ფოტონების რაოდენობა, რომელიც დამოკიდებულია D2 დეტექტორის პოზიციიდან, ამგვარად ჩაწერილი, ნაჩვენებია ყუთში, სადაც ნაჩვენებია მაქსიმუმი და მინიმალური, რაც მიუთითებს ჩარევაზე.

2001 წელს, ბრაზილიელი ფიზიკოსების ჯგუფმა ბელო ჰორიზონტეში წარმოადგინა ხელმძღვანელობით. სტივენ უოლბორნი უჩვეულო ექსპერიმენტი. მისმა ავტორებმა გამოიყენეს სპეციალური კრისტალის (შემოკლებით BBO) თვისებები, რომელიც გარდაქმნის არგონის ლაზერის მიერ გამოსხივებული ფოტონების გარკვეულ ნაწილს ორ ფოტონად ნახევარი ენერგიის მქონე. ეს ორი ფოტონი ერთმანეთშია ჩახლართული; როდესაც ერთ მათგანს აქვს, მაგალითად, ჰორიზონტალური პოლარიზაცია, მეორეს აქვს ვერტიკალური პოლარიზაცია. ეს ფოტონები მოძრაობენ ორი სხვადასხვა მიმართულებით და ასრულებენ განსხვავებულ როლს აღწერილ ექსპერიმენტში.

ერთ-ერთი ფოტონი, რომლის დასახელებას ვაპირებთ კონტროლის, პირდაპირ მიდის ფოტონის დეტექტორთან D1 (4a). დეტექტორი აღრიცხავს მის ჩამოსვლას ელექტრული სიგნალის გაგზავნით მოწყობილობაზე, რომელსაც ეწოდება დარტყმის მრიცხველი. LK ჩარევის ექსპერიმენტი ჩატარდება მეორე ფოტონზე; ჩვენ მას დავურეკავ სიგნალის ფოტონი. მის გზაზე არის ორმაგი ჭრილი, რომელსაც მოჰყვება მეორე ფოტონის დეტექტორი, D2, ფოტონის წყაროდან ოდნავ შორს, ვიდრე დეტექტორი D1. ამ დეტექტორს შეუძლია ორმაგ სლოტთან შეხება ყოველ ჯერზე, როცა ის მიიღებს შესაბამის სიგნალს დარტყმის მრიცხველიდან. როდესაც დეტექტორი D1 აღრიცხავს ფოტონს, ის აგზავნის სიგნალს დამთხვევის მრიცხველზე. თუ მომენტში დეტექტორი D2 ასევე დაარეგისტრირებს ფოტონს და აგზავნის სიგნალს მრიცხველზე, მაშინ ის აღიარებს, რომ ის ჩახლართული ფოტონებიდან მოდის და ეს ფაქტი შეინახება მოწყობილობის მეხსიერებაში. ეს პროცედურა გამორიცხავს დეტექტორში შემავალი შემთხვევითი ფოტონების რეგისტრაციას.

ჩახლართული ფოტონები ნარჩუნდება 400 წამის განმავლობაში. ამ დროის გასვლის შემდეგ, დეტექტორი D2 გადაადგილდება 1 მმ-ით ჭრილების პოზიციის მიმართ და ჩახლართული ფოტონების დათვლას კიდევ 400 წამი სჭირდება. შემდეგ დეტექტორი კვლავ მოძრაობს 1 მმ-ით და პროცედურა მრავალჯერ მეორდება. გამოდის, რომ ამ გზით ჩაწერილი ფოტონების რაოდენობის განაწილებას დეტექტორის D2 პოზიციიდან გამომდინარე აქვს დამახასიათებელი მაქსიმუმები და მინიმუმები, რომლებიც შეესაბამება სინათლეს და ბნელს და ჩარევის ზღვრებს იანგის ექსპერიმენტში (4a).

ამას ისევ ვიგებთ ერთი ფოტონები, რომლებიც გადიან ორმაგ ჭრილში, ერევიან ერთმანეთს.

როგორ ასე?

ექსპერიმენტის შემდეგი ნაბიჯი იყო ხვრელის დადგენა, რომლითაც კონკრეტული ფოტონი გადიოდა მისი მოძრაობის შეფერხების გარეშე. აქ გამოყენებული თვისებები მეოთხედი ტალღის ფირფიტა. ყოველი ჭრილის წინ მოთავსებული იყო მეოთხედი ტალღის ფირფიტა, რომელთაგან ერთმა შეცვალა შემხვედრი ფოტონის წრფივი პოლარიზაცია საათის ისრის მიმართულებით, ხოლო მეორემ - მარცხენა წრიულ პოლარიზაციაზე (4b). დადასტურდა, რომ ფოტონების პოლარიზაციის ტიპი არ იმოქმედებდა დათვლილ ფოტონების რაოდენობაზე. ახლა, ფოტონის პოლარიზაციის ბრუნვის განსაზღვრით ჭრილებში გავლის შემდეგ, შესაძლებელია მიუთითოთ რომელ მათგანში გაიარა ფოტონი. „რომელი მიმართულებით“ ცოდნა ანადგურებს ჩარევას.

4ბ. ჭრილების წინ მეოთხედი ტალღის ფირფიტების (დაჩრდილული მართკუთხედების) დაყენებით „რა გზით“ შეიძლება ინფორმაციის მიღება და ჩარევის გამოსახულება გაქრება.

4c. სათანადოდ ორიენტირებული პოლარიზატორის P-ის განთავსება დეტექტორის წინ D1 წაშლის ინფორმაციას „რომელი გზით“ და აღადგენს ჩარევას.

ფაქტობრივად, მეოთხედი ტალღის ფირფიტების ჭრილების წინ სწორი განლაგების შემდეგ ქრება თვლების ადრე დაფიქსირებული განაწილება, რომელიც მიუთითებს ჩარევაზე. ყველაზე უცნაური ის არის, რომ ეს ხდება ცნობიერი დამკვირვებლის მონაწილეობის გარეშე, რომელსაც შეუძლია შესაბამისი გაზომვები! მეოთხედი ტალღის ფირფიტების უბრალო განთავსება იწვევს ჩარევის გაუქმების ეფექტს.. მაშ, საიდან იცის ფოტონმა, რომ ფირფიტების ჩასმის შემდეგ შეგვიძლია განვსაზღვროთ უფსკრული, რომლითაც მან გაიარა?

თუმცა, ეს არ არის უცნაურობის დასასრული. ახლა ჩვენ შეგვიძლია აღვადგინოთ სიგნალის ფოტონის ჩარევა მასზე უშუალო გავლენის გარეშე. ამისათვის, საკონტროლო ფოტონის D1 დეტექტორთან მიმავალი გზაზე, მოათავსეთ პოლარიზატორი ისე, რომ იგი გადასცემს სინათლეს პოლარიზებით, რომელიც არის ორივე ჩახლართული ფოტონის პოლარიზაციის ერთობლიობა (4c). ეს დაუყოვნებლივ ცვლის სიგნალის ფოტონის პოლარობას შესაბამისად. ახლა უკვე შეუძლებელია დარწმუნებით იმის დადგენა, თუ რა არის პოლარიზაცია ფოტონის ინციდენტის ჭრილებზე და რომელ ჭრილში გაიარა ფოტონი. ამ შემთხვევაში ჩარევა აღდგება!

დაგვიანებული შერჩევის ინფორმაციის წაშლა

ზემოთ აღწერილი ექსპერიმენტები ჩატარდა ისე, რომ საკონტროლო ფოტონი დარეგისტრირდა დეტექტორი D1-ით, სანამ სიგნალი ფოტონი მიაღწევდა დეტექტორს D2-მდე. "რომელი გზით" ინფორმაციის წაშლა განხორციელდა საკონტროლო ფოტონის პოლარიზაციის შეცვლით, სანამ სიგნალი ფოტონი მიაღწევდა დეტექტორს D2. მაშინ შეიძლება წარმოიდგინოთ, რომ მაკონტროლებელმა ფოტონმა უკვე უთხრა თავის "ტყუპს" რა უნდა გააკეთოს შემდეგ: ჩაერიოს თუ არა.

ახლა ჩვენ ვცვლით ექსპერიმენტს ისე, რომ საკონტროლო ფოტონი მოხვდება დეტექტორ D1-ზე მას შემდეგ, რაც სიგნალის ფოტონი დარეგისტრირდება დეტექტორში D2. ამისათვის გადაიტანეთ დეტექტორი D1 ფოტონის წყაროდან მოშორებით. ჩარევის ნიმუში გამოიყურება ისევე, როგორც ადრე. ახლა მოდით დავდოთ მეოთხედი ტალღის ფირფიტები ნაპრალების წინ, რათა დავადგინოთ რომელი გზა გაიარა ფოტონმა. ჩარევის ნიმუში ქრება. შემდეგი, მოდით წავშალოთ ინფორმაცია "რომელი გზით" დეტექტორის D1-ის წინ სათანადოდ ორიენტირებული პოლარიზატორის განთავსებით. ჩარევის ნიმუში კვლავ გამოჩნდება! მიუხედავად ამისა, წაშლა განხორციელდა მას შემდეგ, რაც სიგნალის ფოტონი დარეგისტრირდა დეტექტორი D2-ით. Როგორ არის ეს შესაძლებელი? ფოტონს უნდა სცოდნოდა პოლარობის ცვლილება, სანამ მის შესახებ რაიმე ინფორმაცია მიაღწევდა მას.

5. ექსპერიმენტები ლაზერის სხივით.

მოვლენათა ბუნებრივი თანმიმდევრობა აქ საპირისპიროა; ეფექტი წინ უსწრებს მიზეზს! ეს შედეგი ძირს უთხრის ჩვენს გარშემო არსებულ რეალობაში მიზეზობრიობის პრინციპს. ან იქნებ დროს არ აქვს მნიშვნელობა, როდესაც საქმე ეხება ჩახლართულ ნაწილაკებს? კვანტური ჩახლართულობა არღვევს კლასიკურ ფიზიკაში ლოკალურობის პრინციპს, რომლის მიხედვითაც ობიექტზე შეიძლება გავლენა იქონიოს მხოლოდ მის უშუალო გარემოზე.

ბრაზილიის ექსპერიმენტის შემდეგ მრავალი მსგავსი ექსპერიმენტი ჩატარდა, რაც სრულად ადასტურებს აქ წარმოდგენილ შედეგებს. დასასრულ, მკითხველს სურს ნათლად ახსნას ამ მოულოდნელი მოვლენების საიდუმლო. სამწუხაროდ, ამის გაკეთება შეუძლებელია. კვანტური მექანიკის ლოგიკა განსხვავდება იმ სამყაროს ლოგიკისაგან, რომელსაც ყოველდღიურად ვხედავთ. ჩვენ თავმდაბლად უნდა მივიღოთ ეს და გავიხაროთ იმით, რომ კვანტური მექანიკის კანონები ზუსტად აღწერს მიკროსამყაროში მომხდარ ფენომენებს, რომლებიც სასარგებლოდ გამოიყენება სულ უფრო მოწინავე ტექნიკურ მოწყობილობებში.