Í hjarta skammtafræðinnar

Richard Feynman, einn merkasti eðlisfræðingur XNUMX. aldar, hélt því fram að lykillinn að skilningi skammtafræðinnar væri „tvöfaldur rifa tilraunin“. Þessi hugmyndalega einfalda tilraun, sem gerð var í dag, heldur áfram að skila ótrúlegum uppgötvunum. Þær sýna hversu ósamrýmanleg heilbrigðri skynsemi er skammtafræði, sem að lokum leiddi til mikilvægustu uppfinninga síðustu fimmtíu ára.

Í fyrsta skipti gerði hann tilraun með tvöfalda rifu. Tómas Young (1) í Englandi snemma á nítjándu öld.

Tilraun Young

Tilraunin var notuð til að sýna fram á að ljós er bylgjueðli en ekki líkamseiginleika eins og áður sagði. Isaac Newton. Young sýndi bara að ljós hlýðir inngrip - fyrirbæri sem er mest einkennandi (óháð tegund bylgju og miðli sem hún breiðist út í). Í dag samræmir skammtafræði þessi tvö rökfræðilega mótsagnakennd sjónarmið.

Mundu kjarna tvöfalda rifa tilraunarinnar. Eins og venjulega á ég við bylgju á yfirborði vatnsins sem dreifist sammiðju um staðinn þar sem steininum var kastað. 

Bylgja er mynduð af áföngum toppum og lægðum sem geisla út frá truflunarstaðnum, á meðan haldið er stöðugri fjarlægð á milli toppanna, sem kallast bylgjulengd. Hægt er að setja hindrun í öldubrautina, til dæmis í formi borðs með tveimur mjóum raufum sem eru skornar í gegnum sem vatn getur flætt frjálslega. Með því að kasta steini í vatnið stoppar bylgjan á skilrúminu - en ekki alveg. Tvær nýjar sammiðja bylgjur (2) dreifast nú hinum megin við skilrúmið frá báðum raufum. Þau eru lögð ofan á hvort annað, eða, eins og við segjum, trufla hvert annað og skapa einkennandi mynstur á yfirborðinu. Á stöðum þar sem toppur einnar öldu mætir toppi annarrar magnast vatnsbungan og þar sem dældin mætir dalnum dýpkar lægðin.

2. Truflun bylgna sem koma út úr tveimur raufum.

Í tilraun Young fer einslita ljós frá punktgjafa í gegnum ógegnsætt þind með tveimur raufum og lendir á skjánum fyrir aftan þær (í dag viljum við frekar nota leysiljós og CCD). Truflunarmynd af ljósbylgju sést á skjánum í formi röð ljósra og dökkra rönda til skiptis (3). Þessi niðurstaða styrkti þá trú að ljós væri bylgja, áður en uppgötvanir í upphafi XNUMX sýndu að ljós væri líka bylgja. ljóseindaflæði eru léttar agnir sem hafa engan hvíldarmassa. Síðar kom í ljós að hið dularfulla bylgju-agna tvívirknifyrst uppgötvað fyrir ljós á einnig við um aðrar agnir sem hafa massa. Það varð fljótlega grunnur að nýrri skammtafræðilýsingu á heiminum.

3. Sýn um tilraun Young

Agnirnar trufla líka

Árið 1961 sýndi Klaus Jonsson frá háskólanum í Tübingen fram á truflun massamikilla agna - rafeinda með rafeindasmásjá. Tíu árum síðar gerðu þrír ítalskir eðlisfræðingar frá háskólanum í Bologna svipaða tilraun með stakra rafeindatruflun (með því að nota svokallað biprisma í stað tvöfaldrar raufs). Þeir minnkuðu styrk rafeindageislans niður í svo lágt gildi að rafeindirnar fóru í gegnum tvíprismana hver á eftir annarri, hver á eftir annarri. Þessar rafeindir voru skráðar á flúrljómandi skjá.

Upphaflega var rafeindaslóðunum dreift af handahófi yfir skjáinn, en með tímanum mynduðu þær áberandi truflunarmynd af truflunarkantunum. Það virðist ómögulegt að tvær rafeindir sem fara í gegnum raufin í röð á mismunandi tímum gætu truflað hvor aðra. Þess vegna verðum við að viðurkenna það ein rafeind truflar sjálfa sig! En þá þyrfti rafeindin að fara í gegnum báðar rifurnar á sama tíma.

Það gæti verið freistandi að skoða gatið sem rafeindin fór í raun og veru í gegnum. Síðar munum við sjá hvernig á að gera slíka athugun án þess að trufla hreyfingu rafeindarinnar. Það kemur í ljós að ef við fáum upplýsingar um hvað rafeindin hefur tekið á móti, þá mun truflunin ... hverfa! Upplýsingar „hvernig“ eyðileggja truflun. Þýðir þetta að nærvera meðvitaðs áhorfanda hafi áhrif á gang líkamlegs ferlis?

Áður en ég ræði um enn óvæntari niðurstöður tilrauna með tvöföldu rifa, mun ég gera smá frávik um stærð truflandi hluta. Skammtartruflanir massahluta fundust fyrst fyrir rafeindir, síðan fyrir agnir með vaxandi massa: nifteindir, róteindir, frumeindir og loks fyrir stórar efnasameindir.

Árið 2011 var metið í stærð hlutar slegið, þar sem sýnt var fram á fyrirbærið skammtatruflanir. Tilraunin var framkvæmd við háskólann í Vínarborg af doktorsnema þess tíma. Sandra Eibenberger og félaga hennar. Flókin lífræn sameind sem inniheldur um 5 róteindir, 5 þúsund nifteindir og 5 þúsund rafeindir var valin í tilraunina með tveimur hléum! Í mjög flókinni tilraun kom fram skammtafræðileg truflun þessarar risastóru sameindar.

Þetta staðfesti þá trú að Lögmál skammtafræðinnar hlýða ekki aðeins frumefnisögnum heldur einnig öllum efnislegum hlutum. Aðeins að því flóknari sem hluturinn er, því meira hefur hann samskipti við umhverfið, sem brýtur í bága við fíngerða skammtaeiginleika þess og eyðileggur truflunaráhrif..

Skautaflækju og skautun ljóss

Óvæntustu niðurstöður tilraunanna með tvöföldu rifi komu frá því að nota sérstaka aðferð til að fylgjast með ljóseindinni, sem truflaði ekki hreyfingu hennar á nokkurn hátt. Þessi aðferð notar eitt undarlegasta skammtafyrirbæri, svokallað skammtaaflækju. Þetta fyrirbæri var tekið eftir aftur á þriðja áratugnum af einum af aðalhöfundum skammtafræðinnar, Erwin Schrödinger.

Hinn efasemdamaður Einstein (sjá einnig 🙂 kallaði þær draugalegar aðgerðir í fjarlægð. En aðeins hálfri öld síðar áttaði sig á mikilvægi þessara áhrifa og í dag hefur það orðið viðfangsefni eðlisfræðinga sérstaklega.

Um hvað snúast þessi áhrif? Ef tvær agnir sem eru nálægt hvor annarri einhvern tíma víxlverkast svo sterkt innbyrðis að þær mynda eins konar „tvíburatengsl“, þá heldur sambandið áfram þó að agnirnar séu hundruð kílómetra á milli. Þá haga agnirnar sér sem eitt kerfi. Þetta þýðir að þegar við framkvæmum aðgerð á einni ögn hefur það strax áhrif á aðra ögn. Hins vegar getum við á þennan hátt ekki sent upplýsingar tímalaust í fjarlægð.

Ljóseind ​​er massalaus ögn - grunnhluti ljóss, sem er rafsegulbylgja. Eftir að hafa farið í gegnum plötu af samsvarandi kristal (kallaður skautari) verður ljósið línulega skautað, þ.e. vigur rafsviðs rafsegulbylgju sveiflast í ákveðnu plani. Aftur á móti, með því að leiða línuskautað ljós í gegnum plötu af ákveðinni þykkt frá öðrum tilteknum kristal (svokölluðum fjórðungsbylgjuplötu), er hægt að breyta því í hringskautað ljós, þar sem rafsviðsvigurinn hreyfist í þyrlu ( réttsælis eða rangsælis) hreyfing eftir útbreiðslustefnu bylgjunnar. Í samræmi við það má tala um línulega eða hringlaga skautaða ljóseindir.

Tilraunir með flæktar ljóseindir

4a. Ólínulegur BBO kristal breytir ljóseind ​​sem argon leysir gefur frá sér í tvær flæktar ljóseindir með helmingi meiri orku og gagnkvæma hornrétta skautun. Þessar ljóseindir dreifast í mismunandi áttir og eru skráðar með skynjara D1 og D2, tengdum með tilviljanateljara LK.Þind með tveimur raufum er sett í braut einnar ljóseindanna. Þegar báðir skynjararnir skrá næstum samtímis komu beggja ljóseindanna er merkið geymt í minni tækisins og skynjarinn D2 stígur samhliða raufunum. Fjöldi ljóseinda sem fer eftir staðsetningu skynjarans D2, þannig skráður, er sýndur í reitnum og sýnir hámark og lágmörk, sem gefur til kynna truflun.

Árið 2001 kom hópur brasilískra eðlisfræðinga í Belo Horizonte fram undir leiðsögn Stephen Walborn óvenjuleg tilraun. Höfundar þess notuðu eiginleika sérstaks kristals (skammstafað sem BBO), sem breytir ákveðnum hluta ljóseinda sem argon leysir gefur frá sér í tvær ljóseindir með helmingi orkunnar. Þessar tvær ljóseindir flækjast hver við aðra; þegar annar þeirra hefur til dæmis lárétta skautun, þá hefur hin lóðrétta pólun. Þessar ljóseindir hreyfast í tvær mismunandi áttir og gegna mismunandi hlutverkum í tilrauninni sem lýst er.

Ein af ljóseindunum sem við ætlum að nefna stjórna, fer beint í ljóseindaskynjarann ​​D1 (4a). Skynjarinn skráir komu sína með því að senda rafmerki til tækis sem kallast höggteljari. LK Gerð verður truflunartilraun á annarri ljóseindinni; við hringjum í hann merki ljóseind. Það er tvöföld rauf á vegi þess, á eftir kemur annar ljóseindaskynjari, D2, aðeins lengra frá ljóseindagjafanum en skynjari D1. Þessi skynjari getur hoppað um tvöfalda raufina í hvert sinn sem hann fær viðeigandi merki frá höggteljaranum. Þegar skynjari D1 skráir ljóseind ​​sendir hann merki til tilviljanateljarans. Ef skynjarinn D2 skráir líka ljóseind ​​eftir augnablik og sendir merki til mælisins, þá mun hann viðurkenna að það kemur frá ljóseindum sem flækjast, og þessi staðreynd verður geymd í minni tækisins. Þessi aðferð útilokar skráningu á handahófskenndum ljóseindum sem komast inn í skynjarann.

Flæktar ljóseindir haldast í 400 sekúndur. Eftir þennan tíma færist skynjarinn D2 til um 1 mm miðað við staðsetningu rifanna og talning á flækjuljóseindum tekur 400 sekúndur í viðbót. Þá er skynjarinn aftur færður um 1 mm og aðgerðin endurtekin mörgum sinnum. Í ljós kemur að dreifing fjölda ljóseinda sem skráð er á þennan hátt eftir staðsetningu skynjarans D2 hefur einkennandi hámark og lágmörk sem samsvara ljósi og myrkri og truflunarkanta í tilraun Young (4a).

Við komumst að því aftur stakar ljóseindir sem fara í gegnum tvöfalda raufina trufla hver aðra.

Á hvaða hátt?

Næsta skref í tilrauninni var að ákvarða gatið sem tiltekin ljóseind ​​fór í gegnum án þess að trufla hreyfingu hennar. Eiginleikar sem notaðir eru hér kvartbylgjuplata. Fjórðungsbylgjuplata var sett fyrir framan hverja rauf, önnur þeirra breytti línulegri skautun innfallsljóseindarinnar í hringlaga réttsælis og hin í vinstri hringskautun (4b). Það var sannreynt að tegund ljóseindaskautunar hafði ekki áhrif á fjölda ljóseinda sem taldar voru. Nú, með því að ákvarða snúning á skautun ljóseindarinnar eftir að hún hefur farið í gegnum rifurnar, er hægt að gefa til kynna hvaða þeirra ljóseind ​​hefur farið. Að vita „í hvaða átt“ eyðir truflunum.

4b. Með því að setja fjórðungsbylgjuplötur (skyggða rétthyrninga) fyrir framan raufin er hægt að fá „hvern veginn“ upplýsingar og truflunarmyndin hverfur.

4c. Með því að setja rétt stilltan skautara P fyrir framan skynjarann ​​D1 eyðast upplýsingar um „á hvaða leið“ og truflunin endurheimtist.

Reyndar eftir rétta staðsetningu á fjórðungsbylgjuplötunum fyrir framan rifurnar hverfur áður sá dreifing talninga, sem bendir til truflana. Það undarlegasta er að þetta gerist án þátttöku meðvitaðs athuganda sem getur gert viðeigandi mælingar! Einungis staðsetningin á fjórðungsbylgjuplötum veldur truflunarafpöntunaráhrifum.. Svo hvernig veit ljóseind ​​að eftir að hafa sett plöturnar inn getum við ákvarðað bilið sem hún fór í gegnum?

Þetta er þó ekki endirinn á furðuleiknum. Nú getum við endurheimt merki ljóseindatruflanir án þess að hafa bein áhrif á það. Til að gera þetta, á leið stjórnljóseindarinnar sem nær til skynjarans D1, skal setja skautara á þann hátt að hann sendi ljós með skautun sem er sambland af skautun beggja ljóseindanna sem flækjast (4c). Þetta breytir strax pólun merkjaljóseindarinnar í samræmi við það. Nú er ekki lengur hægt að ákvarða með vissu hver er skautun ljóseinds sem fellur á rifurnar og í gegnum hvaða rauf ljóseindin fór. Í þessu tilviki er truflun endurheimt!

Eyða upplýsingum um seinkað val

Tilraunirnar sem lýst er hér að ofan voru framkvæmdar á þann hátt að stjórnljóseindin var skráð af skynjaranum D1 áður en merkjaljóseindin náði til skynjarans D2. Eyðing á „hverri leið“ upplýsingum var framkvæmd með því að breyta skautun stýriljóseindarinnar áður en merkjaljóseindin náði skynjara D2. Þá getur maður ímyndað sér að ljóseindin sem stjórna hafi þegar sagt „tvíburanum“ sínum hvað hann eigi að gera næst: að grípa inn í eða ekki.

Nú breytum við tilrauninni á þann hátt að stjórnljóseindin lendir á skynjara D1 eftir að merkjaljóseindin er skráð á skynjara D2. Til að gera þetta skaltu færa skynjarann ​​D1 í burtu frá ljóseindagjafanum. Truflunarmynstrið lítur út eins og áður. Nú skulum við setja fjórðungsbylgjuplötur fyrir framan raufin til að ákvarða hvaða leið ljóseindin hefur farið. Truflunarmynstrið hverfur. Næst skulum við eyða „í hvaða leið“ upplýsingarnar með því að setja skautara sem er rétt stillt fyrir framan skynjarann ​​D1. Truflunarmynstrið birtist aftur! Samt var eytt eftir að merkjaljóseindin hafði verið skráð með skynjara D2. Hvernig er þetta hægt? Ljóseindin varð að vera meðvituð um pólunarbreytinguna áður en upplýsingar um hana gætu náð henni.

5. Tilraunir með leysigeisla.

Hér er náttúrulegri atburðarrás snúið við; áhrif á undan orsök! Þessi niðurstaða grefur undan meginreglunni um orsakasamhengi í veruleikanum í kringum okkur. Eða skiptir tíminn kannski ekki máli þegar kemur að flæktum ögnum? Skammtaflækja brýtur í bága við staðsetningarregluna í klassískri eðlisfræði, en samkvæmt henni getur hlutur aðeins orðið fyrir áhrifum af nánasta umhverfi sínu.

Frá brasilísku tilrauninni hafa margar svipaðar tilraunir verið gerðar, sem staðfesta að fullu þær niðurstöður sem hér eru kynntar. Í lokin vill lesandinn skýra leyndardóm þessara óvæntu fyrirbæra skýrt. Því miður er ekki hægt að gera þetta. Rökfræði skammtafræðinnar er frábrugðin rökfræði heimsins sem við sjáum á hverjum degi. Við verðum að sætta okkur við þetta af auðmýkt og gleðjast yfir því að lögmál skammtafræðinnar lýsa nákvæmlega þeim fyrirbærum sem eiga sér stað í örheiminum, sem nýtast vel í sífellt fullkomnari tæknibúnaði.