In het hart van de kwantummechanica

Richard Feynman, een van de grootste natuurkundigen van de XNUMXe eeuw, betoogde dat de sleutel tot het begrijpen van de kwantummechanica het 'dubbele spleetexperiment' was. Dit conceptueel eenvoudige experiment, dat vandaag de dag wordt uitgevoerd, levert nog steeds verbazingwekkende ontdekkingen op. Ze laten zien hoe onverenigbaar de kwantummechanica is met het gezond verstand, wat uiteindelijk heeft geleid tot de belangrijkste uitvindingen van de afgelopen vijftig jaar.

Voor het eerst een dubbelspletenexperiment uitgevoerd. Thomas Jong (1) in Engeland aan het begin van de negentiende eeuw.

experimenteer naar Yang

Het experiment werd gebruikt om aan te tonen dat licht een golfkarakter heeft en niet een deeltjeskarakter, zoals eerder werd beweerd. Isaac Newton. Young demonstreerde eenvoudigweg dat licht gehoorzaamt interventie - een fenomeen dat het meest kenmerkend is (ongeacht het type golf en het medium waarin het zich voortplant). Tegenwoordig verzoent de kwantummechanica deze twee logisch tegenstrijdige opvattingen.

Laten we ons de essentie van het dubbelspletenexperiment herinneren. Zoals gewoonlijk doel ik op een golf op het wateroppervlak die zich concentrisch rond de plek beweegt waar het steentje wordt gegooid. 

Een golf wordt gevormd door opeenvolgende toppen en dalen die uitstralen vanaf de locatie van de verstoring, terwijl een constante afstand tussen de toppen wordt gehandhaafd, de zogenaamde golflengte. In het pad van de golf kun je bijvoorbeeld een barrière plaatsen in de vorm van een plank met twee smalle spleten waardoor water vrij kan stromen. Nadat hij een steentje in het water heeft gegooid, stopt de golf op de scheidingswand - maar niet helemaal. Twee nieuwe concentrische golven (2) planten zich nu vanuit beide spleten voort naar de andere kant van de scheidingswand. Ze overlappen elkaar, of, zoals we zeggen, interfereren met elkaar, waardoor een karakteristiek patroon op het oppervlak ontstaat. Op plaatsen waar de top van de ene golf de top van een andere raakt, wordt de waterbult intenser, en waar een holte een vallei ontmoet, wordt de depressie dieper.

2. Interferentie van golven die uit twee spleten komen.

In het experiment van Young gaat eenkleurig licht dat wordt uitgezonden door een puntbron door een ondoorzichtig diafragma met twee spleten en valt op een scherm daarachter (tegenwoordig zouden we liever laserlicht en een CCD gebruiken). Op het scherm wordt een interferentiebeeld van een lichtgolf waargenomen in de vorm van een reeks afwisselend lichte en donkere strepen (3). Dit resultaat versterkte het geloof dat licht een golf was, voordat ontdekkingen aan het begin van de XNUMXe eeuw aantoonden dat licht ook een golf was. fotonenstroom zijn lichte deeltjes die geen rustmassa hebben. Later bleek dat het mysterieuze dualiteit van golven en deeltjesvoor het eerst ontdekt voor licht, geldt ook voor andere deeltjes met massa. Het werd al snel de basis voor een nieuwe kwantummechanische beschrijving van de wereld.

3. Young's visie op het experiment

Deeltjes interfereren ook

In 1961 demonstreerde Klaus Jonsson van de Universiteit van Tübingen met behulp van een elektronenmicroscoop de interferentie van massieve deeltjes, elektronen genaamd. Tien jaar later voerden drie Italiaanse natuurkundigen van de Universiteit van Bologna een soortgelijk experiment uit interferentie met één elektron (met behulp van een zogenaamd biprisma in plaats van een dubbele spleet). Ze brachten de intensiteit van de elektronenbundel terug tot een zo lage waarde dat de elektronen één voor één, één voor één, door het biprisma gingen. Deze elektronen werden opgenomen op een fluorescerend scherm.

Aanvankelijk waren de sporen van elektronen willekeurig over het scherm verdeeld, maar na verloop van tijd vormden ze een duidelijk interferentiebeeld van interferentieranden. Het lijkt onmogelijk dat twee elektronen die op verschillende tijdstippen achtereenvolgens door spleten gaan, met elkaar zouden kunnen interfereren. Daarom moeten we dat toegeven één elektron interfereert met zichzelf! Maar dan zou het elektron tegelijkertijd door beide spleten moeten gaan.

Het kan verleidelijk zijn om het gat te observeren waar het elektron daadwerkelijk doorheen is gegaan. We zullen later zien hoe we deze waarneming kunnen doen zonder de beweging van het elektron te verstoren. Het blijkt dat als we informatie ontvangen die het elektron heeft geaccepteerd, de interferentie... zal verdwijnen! ‘Hoe’-informatie elimineert interferentie. Betekent dit dat de aanwezigheid van een bewuste waarnemer het verloop van een fysiek proces beïnvloedt?

Voordat ik het heb over de nog verrassendere resultaten van dubbelspletenexperimenten, zal ik een korte uitweiding maken over de afmetingen van interfererende objecten. Kwantuminterferentie van massaobjecten werd eerst ontdekt voor elektronen, vervolgens voor deeltjes met toenemende massa: neutronen, protonen, atomen, en ten slotte voor grote chemische moleculen.

In 2011 werd het record voor de grootte van een object dat het fenomeen kwantuminterferentie aantoonde, verbroken. Het experiment werd destijds door een promovendus aan de Universiteit van Wenen uitgevoerd. Sandra Eibenberger en haar medewerkers. Voor het double-break-experiment werd een complex organisch molecuul gekozen dat ongeveer 5 protonen, 5 neutronen en 5 elektronen bevat! In een zeer complex experiment werd kwantuminterferentie van dit enorme molecuul waargenomen.

Dit bevestigde de overtuiging dat Niet alleen elementaire deeltjes, maar ook elk materieel object is onderworpen aan de wetten van de kwantummechanica. Alleen dat hoe complexer een object is, hoe meer het in wisselwerking staat met zijn omgeving, wat zijn subtiele kwantumeigenschappen schendt en interferentie-effecten vernietigt..

Kwantumverstrengeling en polarisatie van licht

De meest verrassende resultaten van de dubbelspletenexperimenten kwamen voort uit het gebruik van een speciale methode om het foton te volgen, die zijn beweging op geen enkele manier verstoorde. Deze methode maakt gebruik van een van de vreemdste kwantumverschijnselen, de zogenaamde kwantumverstrengeling. Dit fenomeen werd in de jaren dertig opgemerkt door een van de belangrijkste makers van de kwantummechanica, Erwin Schrödinger.

De sceptische Einstein (zie ook 🙂) noemde ze spookachtige actie op afstand, maar pas een halve eeuw later besefte men de betekenis van dit effect, en vandaag de dag is het een onderwerp van bijzonder belang geworden voor natuurkundigen.

Waar gaat dit effect over? Als twee deeltjes die op een bepaald moment dicht bij elkaar waren zo sterk met elkaar in wisselwerking stonden dat ze een soort ‘tweelingrelatie’ vormden, dan blijft de relatie zelfs bestaan ​​als de deeltjes honderden kilometers uit elkaar staan. Dan gedragen de deeltjes zich als één systeem. Dit betekent dat wanneer we een actie uitvoeren op het ene deeltje, dit onmiddellijk invloed heeft op het andere deeltje. Op deze manier kunnen we echter niet voortijdig informatie over een afstand verzenden.

Een foton is een massaloos deeltje - een elementair onderdeel van licht, dat een elektromagnetische golf is. Nadat het door een plaat van het overeenkomstige kristal is gegaan (een polarisator genoemd), wordt het licht lineair gepolariseerd, d.w.z. de elektrische veldvector van een elektromagnetische golf oscilleert in een bepaald vlak. Door lineair gepolariseerd licht door een plaat van een bepaalde dikte van een ander specifiek kristal (de zogenaamde kwartgolfplaat) te laten gaan, kan het op zijn beurt worden omgezet in circulair gepolariseerd licht, waarin de elektrische veldvector spiraalvormig beweegt ( met de klok mee of tegen de klok in) beweging in de richting van de voortplanting van de golf. Dienovereenkomstig kunnen we praten over lineair of circulair gepolariseerde fotonen.

Experimenten met verstrengelde fotonen

4a. Het niet-lineaire BBO-kristal zet een door een argonlaser uitgezonden foton om in twee verstrengelde fotonen met de helft van de energie en onderling loodrechte polarisatie. Deze fotonen verspreiden zich in verschillende richtingen en worden geregistreerd door detectoren D1 en D2, verbonden door een coïncidentieteller LC. Op de baan van één van de fotonen wordt een diafragma met twee spleten geplaatst. Wanneer beide detectoren de bijna gelijktijdige aankomst van beide fotonen detecteren, wordt het signaal opgeslagen in het geheugen van het apparaat en beweegt detector D2 parallel aan de spleten. Het aantal fotonen als functie van de positie van detector D2 die op deze manier is geregistreerd, wordt weergegeven in het kader, waarbij maxima en minima worden weergegeven die op interferentie duiden.

In 2001 leidde een groep Braziliaanse natuurkundigen in Belo Horizonte Stephen Walbourn ongebruikelijk experiment. De auteurs gebruikten de eigenschappen van een speciaal kristal (afgekort als BBO), dat een bepaald deel van de door een argonlaser uitgezonden fotonen omzet in twee fotonen met de helft van de energie. Deze twee fotonen zijn met elkaar verstrengeld; wanneer een van hen bijvoorbeeld horizontale polarisatie heeft, heeft de andere verticale polarisatie. Deze fotonen bewegen in twee verschillende richtingen en spelen verschillende rollen in het beschreven experiment.

Eén van de fotonen die we gaan noemen controle, gaat rechtstreeks naar de fotonendetector D1 (4a). De detector registreert zijn aankomst door een elektrisch signaal te sturen naar een apparaat dat een toevalsteller wordt genoemd. LK Op het tweede foton zal een interferentie-experiment worden uitgevoerd; wij zullen hem bellen signaal foton. In zijn pad bevindt zich een dubbele spleet, gevolgd door een tweede fotonendetector D2, iets verder van de fotonenbron dan detector D1. Deze detector kan zijn positie ten opzichte van het dubbele slot verspringen telkens wanneer hij een corresponderend signaal ontvangt van de coïncidentieteller. Wanneer detector D1 een foton detecteert, stuurt deze een signaal naar de coïncidentieteller. Als detector D2 even later ook een foton detecteert en een signaal naar de meter stuurt, zal hij herkennen dat dit afkomstig is van verstrengelde fotonen en wordt dit feit opgeslagen in het geheugen van het apparaat. Deze procedure elimineert de registratie van willekeurige fotonen die de detector binnenkomen.

Verstrengelde fotonen blijven 400 seconden bestaan. Na deze tijd wordt de D2-detector 1 mm verschoven ten opzichte van de positie van de spleten, en duurt het tellen van verstrengelde fotonen nog eens 400 seconden. Vervolgens wordt de detector opnieuw 1 mm verplaatst en wordt de procedure vele malen herhaald. Het blijkt dat de verdeling van het aantal op deze manier geregistreerde fotonen, afhankelijk van de positie van de detector D2, karakteristieke maxima en minima heeft die overeenkomen met licht en donker en interferentieranden in Youngs experiment (4a).

Dat zullen we nog eens ontdekken enkele fotonen die door de dubbele spleet gaan, interfereren met elkaar.

Hoe dat zo?

De volgende stap in het experiment was het bepalen van het gat waar een bepaald foton doorheen zou gaan zonder zijn beweging te verstoren. Eigenschappen die hier worden gebruikt kwart golf plaat. Voor elke spleet werd een kwartgolfplaat geplaatst, waarvan er één de lineaire polarisatie van het invallende foton veranderde in circulaire polarisatie met de klok mee, en de andere in linkshandige circulaire polarisatie (4b). Er werd geverifieerd dat het type fotonpolarisatie geen invloed had op het aantal getelde fotonen. Door nu de rotatie van de polarisatie van een foton te bepalen nadat het door de spleten is gegaan, kunnen we aangeven door welke van deze spleten het foton is gegaan. Weten ‘in welke richting’ elimineert interferentie.

4b. Door kwartgolfplaten (gearceerde rechthoeken) voor de spleten te plaatsen kan informatie over "welk pad" worden verkregen en zal het interferentiebeeld verdwijnen.

4c. Door een op de juiste manier georiënteerde polarisator P voor de detector D1 te plaatsen, wordt de "welke pad"-informatie gewist en wordt de interferentie hersteld.

In feite Zodra de kwartgolfplaten op de juiste manier voor de spleten zijn geplaatst, verdwijnt de eerder waargenomen tellingsverdeling die indicatief is voor interferentie. Het vreemdste is dat dit gebeurt zonder de deelname van een bewuste waarnemer die de juiste metingen kan doen! Door het simpelweg plaatsen van kwartgolfplaten ontstaat een interferentie-onderdrukkend effect.. Dus hoe weet het foton dat we, nadat we de platen hebben ingebracht, kunnen bepalen door welke opening het is gegaan?

Dit is echter niet het einde van de vreemdheid. We kunnen nu de signaalfotoneninterferentie reconstrueren zonder deze rechtstreeks te beïnvloeden. Om dit te doen, plaatst u een polarisator in het pad van de controlefoton die detector D1 bereikt, zodat deze licht doorlaat met een polarisatie die een combinatie is van de polarisaties van beide verstrengelde fotonen (4c). Hierdoor verandert de polariteit van het signaalfoton onmiddellijk dienovereenkomstig. Nu is het niet meer mogelijk om met zekerheid vast te stellen wat de polarisatie is van een foton dat op de spleten valt, en door welke spleet het foton is gegaan. In dit geval wordt de interferentie hersteld!

Wis informatie over vertraagde selectie

De hierboven beschreven experimenten werden zodanig uitgevoerd dat het controlefoton door detector D1 werd gedetecteerd voordat het signaalfoton detector D2 bereikte. Het wissen van de "welke kant op"-informatie werd bereikt door de polarisatie van het aandrijvende foton te veranderen voordat het signaalfoton detector D2 bereikte. Dan kun je je voorstellen dat het controlefoton zijn ‘tweelingbroer’ al heeft verteld wat hij vervolgens moet doen: ingrijpen of niet.

Nu passen we het experiment zo aan dat het controlefoton detector D1 raakt nadat het signaalfoton bij detector D2 is geregistreerd. Om dit te doen, verplaatst u detector D1 weg van de fotonenbron. Het interferentiepatroon ziet er hetzelfde uit. Laten we nu kwartgolfplaten voor de spleten plaatsen om te bepalen welk pad het foton heeft gevolgd. Het interferentiepatroon verdwijnt. Laten we vervolgens de "welke kant"-informatie wissen door een correct georiënteerde polarisator voor detector D1 te plaatsen. Het interferentiepatroon verschijnt opnieuw! Toch werd het wissen uitgevoerd nadat het signaalfoton werd gedetecteerd door detector D2. Hoe is dit mogelijk? Het foton moest zich bewust zijn van de polariteitsverandering voordat enige informatie erover het kon bereiken.

5. Experimenten met een laserstraal.

De natuurlijke volgorde van gebeurtenissen is hier omgekeerd; het gevolg gaat aan de oorzaak vooraf! Dit resultaat ondermijnt het causaliteitsprincipe in de realiteit om ons heen. Of misschien doet tijd er niet toe als het om verstrengelde deeltjes gaat? Kwantumverstrengeling schendt het principe van lokaliteit, dat van toepassing is in de klassieke natuurkunde, volgens hetwelk een object alleen kan worden beïnvloed door zijn directe omgeving.

Sinds het Braziliaanse experiment zijn er veel soortgelijke experimenten uitgevoerd, die de hier gepresenteerde resultaten volledig bevestigen. Aan het einde wil de lezer het mysterie van deze onverwachte verschijnselen duidelijk uitleggen. Helaas is dit niet mogelijk. De logica van de kwantummechanica is anders dan de logica van de wereld die we elke dag zien. We moeten dit nederig aanvaarden en ons verheugen over het feit dat de wetten van de kwantummechanica accuraat verschijnselen beschrijven die voorkomen in de microkosmos, en die op nuttige wijze worden gebruikt in steeds geavanceerdere technische apparaten.