Trung tâm của cơ học lượng tử

Richard Feynman, một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất của thế kỷ XNUMX, cho rằng chìa khóa để hiểu cơ học lượng tử là "thí nghiệm khe kép". Thí nghiệm đơn giản về mặt khái niệm này, được tiến hành ngày nay, tiếp tục mang lại những khám phá đáng kinh ngạc. Chúng cho thấy cơ học lượng tử không tương thích như thế nào với lẽ thường, thứ mà cuối cùng đã dẫn đến những phát minh quan trọng nhất trong năm mươi năm qua.

Lần đầu tiên ông thực hiện một thí nghiệm khe kép. Thomas Young (1) ở Anh đầu thế kỷ XIX.

Thử nghiệm của Young

Thí nghiệm được sử dụng để chứng minh rằng ánh sáng có bản chất sóng chứ không phải bản chất phân tử, như đã nêu trước đây. Isaac Newton. Young vừa chứng minh rằng ánh sáng tuân theo sự can thiệp - một hiện tượng là tính năng đặc trưng nhất (bất kể loại sóng và môi trường mà nó lan truyền). Ngày nay, cơ học lượng tử dung hòa cả hai quan điểm trái ngược nhau về mặt logic này.

Chúng ta hãy nhớ lại bản chất của thí nghiệm khe kép. Như thường lệ, ý tôi là một làn sóng trên mặt nước lan truyền đồng tâm xung quanh nơi viên sỏi được ném xuống. 

Sóng được tạo thành bởi các đỉnh và đáy liên tiếp phát ra từ điểm nhiễu loạn, đồng thời duy trì khoảng cách không đổi giữa các đỉnh, được gọi là bước sóng. Ví dụ, một vật chắn có thể được đặt trên đường đi của sóng, dưới dạng một tấm ván có hai khe hẹp cắt qua đó nước có thể chảy tự do. Ném một viên sỏi vào nước, sóng dừng trên vách ngăn - nhưng không hoàn toàn. Hai sóng đồng tâm mới (2) bây giờ truyền đến phía bên kia của phân vùng từ cả hai khe. Chúng được xếp chồng lên nhau, hoặc như chúng ta nói, giao thoa với nhau, tạo ra một hoa văn đặc trưng trên bề mặt. Ở những nơi mà đỉnh của sóng này gặp đỉnh của sóng khác, chỗ lồi nước tăng lên, và ở nơi trũng gặp thung lũng, chỗ trũng sâu hơn.

2. Sự giao thoa của sóng ló ra khỏi hai khe.

Trong thí nghiệm của Young, ánh sáng đơn màu phát ra từ một nguồn điểm đi qua một màng ngăn mờ có hai khe và đập vào màn hình phía sau chúng (ngày nay chúng ta thích sử dụng ánh sáng laze và CCD hơn). Hình ảnh giao thoa của một sóng ánh sáng được quan sát trên màn dưới dạng một dãy các sọc sáng và tối xen kẽ nhau (3). Kết quả này củng cố niềm tin rằng ánh sáng là sóng, trước khi những khám phá vào đầu những năm XNUMX cho thấy ánh sáng cũng là sóng. thông lượng photon là những hạt nhẹ không có khối lượng nghỉ. Sau đó hóa ra là bí ẩn lưỡng tính sóng-hạtlần đầu tiên được phát hiện về ánh sáng cũng áp dụng cho các hạt khác có khối lượng. Nó nhanh chóng trở thành cơ sở cho một mô tả cơ học lượng tử mới về thế giới.

3. Tầm nhìn của thí nghiệm Young

Các hạt cũng giao thoa

Năm 1961, Klaus Jonsson từ Đại học Tübingen đã chứng minh sự giao thoa của các hạt khối lượng lớn - các điện tử bằng kính hiển vi điện tử. Mười năm sau, ba nhà vật lý người Ý từ Đại học Bologna đã thực hiện một thí nghiệm tương tự với giao thoa đơn electron (sử dụng cái gọi là biprism thay vì khe kép). Họ giảm cường độ của chùm tia điện tử xuống một giá trị thấp đến mức các điện tử lần lượt đi qua lưỡng cực, lần lượt đi qua vật khác. Các điện tử này đã được đăng ký trên một màn hình huỳnh quang.

Ban đầu, các vệt electron được phân bố ngẫu nhiên trên màn, nhưng theo thời gian, chúng tạo thành hình ảnh giao thoa riêng biệt của các vân giao thoa. Dường như không thể có chuyện hai electron đi qua các khe liên tiếp vào những thời điểm khác nhau có thể giao thoa với nhau. Vì vậy, chúng ta phải thừa nhận rằng một điện tử giao thoa với chính nó! Nhưng sau đó electron sẽ phải đi qua cả hai khe cùng một lúc.

Có thể bạn sẽ bị hấp dẫn khi nhìn vào lỗ trống mà electron thực sự đi qua. Sau đó, chúng ta sẽ xem làm thế nào để thực hiện một quan sát như vậy mà không làm ảnh hưởng đến chuyển động của electron. Nó chỉ ra rằng nếu chúng ta nhận được thông tin về những gì electron đã nhận, thì sự giao thoa ... sẽ biến mất! Thông tin "làm thế nào" phá hủy sự can thiệp. Điều này có nghĩa là sự hiện diện của một người quan sát có ý thức ảnh hưởng đến tiến trình của quá trình vật lý?

Trước khi nói về những kết quả đáng ngạc nhiên hơn nữa của các thí nghiệm khe kép, tôi sẽ đưa ra một suy đoán nhỏ về kích thước của các vật thể giao thoa. Sự giao thoa lượng tử của các vật thể khối lượng được phát hiện đầu tiên đối với các electron, sau đó đối với các hạt có khối lượng tăng dần: neutron, proton, nguyên tử, và cuối cùng là các phân tử hóa học lớn.

Năm 2011, kỷ lục về kích thước của một vật thể đã bị phá vỡ, trên đó hiện tượng giao thoa lượng tử đã được chứng minh. Thí nghiệm được thực hiện tại Đại học Vienna bởi một nghiên cứu sinh tiến sĩ thời đó. Sandra Eibenberger và các cộng sự của cô ấy. Một phân tử hữu cơ phức tạp chứa khoảng 5 proton, 5 nghìn nơtron và 5 nghìn electron đã được chọn cho thí nghiệm với hai lần ngắt! Trong một thí nghiệm rất phức tạp, người ta đã quan sát thấy sự giao thoa lượng tử của phân tử khổng lồ này.

Điều này khẳng định niềm tin rằng Các định luật của cơ học lượng tử không chỉ tuân theo các hạt cơ bản, mà còn tuân theo mọi đối tượng vật chất. Chỉ có điều rằng vật thể càng phức tạp thì nó càng tương tác với môi trường nhiều hơn, vi phạm các tính chất lượng tử tinh vi của nó và phá hủy các hiệu ứng giao thoa..

Rối lượng tử và sự phân cực của ánh sáng

Kết quả đáng ngạc nhiên nhất của thí nghiệm khe kép đến từ việc sử dụng một phương pháp đặc biệt để theo dõi photon, phương pháp này không làm xáo trộn chuyển động của nó theo bất kỳ cách nào. Phương pháp này sử dụng một trong những hiện tượng lượng tử kỳ lạ nhất, cái gọi là rối lượng tử. Hiện tượng này đã được nhận thấy vào những năm 30 bởi một trong những người sáng tạo chính của cơ học lượng tử, Erwin Schrödinger.

Einstein hoài nghi (xem thêm 🙂 gọi chúng là hành động ma quái ở khoảng cách xa. Tuy nhiên, chỉ nửa thế kỷ sau, tầm quan trọng của hiệu ứng này mới được nhận ra và ngày nay nó đã trở thành một chủ đề được các nhà vật lý quan tâm đặc biệt).

Hiệu ứng này là gì? Nếu hai hạt ở gần nhau tại một thời điểm nào đó tương tác mạnh với nhau đến mức chúng tạo thành một loại "mối quan hệ song sinh", thì mối quan hệ đó vẫn tồn tại ngay cả khi các hạt cách xa nhau hàng trăm km. Sau đó, các hạt hoạt động như một hệ thống duy nhất. Điều này có nghĩa là khi chúng ta thực hiện một hành động trên một hạt, nó ngay lập tức ảnh hưởng đến một hạt khác. Tuy nhiên, theo cách này, chúng ta không thể truyền thông tin qua một khoảng cách theo thời gian.

Một photon là một hạt không khối lượng - một phần cơ bản của ánh sáng, là sóng điện từ. Sau khi đi qua một tấm của tinh thể tương ứng (được gọi là bộ phân cực), ánh sáng trở nên phân cực tuyến tính, tức là vectơ điện trường của sóng điện từ dao động trong một mặt phẳng nào đó. Đổi lại, bằng cách truyền ánh sáng phân cực tuyến tính qua một tấm có độ dày nhất định từ một tinh thể cụ thể khác (cái gọi là tấm sóng phần tư), nó có thể được chuyển đổi thành ánh sáng phân cực tròn, trong đó vectơ điện trường chuyển động theo hình xoắn ốc ( theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ) chuyển động dọc theo hướng truyền sóng. Theo đó, người ta có thể nói về các photon phân cực tuyến tính hoặc phân cực tròn.

Thí nghiệm với các photon vướng víu

4a. Một tinh thể BBO phi tuyến tính biến đổi một photon do laze argon phát ra thành hai photon vướng víu với một nửa năng lượng và phân cực vuông góc lẫn nhau. Các photon này phân tán theo các hướng khác nhau và được ghi lại bởi các máy dò D1 và D2, được nối với nhau bằng một bộ đếm trùng hợp LK. Một màng ngăn có hai khe được đặt trên đường đi của một trong các photon. Khi cả hai bộ phát hiện ghi nhận sự đến gần như đồng thời của cả hai photon, tín hiệu được lưu trong bộ nhớ của thiết bị và bộ dò D2 bước song song với các khe. Số lượng photon phụ thuộc vào vị trí của máy dò D2, do đó được ghi lại, được hiển thị trong hộp, hiển thị cực đại và cực tiểu, cho thấy giao thoa.

Năm 2001, một nhóm các nhà vật lý Brazil ở Belo Horizonte đã thực hiện dưới sự hướng dẫn của Stephen Walborn thí nghiệm bất thường. Các tác giả của nó đã sử dụng các tính chất của một tinh thể đặc biệt (viết tắt là BBO), giúp chuyển đổi một phần nhất định của các photon do tia laser argon phát ra thành hai photon có năng lượng bằng một nửa. Hai photon này bị vướng vào nhau; chẳng hạn khi một trong số chúng có phân cực ngang, thì cái kia có phân cực dọc. Những photon này di chuyển theo hai hướng khác nhau và đóng những vai trò khác nhau trong thí nghiệm được mô tả.

Một trong những photon mà chúng tôi sắp đặt tên kiểm soát, đi thẳng đến máy dò photon D1 (4a). Máy dò ghi lại sự xuất hiện của nó bằng cách gửi một tín hiệu điện đến một thiết bị được gọi là bộ đếm hit. LK Một thí nghiệm giao thoa sẽ được thực hiện trên photon thứ hai; chúng tôi sẽ gọi cho anh ấy tín hiệu photon. Có một khe kép trên đường đi của nó, theo sau là một máy dò photon thứ hai, D2, hơi xa nguồn photon hơn một chút so với máy dò D1. Máy dò này có thể nhảy xung quanh khe kép mỗi khi nó nhận được tín hiệu thích hợp từ bộ đếm hit. Khi máy dò D1 đăng ký một photon, nó sẽ gửi tín hiệu đến bộ đếm trùng hợp. Nếu trong một lúc nào đó máy dò D2 cũng đăng ký một photon và gửi tín hiệu đến máy đo, thì nó sẽ nhận ra rằng nó đến từ các photon vướng víu và thông tin này sẽ được lưu trong bộ nhớ của thiết bị. Quy trình này loại trừ việc đăng ký các photon ngẫu nhiên đi vào máy dò.

Các photon vướng mắc tồn tại trong 400 giây. Sau thời gian này, máy dò D2 bị dịch chuyển 1 mm so với vị trí của các khe và việc đếm các photon vướng víu sẽ mất thêm 400 giây nữa. Sau đó, máy dò lại được di chuyển thêm 1 mm và quy trình này được lặp lại nhiều lần. Hóa ra sự phân bố của số phôtôn được ghi theo cách này phụ thuộc vào vị trí của dò D2 có cực đại và cực tiểu đặc trưng ứng với ánh sáng và vân tối và các vân giao thoa trong thí nghiệm của Young (4a).

Chúng tôi tìm hiểu lại rằng các photon đơn đi qua khe kép giao thoa với nhau.

Làm thế nào vậy?

Bước tiếp theo trong thí nghiệm là xác định lỗ mà một photon cụ thể đi qua mà không làm ảnh hưởng đến chuyển động của nó. Thuộc tính được sử dụng ở đây tấm sóng quý. Một tấm 4/XNUMX sóng được đặt trước mỗi khe, một trong số đó thay đổi phân cực tuyến tính của photon tới thành hình tròn theo chiều kim đồng hồ, và tấm kia thành phân cực tròn bên trái (XNUMXb). Người ta đã xác minh rằng kiểu phân cực photon không ảnh hưởng đến số lượng photon đếm được. Bây giờ, bằng cách xác định chuyển động quay của sự phân cực của photon sau khi nó đi qua các khe, có thể chỉ ra photon đã đi qua khe nào trong số chúng. Biết "theo hướng nào" triệt tiêu giao thoa.

4b. Bằng cách đặt các tấm sóng phần tư (hình chữ nhật bóng mờ) trước các khe, thông tin "đường nào" có thể thu được và hình ảnh giao thoa sẽ biến mất.

4c. Việc đặt một bộ phân cực định hướng thích hợp P trước máy dò D1 sẽ xóa thông tin "đường nào" và khôi phục nhiễu.

Trong thực tế, sau khi đặt đúng các tấm sóng phần tư phía trước các khe, sự phân bố các số đếm được quan sát trước đó, biểu hiện của sự giao thoa, sẽ biến mất. Điều kỳ lạ nhất là điều này xảy ra mà không có sự tham gia của một người quan sát có ý thức, người có thể thực hiện các phép đo thích hợp! Việc chỉ đặt các tấm sóng XNUMX/XNUMX tạo ra hiệu ứng loại bỏ nhiễu.. Vậy làm thế nào để photon biết rằng sau khi đưa các tấm vào, chúng ta có thể xác định được khoảng trống mà nó đi qua?

Tuy nhiên, đây không phải là kết thúc của sự kỳ lạ. Bây giờ chúng ta có thể khôi phục nhiễu photon tín hiệu mà không ảnh hưởng trực tiếp đến nó. Để thực hiện điều này, trong đường đi của photon điều khiển tới máy dò D1, đặt một bộ phân cực để nó truyền ánh sáng có phân cực là sự kết hợp của sự phân cực của cả hai photon vướng víu (4c). Điều này ngay lập tức thay đổi phân cực của photon tín hiệu cho phù hợp. Giờ đây, người ta không còn có thể xác định chắc chắn đâu là sự phân cực của một photon tới trên các khe, và qua khe nào mà photon đi qua. Trong trường hợp này, nhiễu được khôi phục!

Xóa thông tin lựa chọn bị trì hoãn

Các thí nghiệm được mô tả ở trên được thực hiện theo cách sao cho photon điều khiển được máy dò D1 đăng ký trước khi photon tín hiệu đến máy dò D2. Việc xóa thông tin "theo đường nào" được thực hiện bằng cách thay đổi phân cực của photon điều khiển trước khi photon tín hiệu tới bộ dò D2. Sau đó, người ta có thể tưởng tượng rằng photon điều khiển đã nói với “người song sinh” của nó phải làm gì tiếp theo: can thiệp hay không.

Bây giờ chúng tôi sửa đổi thí nghiệm theo cách sao cho photon điều khiển chạm vào máy dò D1 sau khi photon tín hiệu được đăng ký tại máy dò D2. Để làm điều này, di chuyển máy dò D1 ra khỏi nguồn photon. Hình ảnh giao thoa trông giống như trước đây. Bây giờ chúng ta hãy đặt các tấm sóng 1/2 phía trước các khe để xác định con đường mà photon đã đi. Hình ảnh giao thoa biến mất. Tiếp theo, hãy xóa thông tin "đường nào" bằng cách đặt một bộ phân cực được định hướng thích hợp trước máy dò DXNUMX. Hình ảnh giao thoa lại xuất hiện! Tuy nhiên, việc tẩy xóa được thực hiện sau khi photon tín hiệu đã được đăng ký bởi máy dò DXNUMX. Sao có thể như thế được? Các photon phải biết về sự thay đổi cực trước khi bất kỳ thông tin nào về nó có thể đến được.

5. Thí nghiệm với chùm tia laze.

Chuỗi sự kiện tự nhiên được đảo ngược ở đây; hiệu lực có trước nguyên nhân! Kết quả này phá hoại nguyên tắc nhân quả trong thực tế xung quanh chúng ta. Hay có lẽ thời gian không thành vấn đề khi vướng vào những hạt sạn? Rối lượng tử vi phạm nguyên tắc cục bộ trong vật lý cổ điển, theo đó một vật thể chỉ có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường tức thời của nó.

Kể từ thí nghiệm của Brazil, nhiều thí nghiệm tương tự đã được thực hiện, điều này hoàn toàn xác nhận kết quả được trình bày ở đây. Cuối cùng, bạn đọc xin được giải thích rõ ràng về bí ẩn của những hiện tượng bất ngờ này. Thật không may, điều này không thể được thực hiện. Logic của cơ học lượng tử khác với logic của thế giới mà chúng ta thấy hàng ngày. Chúng ta phải khiêm tốn chấp nhận điều này và vui mừng thực tế là các định luật cơ học lượng tử mô tả chính xác các hiện tượng xảy ra trong mô hình thu nhỏ, được sử dụng hữu ích trong các thiết bị kỹ thuật tiên tiến hơn bao giờ hết.