Wrth wraidd mecaneg cwantwm

Dadleuodd Richard Feynman, un o ffisegwyr mwyaf yr XNUMXfed ganrif, mai'r allwedd i ddeall mecaneg cwantwm yw'r "arbrawf hollt dwbl". Mae'r arbrawf cysyniadol syml hwn, a gynhaliwyd heddiw, yn parhau i gynhyrchu darganfyddiadau anhygoel. Maent yn dangos pa mor anghydnaws â synnwyr cyffredin yw mecaneg cwantwm, a arweiniodd yn y pen draw at ddyfeisiadau pwysicaf yr hanner can mlynedd diwethaf.

Am y tro cyntaf cynhaliodd arbrawf hollt dwbl. Thomas Ifanc (1) yn Lloegr ar ddechrau'r bedwaredd ganrif ar bymtheg.

Arbrawf Young

Defnyddiwyd yr arbrawf i ddangos bod golau o natur don ac nid o natur gorffol, fel y dywedwyd eisoes. Isaac Newton. Dangosodd Young fod golau yn ufuddhau ymyrraeth - ffenomen yw'r nodwedd fwyaf nodweddiadol (waeth beth fo'r math o don a'r cyfrwng y mae'n lluosogi ynddo). Heddiw, mae mecaneg cwantwm yn cysoni'r ddau safbwynt rhesymegol gwrth-ddweud hyn.

Gadewch inni gofio hanfod yr arbrawf hollt dwbl. Yn ôl yr arfer, rwy'n golygu ton ar wyneb y dŵr sy'n ymledu'n consentrig o amgylch y man lle taflwyd y garreg. 

Mae ton yn cael ei ffurfio gan gribau a chafnau olynol yn ymledu o'r pwynt tarfu, tra'n cynnal pellter cyson rhwng y cribau, a elwir yn donfedd. Gellir gosod rhwystr yn llwybr y don, er enghraifft, ar ffurf bwrdd gyda dau slot cul wedi'u torri y gall dŵr lifo'n rhydd drwyddo. Gan daflu carreg i'r dŵr, mae'r don yn stopio ar y pared - ond ddim yn hollol. Mae dwy don consentrig newydd (2) bellach yn ymledu i ochr arall y rhaniad o'r ddau slot. Maent yn cael eu harosod ar ei gilydd, neu, fel y dywedwn, yn ymyrryd â'i gilydd, gan greu patrwm nodweddiadol ar yr wyneb. Mewn mannau lle mae crib un don yn cwrdd ag arfbais un arall, mae'r chwydd dŵr yn dwysáu, a lle mae'r pant yn cwrdd â'r dyffryn, mae'r pant yn dyfnhau.

2. Ymyriant tonnau sy'n dod allan o ddau slot.

Yn arbrawf Young, mae golau un lliw a allyrrir o ffynhonnell bwynt yn mynd trwy ddiaffram afloyw gyda dwy hollt ac yn taro'r sgrin y tu ôl iddynt (heddiw byddai'n well gennym ddefnyddio golau laser a CCD). Gwelir delwedd ymyrraeth o don ysgafn ar y sgrin ar ffurf cyfres o streipiau golau a thywyll bob yn ail (3). Atgyfnerthodd y canlyniad hwn y gred mai ton oedd golau, cyn i ddarganfyddiadau yn y XNUMXau cynnar ddangos bod golau hefyd yn don. fflwcs ffoton sy'n ronynnau ysgafn sydd heb màs gorffwys. Yn ddiweddarach mae'n troi allan bod y dirgel deuoliaeth tonnau-gronynnaudarganfod gyntaf ar gyfer golau hefyd yn berthnasol i ronynnau eraill cynysgaeddir â màs. Yn fuan daeth yn sail i ddisgrifiad mecanyddol cwantwm newydd o'r byd.

3. Gweledigaeth arbrawf Young

Mae'r gronynnau hefyd yn ymyrryd

Ym 1961, dangosodd Klaus Jonsson o Brifysgol Tübingen ymyrraeth gronynnau enfawr - electronau gan ddefnyddio microsgop electron. Ddeng mlynedd yn ddiweddarach, perfformiodd tri ffisegydd Eidalaidd o Brifysgol Bologna arbrawf tebyg ymyrraeth un-electron (gan ddefnyddio biprism fel y'i gelwir yn lle hollt dwbl). Fe wnaethon nhw leihau dwyster y pelydr electron i werth mor isel nes bod yr electronau'n pasio trwy'r biprism un ar ôl y llall, un ar ôl y llall. Cofrestrwyd yr electronau hyn ar sgrin fflwroleuol.

I ddechrau, dosbarthwyd y llwybrau electronau ar hap dros y sgrin, ond dros amser fe wnaethant ffurfio delwedd ymyrraeth benodol o'r ymylon ymyrraeth. Mae'n ymddangos yn amhosibl y gallai dau electron sy'n pasio trwy'r holltau yn olynol ar wahanol adegau ymyrryd â'i gilydd. Felly, rhaid inni gydnabod hynny mae un electron yn ymyrryd â'i hun! Ond wedyn byddai'n rhaid i'r electron basio drwy'r ddwy hollt ar yr un pryd.

Gall fod yn demtasiwn edrych ar y twll yr aeth yr electron drwyddo mewn gwirionedd. Yn ddiweddarach byddwn yn gweld sut i wneud arsylwad o'r fath heb amharu ar mudiant yr electron. Mae'n ymddangos, os byddwn yn cael gwybodaeth am yr hyn y mae'r electron wedi'i dderbyn, yna bydd yr ymyrraeth ... yn diflannu! Mae'r wybodaeth “sut” yn dinistrio ymyrraeth. A yw hyn yn golygu bod presenoldeb arsylwr ymwybodol yn dylanwadu ar gwrs y broses gorfforol?

Cyn siarad am y canlyniadau hyd yn oed yn fwy syndod o arbrofion dwy-hollt, byddaf yn gwneud gwyriad bach am faint gwrthrychau ymyrryd. Darganfuwyd ymyrraeth cwantwm o wrthrychau màs yn gyntaf ar gyfer electronau, yna ar gyfer gronynnau â màs cynyddol: niwtronau, protonau, atomau, ac yn olaf ar gyfer moleciwlau cemegol mawr.

Yn 2011, torrwyd y record ar gyfer maint gwrthrych, a dangoswyd ffenomen ymyrraeth cwantwm. Cynhaliwyd yr arbrawf ym Mhrifysgol Fienna gan fyfyriwr doethuriaeth ar y pryd. Sandra Eibenberger a'i chymdeithion. Dewiswyd moleciwl organig cymhleth yn cynnwys tua 5 proton, 5 mil o niwtronau a 5 mil o electronau ar gyfer yr arbrawf gyda dau doriad! Mewn arbrawf cymhleth iawn, gwelwyd ymyrraeth cwantwm o'r moleciwl enfawr hwn.

Cadarnhaodd hyn y gred bod Mae deddfau mecaneg cwantwm yn ufuddhau nid yn unig i ronynnau elfennol, ond hefyd i bob gwrthrych materol. Dim ond po fwyaf cymhleth yw'r gwrthrych, y mwyaf y mae'n rhyngweithio â'r amgylchedd, sy'n torri ei briodweddau cwantwm cynnil ac yn dinistrio effeithiau ymyrraeth..

Cwantwm maglu a polareiddio golau

Daeth canlyniadau mwyaf syfrdanol yr arbrofion hollt dwbl o ddefnyddio dull arbennig o olrhain y ffoton, nad oedd yn tarfu ar ei gynnig mewn unrhyw ffordd. Mae'r dull hwn yn defnyddio un o'r ffenomenau cwantwm rhyfeddaf, yr hyn a elwir maglu cwantwm. Sylwyd ar y ffenomen hon yn ôl yn y 30au gan un o brif grewyr mecaneg cwantwm, Erwin Schrödinger.

Mae Einstein amheus (gweler hefyd 🙂 a elwir yn gweithredu ysbrydion o bell. Fodd bynnag, dim ond hanner canrif yn ddiweddarach sylweddolwyd arwyddocâd yr effaith hon, a heddiw mae wedi dod yn bwnc o ddiddordeb arbennig i ffisegwyr.

Am beth mae'r effaith yma? Os yw dau ronyn sy’n agos at ei gilydd ar ryw adeg mewn amser yn rhyngweithio mor gryf â’i gilydd fel eu bod yn ffurfio rhyw fath o “berthynas deuol,” yna mae’r berthynas yn parhau hyd yn oed pan fo’r gronynnau gannoedd o gilometrau oddi wrth ei gilydd. Yna mae'r gronynnau'n ymddwyn fel un system. Mae hyn yn golygu pan fyddwn yn cyflawni gweithred ar un gronyn, mae'n effeithio ar gronyn arall ar unwaith. Fodd bynnag, fel hyn ni allwn drosglwyddo gwybodaeth yn ddiamser dros bellter.

Gronyn di-fàs yw ffoton - rhan elfennol o olau, sef ton electromagnetig. Ar ôl pasio trwy blât o'r grisial cyfatebol (a elwir yn polarydd), mae'r golau'n dod yn polareiddio llinellol, h.y. mae fector maes trydan ton electromagnetig yn pendilio mewn plân arbennig. Yn ei dro, trwy basio golau polariaidd llinol trwy blât o drwch penodol o grisial arbennig arall (y plât chwarter ton fel y'i gelwir), gellir ei drawsnewid yn olau polariaidd cylchol, lle mae fector y maes trydan yn symud mewn helical ( clocwedd neu wrthglocwedd) mudiant ar hyd cyfeiriad lledaeniad tonnau. Yn unol â hynny, gellir siarad am ffotonau polariaidd llinol neu gylchol.

Arbrofion gyda ffotonau wedi'u maglu

4a. Mae grisial BBO aflinol yn trosi ffoton a allyrrir gan laser argon yn ddau ffoton wedi'u maglu gyda hanner yr egni a pholareiddio perpendicwlar i'r ddwy ochr. Mae'r ffotonau hyn yn gwasgaru i gyfeiriadau gwahanol ac yn cael eu cofnodi gan synwyryddion D1 a D2, wedi'u cysylltu gan rifydd cyd-ddigwyddiad LK Gosodir diaffram gyda dwy hollt yn llwybr un o'r ffotonau. Pan fydd y ddau synhwyrydd yn cofrestru dyfodiad y ddau ffoton bron ar yr un pryd, mae'r signal yn cael ei storio yng nghof y ddyfais, ac mae'r synhwyrydd D2 yn camu'n gyfochrog â'r holltau. Mae nifer y ffotonau yn dibynnu ar leoliad y synhwyrydd D2, a gofnodwyd felly, i'w weld yn y blwch, gan ddangos yr uchafsymiau a'r minima, sy'n dynodi ymyrraeth.

Yn 2001, perfformiodd grŵp o ffisegwyr Brasil yn Belo Horizonte o dan arweiniad Stephen Walborn arbrawf anarferol. Defnyddiodd ei awduron briodweddau grisial arbennig (a dalfyrrir fel BBO), sy'n trosi rhan benodol o'r ffotonau a allyrrir gan laser argon yn ddau ffoton gyda hanner yr egni. Mae'r ddau ffoton hyn wedi'u cysylltu â'i gilydd; pan fydd gan un ohonynt, er enghraifft, polareiddio llorweddol, mae gan y llall polareiddio fertigol. Mae'r ffotonau hyn yn symud i ddau gyfeiriad gwahanol ac yn chwarae rolau gwahanol yn yr arbrawf a ddisgrifir.

Un o'r ffotonau rydyn ni'n mynd i'w henwi rheolaeth, yn mynd yn uniongyrchol i'r synhwyrydd ffoton D1 (4a). Mae'r synhwyrydd yn cofrestru ei fod wedi cyrraedd trwy anfon signal trydanol i ddyfais o'r enw cownter taro. LK Bydd arbrawf ymyrraeth yn cael ei wneud ar yr ail ffoton; byddwn yn ei alw ffoton signal. Mae hollt dwbl yn ei lwybr, ac yna ail synhwyrydd ffoton, D2, ychydig ymhellach o ffynhonnell y ffoton na synhwyrydd D1. Gall y synhwyrydd hwn neidio o gwmpas y slot deuol bob tro y bydd yn derbyn y signal priodol o'r cownter taro. Pan fydd synhwyrydd D1 yn cofrestru ffoton, mae'n anfon signal i'r cownter cyd-ddigwyddiad. Os mewn eiliad mae'r synhwyrydd D2 hefyd yn cofrestru ffoton ac yn anfon signal i'r mesurydd, yna bydd yn cydnabod ei fod yn dod o ffotonau wedi'u maglu, a bydd y ffaith hon yn cael ei storio yng nghof y ddyfais. Mae'r weithdrefn hon yn eithrio cofrestru ffotonau ar hap sy'n mynd i mewn i'r synhwyrydd.

Mae ffotonau sownd yn parhau am 400 eiliad. Ar ôl yr amser hwn, mae'r synhwyrydd D2 yn cael ei ddadleoli 1 mm mewn perthynas â lleoliad yr holltau, ac mae cyfrif ffotonau wedi'u maglu yn cymryd 400 eiliad arall. Yna mae'r synhwyrydd yn cael ei symud eto gan 1 mm ac mae'r weithdrefn yn cael ei ailadrodd sawl gwaith. Mae'n ymddangos bod gan ddosbarthiad nifer y ffotonau a gofnodwyd yn y modd hwn yn dibynnu ar leoliad y synhwyrydd D2 uchafsymiau a minima nodweddiadol sy'n cyfateb i olau a thywyllwch ac ymylon ymyrraeth yn arbrawf Young (4a).

Cawn wybod hynny eto mae ffotonau sengl sy'n mynd trwy'r hollt dwbl yn ymyrryd â'i gilydd.

Sut?

Y cam nesaf yn yr arbrawf oedd canfod y twll yr oedd ffoton penodol yn mynd trwyddo heb amharu ar ei symudiad. Priodweddau a ddefnyddir yma plât chwarter tonnau. Gosodwyd plât chwarter ton o flaen pob hollt, a newidiodd un ohonynt bolareiddio llinellol y ffoton digwyddiad i glocwedd cylchol, a'r llall i bolareiddio cylchol ar y chwith (4b). Dilyswyd nad oedd y math o bolareiddio ffoton yn effeithio ar nifer y ffotonau a gyfrifwyd. Nawr, trwy bennu cylchdro polareiddio ffoton ar ôl iddo basio trwy'r holltau, mae'n bosibl nodi trwy ba un ohonynt y mae'r ffoton wedi mynd heibio. Mae gwybod "i ba gyfeiriad" yn dinistrio ymyrraeth.

4b. Trwy osod platiau chwarter ton (petryal wedi'u cysgodi) o flaen yr holltau, gellir cael gwybodaeth "pa lwybr" a bydd y ddelwedd ymyrraeth yn diflannu.

4c. Mae gosod polarydd P sydd â'r cyfeiriad priodol o flaen synhwyrydd D1 yn dileu'r wybodaeth "pa ffordd" ac yn adfer yr ymyrraeth.

A dweud y gwir, ar ôl gosod y platiau chwarter-don yn gywir o flaen yr holltau, mae'r dosbarthiad cyfrif a welwyd yn flaenorol, sy'n arwydd o ymyrraeth, yn diflannu. Y peth rhyfeddaf yw bod hyn yn digwydd heb gyfranogiad sylwedydd ymwybodol a all wneud y mesuriadau priodol! Mae gosod platiau chwarter ton yn unig yn cynhyrchu effaith canslo ymyrraeth.. Felly sut mae'r ffoton yn gwybod, ar ôl mewnosod y platiau, y gallwn bennu'r bwlch y pasiodd drwyddo?

Fodd bynnag, nid dyma ddiwedd y rhyfeddod. Nawr gallwn adfer ymyrraeth ffoton signal heb effeithio arno'n uniongyrchol. I wneud hyn, yn llwybr y ffoton rheoli sy'n cyrraedd y synhwyrydd D1, gosodwch polarydd yn y fath fodd fel ei fod yn trawsyrru golau gyda polareiddio sy'n gyfuniad o bolareiddiadau'r ddau ffoton sydd wedi'u maglu (4c). Mae hyn ar unwaith yn newid polaredd y ffoton signal yn unol â hynny. Nawr nid yw'n bosibl pennu'n bendant beth yw polareiddio digwyddiad ffoton ar yr holltau, a thrwy ba hollt yr oedd y ffoton yn mynd heibio. Yn yr achos hwn, mae ymyrraeth yn cael ei adfer!

Dileu gwybodaeth dewis oedi

Cynhaliwyd yr arbrofion a ddisgrifir uchod yn y fath fodd fel bod y ffoton rheoli wedi'i gofrestru gan y synhwyrydd D1 cyn i'r ffoton signal gyrraedd y synhwyrydd D2. Perfformiwyd dileu'r wybodaeth "pa ffordd" trwy newid polareiddio'r ffoton rheoli cyn i'r ffoton signal gyrraedd synhwyrydd D2. Yna gellir dychmygu bod y ffoton rheoli eisoes wedi dweud wrth ei “efeilliaid” beth i'w wneud nesaf: ymyrryd ai peidio.

Nawr rydym yn addasu'r arbrawf yn y fath fodd fel bod y ffoton rheoli yn taro synhwyrydd D1 ar ôl i'r ffoton signal gael ei gofrestru yn synhwyrydd D2. I wneud hyn, symudwch y synhwyrydd D1 i ffwrdd o ffynhonnell y ffoton. Mae'r patrwm ymyrraeth yn edrych yr un fath ag o'r blaen. Nawr, gadewch i ni osod platiau chwarter ton o flaen yr holltau i benderfynu pa lwybr y mae'r ffoton wedi'i gymryd. Mae'r patrwm ymyrraeth yn diflannu. Nesaf, gadewch i ni ddileu'r wybodaeth "pa ffordd" trwy osod polarydd â chyfeiriad priodol o flaen synhwyrydd D1. Mae'r patrwm ymyrraeth yn ymddangos eto! Er hynny, gwnaed y dilead ar ôl i'r ffoton signal gael ei gofrestru gan y synhwyrydd D2. Sut mae hyn yn bosibl? Roedd yn rhaid i'r ffoton fod yn ymwybodol o'r newid polaredd cyn y gallai unrhyw wybodaeth amdano ei gyrraedd.

5. Arbrofion gyda pelydr laser.

Mae dilyniant naturiol digwyddiadau yn cael ei wrthdroi yma; effaith rhagflaenu achos! Mae'r canlyniad hwn yn tanseilio'r egwyddor o achosiaeth yn y realiti o'n cwmpas. Neu efallai nad oes ots amser pan ddaw'n fater o ronynnau wedi'u maglu? Mae cysylltiad cwantwm yn groes i'r egwyddor o leoliad mewn ffiseg glasurol, ac yn unol â hynny dim ond ei amgylchedd uniongyrchol y gall gwrthrych gael ei effeithio.

Ers yr arbrawf Brasil, mae llawer o arbrofion tebyg wedi'u cynnal, sy'n cadarnhau'n llawn y canlyniadau a gyflwynir yma. Yn y diwedd, hoffai'r darllenydd egluro'n glir ddirgelwch y ffenomenau annisgwyl hyn. Yn anffodus, ni ellir gwneud hyn. Mae rhesymeg mecaneg cwantwm yn wahanol i resymeg y byd a welwn bob dydd. Rhaid inni dderbyn hyn yn ostyngedig a llawenhau yn y ffaith bod cyfreithiau mecaneg cwantwm yn disgrifio'n gywir y ffenomenau sy'n digwydd yn y microcosm, a ddefnyddir yn ddefnyddiol mewn dyfeisiau technegol mwy datblygedig erioed.