หัวใจของกลศาสตร์ควอนตัม

Richard Feynman หนึ่งในนักฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดแห่งศตวรรษที่ XNUMX แย้งว่ากุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัมคือ "การทดลองแบบ double slit" การทดลองเชิงแนวคิดง่ายๆ ที่ดำเนินการในวันนี้ ยังคงให้ผลการค้นพบที่น่าอัศจรรย์ต่อไป พวกเขาแสดงให้เห็นว่ากลศาสตร์ควอนตัมเข้ากันไม่ได้กับสามัญสำนึกอย่างไร ซึ่งในที่สุดก็นำไปสู่การประดิษฐ์ที่สำคัญที่สุดในช่วงห้าสิบปีที่ผ่านมา

เป็นครั้งแรกที่เขาทำการทดลองแบบ double-slit Thomas Young (1) ในอังกฤษเมื่อต้นศตวรรษที่ XNUMX

การทดลองของหนุ่ม

การทดลองนี้ใช้เพื่อแสดงว่าแสงมีลักษณะเป็นคลื่นและไม่ใช่ลักษณะรูปร่างเหมือนกล้ามเนื้อ ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ไอแซกนิวตัน. หนุ่มเพิ่งแสดงให้เห็นว่าแสงเชื่อฟัง การแทรกแซง - ปรากฏการณ์ที่เป็นลักษณะเฉพาะมากที่สุด (โดยไม่คำนึงถึงประเภทของคลื่นและตัวกลางที่แพร่กระจาย) ทุกวันนี้ กลศาสตร์ควอนตัมได้ปรับมุมมองที่ขัดแย้งกันเชิงตรรกะทั้งสองนี้

ให้เราระลึกถึงสาระสำคัญของการทดลองแบบ double-slit ตามปกติแล้ว ฉันหมายถึงคลื่นบนผิวน้ำที่กระจายเป็นศูนย์รอบบริเวณที่ขว้างก้อนกรวด 

คลื่นเกิดจากยอดและร่องน้ำที่แผ่ออกมาจากจุดรบกวน โดยรักษาระยะห่างคงที่ระหว่างยอดและร่องน้ำซึ่งเรียกว่าความยาวคลื่น สามารถวางสิ่งกีดขวางในเส้นทางของคลื่นได้ ตัวอย่างเช่น ในรูปแบบของกระดานที่มีช่องแคบสองช่องที่ตัดผ่านซึ่งน้ำสามารถไหลได้อย่างอิสระ โยนกรวดลงไปในน้ำ คลื่นจะหยุดบนฉากกั้น - แต่ไม่เลย คลื่นศูนย์กลางใหม่สองคลื่น (2) ตอนนี้แพร่กระจายไปยังอีกด้านหนึ่งของพาร์ติชันจากทั้งสองช่อง พวกมันซ้อนทับกันหรืออย่างที่เราพูดรบกวนกันสร้างลวดลายเฉพาะบนพื้นผิว ในบริเวณที่ยอดของคลื่นลูกหนึ่งมาบรรจบกับยอดของอีกคลื่นหนึ่ง คลื่นน้ำจะนูนขึ้น และจุดที่โพรงมาบรรจบกับหุบเขา ความกดอากาศจะลึกมากขึ้น

2. การรบกวนของคลื่นที่โผล่ออกมาจากสองช่อง

ในการทดลองของ Young แสงสีเดียวที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงผ่านไดอะแฟรมทึบแสงที่มีช่องผ่าสองช่องและกระทบกับหน้าจอด้านหลัง (วันนี้เราต้องการใช้แสงเลเซอร์และ CCD) ภาพการรบกวนของคลื่นแสงปรากฏบนหน้าจอในรูปแบบของชุดของแถบแสงและแถบสีเข้มสลับกัน (3) ผลลัพธ์นี้ตอกย้ำความเชื่อที่ว่าแสงเป็นคลื่น ก่อนที่การค้นพบในช่วงต้นทศวรรษ XNUMX จะแสดงให้เห็นว่าแสงก็เป็นคลื่นเช่นกัน โฟตอนฟลักซ์ เป็นอนุภาคแสงที่ไม่มีมวล ต่อมาปรากฎว่าลึกลับ ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นการค้นพบครั้งแรกสำหรับแสงยังใช้กับอนุภาคอื่นๆ ที่มีมวลด้วย ในไม่ช้ามันก็กลายเป็นพื้นฐานสำหรับคำอธิบายทางกลควอนตัมใหม่ของโลก

3.วิสัยทัศน์การทดลองของหนุ่ม

อนุภาคยังรบกวน

ในปี 1961 Klaus Jonsson จากมหาวิทยาลัย Tübingen ได้สาธิตการรบกวนของอนุภาคขนาดใหญ่ - อิเล็กตรอนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน สิบปีต่อมา นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีสามคนจากมหาวิทยาลัยโบโลญญาได้ทำการทดลองที่คล้ายกันกับ การรบกวนของอิเล็กตรอนเดี่ยว (ใช้สิ่งที่เรียกว่า biprism แทน double slit) พวกมันลดความเข้มของลำอิเล็กตรอนลงจนเหลือค่าที่ต่ำมากจนอิเล็กตรอนผ่านไบปริซึมทีละอันทีละอัน อิเล็กตรอนเหล่านี้ได้รับการลงทะเบียนบนหน้าจอเรืองแสง

ในขั้นต้น เส้นทางอิเล็กตรอนถูกสุ่มกระจายไปทั่วหน้าจอ แต่เมื่อเวลาผ่านไป พวกมันจะสร้างภาพการรบกวนที่ชัดเจนของขอบการรบกวน ดูเหมือนว่าเป็นไปไม่ได้ที่อิเล็กตรอนสองตัวที่ผ่านรอยแยกในเวลาที่ต่างกันสามารถแทรกแซงซึ่งกันและกันได้ จึงต้องยอมรับว่า อิเล็กตรอนตัวหนึ่งรบกวนตัวเอง! แต่แล้วอิเล็กตรอนจะต้องผ่านช่องผ่าทั้งสองพร้อมกัน

อาจเป็นการดึงดูดที่จะมองดูรูที่อิเล็กตรอนผ่านเข้าไปจริง ต่อไปเราจะมาดูวิธีการสังเกตดังกล่าวโดยไม่รบกวนการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ปรากฎว่าถ้าเราได้รับข้อมูลเกี่ยวกับสิ่งที่อิเล็กตรอนได้รับ การรบกวน ... จะหายไป! ข้อมูล "วิธี" ทำลายการรบกวน นี่หมายความว่าการมีอยู่ของผู้สังเกตการณ์ที่มีสติสัมปชัญญะมีอิทธิพลต่อกระบวนการทางกายภาพหรือไม่?

ก่อนที่จะพูดถึงผลการทดลองแบบ double-slit ที่น่าประหลาดใจยิ่งกว่านั้น ฉันจะพูดนอกเรื่องเล็กน้อยเกี่ยวกับขนาดของวัตถุที่รบกวน การแทรกแซงควอนตัมของวัตถุมวลถูกค้นพบก่อนสำหรับอิเล็กตรอน จากนั้นสำหรับอนุภาคที่มีมวลเพิ่มขึ้น: นิวตรอน โปรตอน อะตอม และสุดท้ายสำหรับโมเลกุลเคมีขนาดใหญ่

ในปี 2011 บันทึกขนาดของวัตถุถูกทำลายซึ่งมีการแสดงปรากฏการณ์การรบกวนควอนตัม การทดลองได้ดำเนินการที่มหาวิทยาลัยเวียนนาโดยนักศึกษาปริญญาเอกในเวลานั้น Sandra Eibenberger และเพื่อนร่วมงานของเธอ โมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยโปรตอน 5 ตัว นิวตรอน 5 ตัว และอิเล็กตรอน 5 ตัว ถูกเลือกสำหรับการทดลองโดยแบ่งเป็น XNUMX ช่วง! ในการทดลองที่ซับซ้อนมาก พบว่ามีการรบกวนควอนตัมของโมเลกุลขนาดใหญ่นี้

สิ่งนี้ยืนยันความเชื่อที่ว่า กฎของกลศาสตร์ควอนตัมไม่เพียงแต่ปฏิบัติตามอนุภาคมูลฐานเท่านั้น แต่ยังปฏิบัติตามวัตถุวัตถุทุกชิ้นด้วย ยิ่งวัตถุซับซ้อนมากเท่าไรก็ยิ่งมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งละเมิดคุณสมบัติควอนตัมที่ละเอียดอ่อนและทำลายผลกระทบจากการรบกวน.

ควอนตัมพัวพันและโพลาไรซ์ของแสง

ผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจที่สุดของการทดลองแบบ double-slit มาจากการใช้วิธีการพิเศษในการติดตามโฟตอน ซึ่งไม่รบกวนการเคลื่อนที่ของโฟตอนแต่อย่างใด วิธีนี้ใช้ปรากฏการณ์ควอนตัมที่แปลกประหลาดที่สุดอย่างหนึ่งที่เรียกว่า ควอนตัมพัวพัน. ปรากฏการณ์นี้สังเกตเห็นได้ในยุค 30 โดยหนึ่งในผู้สร้างหลักของกลศาสตร์ควอนตัม เออร์วินSchrödinger.

ไอน์สไตน์ขี้ระแวง (ดูเพิ่มเติมที่ 🙂 เรียกพวกเขาว่าการกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล อย่างไรก็ตาม เพียงครึ่งศตวรรษต่อมาก็ตระหนักถึงความสำคัญของผลกระทบนี้ และวันนี้ได้กลายเป็นหัวข้อที่น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับนักฟิสิกส์

ผลกระทบนี้เกี่ยวกับอะไร? หากอนุภาคสองชิ้นที่อยู่ใกล้กันในบางช่วงเวลามีปฏิสัมพันธ์กันอย่างรุนแรงจนก่อให้เกิด "ความสัมพันธ์แบบแฝด" ความสัมพันธ์นั้นจะคงอยู่แม้ว่าอนุภาคจะห่างกันหลายร้อยกิโลเมตร จากนั้นอนุภาคจะทำงานเป็นระบบเดียว ซึ่งหมายความว่าเมื่อเราดำเนินการกับอนุภาคหนึ่ง มันจะส่งผลต่ออีกอนุภาคหนึ่งทันที อย่างไรก็ตาม ด้วยวิธีนี้ เราไม่สามารถส่งข้อมูลจากระยะไกลได้อย่างทันท่วงที

โฟตอนเป็นอนุภาคไร้มวล ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของแสง ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หลังจากผ่านแผ่นคริสตัลที่สอดคล้องกัน (เรียกว่าโพลาไรเซอร์) แสงจะกลายเป็นโพลาไรซ์เชิงเส้น กล่าวคือ เวกเตอร์สนามไฟฟ้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแกว่งในระนาบหนึ่ง ในทางกลับกัน โดยการส่งผ่านแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นผ่านแผ่นที่มีความหนาบางจากคริสตัลเฉพาะอีกชนิดหนึ่ง (ที่เรียกว่าจานคลื่นสี่ส่วน) มันสามารถแปลงเป็นแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม ซึ่งเวกเตอร์สนามไฟฟ้าเคลื่อนที่เป็นเกลียว ( ตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา) เคลื่อนที่ไปตามทิศทางการแพร่กระจายคลื่น ดังนั้น เราสามารถพูดถึงโฟตอนโพลาไรซ์แบบเส้นตรงหรือแบบวงกลมได้

การทดลองกับโฟตอนพันกัน

4ก. คริสตัล BBO ที่ไม่เป็นเชิงเส้นจะเปลี่ยนโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์อาร์กอนเป็นโฟตอนสองอันที่พันกันด้วยพลังงานครึ่งหนึ่งและโพลาไรซ์ในแนวตั้งฉากร่วมกัน โฟตอนเหล่านี้กระจัดกระจายไปในทิศทางที่ต่างกันและลงทะเบียนโดยเครื่องตรวจจับ D1 และ D2 ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยตัวนับบังเอิญ LK ไดอะแฟรมที่มีสองช่องวางอยู่ในเส้นทางของโฟตอนตัวใดตัวหนึ่ง เมื่อเครื่องตรวจจับทั้งสองลงทะเบียนโฟตอนทั้งสองเข้ามาพร้อมกันเกือบจะพร้อมกัน สัญญาณจะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำของอุปกรณ์ และเครื่องตรวจจับ D2 จะขนานกับรอยแยก จำนวนโฟตอนขึ้นอยู่กับตำแหน่งของเครื่องตรวจจับ D2 ซึ่งบันทึกไว้จึงแสดงอยู่ในกล่องโดยแสดงค่าสูงสุดและค่าต่ำสุดซึ่งบ่งบอกถึงการรบกวน

ในปี 2001 นักฟิสิกส์ชาวบราซิลกลุ่มหนึ่งในเมืองเบโลโอรีซอนตีได้แสดงภายใต้การแนะนำของ Stephen Walborn การทดลองที่ผิดปกติ ผู้เขียนใช้คุณสมบัติของคริสตัลพิเศษ (เรียกโดยย่อว่า BBO) ซึ่งจะแปลงโฟตอนบางส่วนที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์อาร์กอนให้เป็นโฟตอนสองตัวที่มีพลังงานเพียงครึ่งเดียว โฟตอนทั้งสองนี้พันกัน เมื่อหนึ่งในนั้นมีโพลาไรซ์แนวนอน ตัวอย่างเช่น อีกอันหนึ่งมีโพลาไรซ์ในแนวตั้ง โฟตอนเหล่านี้เคลื่อนที่ในสองทิศทางที่แตกต่างกันและมีบทบาทต่างกันในการทดลองที่อธิบายไว้

หนึ่งในโฟตอนที่เราจะตั้งชื่อ ควบคุมตรงไปที่เครื่องตรวจจับโฟตอน D1 (4a) เครื่องตรวจจับลงทะเบียนการมาถึงโดยส่งสัญญาณไฟฟ้าไปยังอุปกรณ์ที่เรียกว่าตัวนับการชน LK การทดลองการรบกวนจะดำเนินการในโฟตอนที่สอง เราจะเรียกเขาว่า สัญญาณโฟตอน. มีร่องสองครั้งในเส้นทาง ตามด้วยเครื่องตรวจจับโฟตอนที่สอง D2 ห่างจากแหล่งกำเนิดโฟตอนเล็กน้อยกว่าเครื่องตรวจจับ D1 เล็กน้อย เครื่องตรวจจับนี้สามารถกระโดดโดยสัมพันธ์กับช่องคู่ทุกครั้งที่ได้รับสัญญาณที่เหมาะสมจากตัวนับการชน เมื่อเครื่องตรวจจับ D1 ลงทะเบียนโฟตอน มันจะส่งสัญญาณไปยังตัวนับความบังเอิญ หากสักครู่เครื่องตรวจจับ D2 ลงทะเบียนโฟตอนและส่งสัญญาณไปยังมิเตอร์ก็จะรับรู้ว่ามาจากโฟตอนที่พันกันและข้อเท็จจริงนี้จะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำของอุปกรณ์ ขั้นตอนนี้ไม่รวมการลงทะเบียนโฟตอนสุ่มเข้าไปในเครื่องตรวจจับ

โฟตอนที่พันกันจะคงอยู่เป็นเวลา 400 วินาที หลังจากเวลานี้ ตัวตรวจจับ D2 จะถูกแทนที่โดย 1 มม. ตามตำแหน่งของรอยแยก และการนับโฟตอนที่พันกันจะใช้เวลาอีก 400 วินาที จากนั้นเครื่องตรวจจับจะถูกย้ายอีกครั้ง 1 มม. และทำซ้ำหลายครั้ง ปรากฎว่าการกระจายของจำนวนโฟตอนที่บันทึกด้วยวิธีนี้ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของเครื่องตรวจจับ D2 มีลักษณะสูงสุดและต่ำสุดที่สอดคล้องกับแสงและความมืดและการรบกวนในการทดลองของ Young (4a)

เรากลับพบว่า โฟตอนเดี่ยวผ่านร่องคู่กระทบกัน.

อย่างไร?

ขั้นตอนต่อไปในการทดลองคือการกำหนดรูที่โฟตอนบางตัวผ่านไปโดยไม่รบกวนการเคลื่อนที่ของโฟตอน คุณสมบัติที่ใช้ที่นี่ แผ่นคลื่นไตรมาส. แผ่นเพลตแบบคลื่นสี่ส่วนถูกวางที่ด้านหน้าของรอยแยกแต่ละรอย ซึ่งหนึ่งในนั้นเปลี่ยนโพลาไรซ์เชิงเส้นของโฟตอนตกกระทบเป็นวงกลมตามเข็มนาฬิกา และอีกอันเป็นโพลาไรซ์แบบวงกลมทางซ้าย (4b) ได้รับการยืนยันแล้วว่าประเภทของโพลาไรซ์โฟตอนไม่ส่งผลต่อจำนวนโฟตอนที่นับ ตอนนี้ โดยการพิจารณาการหมุนของโพลาไรเซชันของโฟตอนหลังจากที่ผ่านรอยแยกแล้ว เป็นไปได้ที่จะระบุได้ว่าโฟตอนใดผ่านไปแล้ว การรู้ว่า "ไปในทิศทางใด" ทำลายการรบกวน

4b. โดยการวางแผ่นสี่เหลี่ยมคลื่น (สี่เหลี่ยมแรเงา) ไว้ด้านหน้ารอยกรีด สามารถรับข้อมูล "ทางใด" และภาพการรบกวนจะหายไป

4ค. การวางโพลาไรเซอร์ P ที่มีทิศทางเหมาะสมไว้ด้านหน้าเครื่องตรวจจับ D1 จะลบข้อมูล "ทางใด" และเรียกคืนสัญญาณรบกวน

ในความเป็นจริง หลังจากตำแหน่งที่ถูกต้องของแผ่นคลื่นสี่เหลี่ยมที่ด้านหน้าของรอยแยก การกระจายจำนวนนับที่สังเกตได้ก่อนหน้านี้ซึ่งบ่งชี้ถึงการรบกวนจะหายไป สิ่งที่แปลกประหลาดที่สุดคือสิ่งนี้เกิดขึ้นโดยปราศจากการมีส่วนร่วมของผู้สังเกตการณ์ที่มีสติซึ่งสามารถทำการวัดที่เหมาะสมได้! การวางตำแหน่งของเพลตแบบคลื่นสี่ส่วนทำให้เกิดเอฟเฟกต์การยกเลิกสัญญาณรบกวน. แล้วโฟตอนรู้ได้อย่างไรว่าหลังจากใส่เพลทแล้ว เราจะสามารถระบุช่องว่างที่มันผ่านไปได้

อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่จุดสิ้นสุดของความแปลกประหลาด ตอนนี้เราสามารถคืนค่าสัญญาณรบกวนโฟตอนโดยไม่ส่งผลกระทบโดยตรง เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ในเส้นทางของโฟตอนควบคุมที่ไปถึงเครื่องตรวจจับ D1 ให้วางโพลาไรเซอร์เพื่อให้ส่งแสงด้วยโพลาไรซ์ที่เป็นการรวมกันของโพลาไรเซชันของโฟตอนทั้งสองที่พันกัน (4c) สิ่งนี้จะเปลี่ยนขั้วของโฟตอนสัญญาณตามนั้นทันที ตอนนี้ เป็นไปไม่ได้อีกต่อไปที่จะระบุได้อย่างชัดเจนว่าโพลาไรเซชันของเหตุการณ์โฟตอนบนรอยแยกคืออะไร และโฟตอนผ่านผ่านช่องใด ในกรณีนี้การรบกวนจะกลับคืนมา!

ลบข้อมูลการเลือกล่าช้า

การทดลองที่อธิบายข้างต้นได้ดำเนินการในลักษณะที่โฟตอนควบคุมได้รับการลงทะเบียนโดยเครื่องตรวจจับ D1 ก่อนที่โฟตอนสัญญาณจะไปถึงเครื่องตรวจจับ D2 การลบข้อมูล "เส้นทางใด" ดำเนินการโดยการเปลี่ยนโพลาไรซ์ของโฟตอนควบคุมก่อนที่โฟตอนสัญญาณจะไปถึงเครื่องตรวจจับ D2 จากนั้นสามารถจินตนาการได้ว่าโฟตอนควบคุมได้บอก "แฝด" ของมันแล้วว่าต้องทำอะไรต่อไป: จะเข้าไปแทรกแซงหรือไม่

ตอนนี้เราปรับเปลี่ยนการทดลองในลักษณะที่โฟตอนควบคุมกระทบเครื่องตรวจจับ D1 หลังจากลงทะเบียนโฟตอนสัญญาณที่เครื่องตรวจจับ D2 เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้ย้ายตัวตรวจจับ D1 ออกจากแหล่งกำเนิดโฟตอน รูปแบบการรบกวนจะดูเหมือนเดิม ตอนนี้ มาวางเพลทแบบคลื่นสี่ส่วนไว้ด้านหน้ารอยกรีดเพื่อกำหนดว่าโฟตอนใช้เส้นทางใด รูปแบบการรบกวนจะหายไป ต่อไป ให้ลบข้อมูล "ทางไหน" โดยวางโพลาไรเซอร์ที่มีทิศทางเหมาะสมไว้ด้านหน้าเครื่องตรวจจับ D1 รูปแบบการรบกวนปรากฏขึ้นอีกครั้ง! ทว่าการลบเสร็จสิ้นหลังจากโฟตอนสัญญาณได้รับการลงทะเบียนโดยเครื่องตรวจจับ D2 เป็นไปได้อย่างไร? โฟตอนจะต้องตระหนักถึงการเปลี่ยนแปลงขั้วก่อนที่ข้อมูลใด ๆ เกี่ยวกับโฟตอนจะไปถึงได้

5. การทดลองด้วยลำแสงเลเซอร์

ลำดับเหตุการณ์ตามธรรมชาติจะกลับกันที่นี่ ผลมาก่อนสาเหตุ! ผลลัพธ์นี้บ่อนทำลายหลักการของเวรเป็นกรรมในความเป็นจริงรอบตัวเรา หรือบางทีเวลาไม่สำคัญสำหรับอนุภาคที่พันกัน? การพัวพันกันของควอนตัมละเมิดหลักการของท้องที่ในฟิสิกส์คลาสสิก ซึ่งวัตถุจะได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมในทันทีเท่านั้น

นับตั้งแต่การทดลองในบราซิล มีการทดลองที่คล้ายกันจำนวนมาก ซึ่งยืนยันผลลัพธ์ที่นำเสนอที่นี่อย่างครบถ้วน ในท้ายที่สุด ผู้อ่านอยากจะอธิบายความลึกลับของปรากฏการณ์ที่ไม่คาดฝันเหล่านี้ให้ชัดเจน น่าเสียดายที่ไม่สามารถทำได้ ตรรกะของกลศาสตร์ควอนตัมแตกต่างจากตรรกะของโลกที่เราเห็นทุกวัน เราต้องยอมรับอย่างถ่อมตนและชื่นชมยินดีในความจริงที่ว่ากฎของกลศาสตร์ควอนตัมอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในพิภพเล็ก ๆ ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งมีประโยชน์ในอุปกรณ์ทางเทคนิคที่ล้ำหน้ากว่าที่เคย