Kuantum mekaniğinin kalbinde

XNUMX. yüzyılın en büyük fizikçilerinden biri olan Richard Feynman, kuantum mekaniğini anlamanın anahtarının "çift yarık deneyi" olduğunu savundu. Bugün yürütülen bu kavramsal olarak basit deney, şaşırtıcı keşifler sağlamaya devam ediyor. Sonunda son elli yılın en önemli icatlarına yol açan kuantum mekaniğinin sağduyuyla ne kadar uyumsuz olduğunu gösteriyorlar.

İlk kez çift yarık deneyi yaptı. Thomas Genç (1) İngiltere'de on dokuzuncu yüzyılın başlarında.

Young'ın deneyi

Deney, daha önce belirtildiği gibi ışığın bir dalga doğası olduğunu ve cisimsel olmayan bir yapıya sahip olduğunu göstermek için kullanıldı. Isaac Newton. Young az önce ışığın itaat ettiğini gösterdi müdahale - en karakteristik özellik olan bir fenomen (dalganın türü ve yayıldığı ortam ne olursa olsun). Bugün kuantum mekaniği, mantıksal olarak çelişen bu iki görüşü uzlaştırıyor.

Çift yarık deneyinin özünü hatırlayalım. Her zamanki gibi, suyun yüzeyinde, çakılın atıldığı yerin etrafında eşmerkezli olarak yayılan bir dalgayı kastediyorum. 

Bir dalga, dalga boyu olarak adlandırılan tepeler arasında sabit bir mesafeyi korurken, bozulma noktasından yayılan ardışık tepeler ve çukurlardan oluşur. Dalganın yoluna, örneğin içinden suyun serbestçe akabileceği iki dar yarıklı bir tahta şeklinde bir bariyer yerleştirilebilir. Suya bir çakıl atarak, dalga bölmede durur - ama tam olarak değil. İki yeni eşmerkezli dalga (2) şimdi her iki yuvadan bölmenin diğer tarafına yayılır. Birbirlerinin üzerine bindirilirler veya dediğimiz gibi, yüzeyde karakteristik bir desen oluşturarak birbirleriyle etkileşime girerler. Bir dalganın tepesinin diğerinin tepesiyle birleştiği yerlerde, su kabarcığı yoğunlaşır ve çukurun vadiyle birleştiği yerde çöküntü derinleşir.

2. İki yarıktan çıkan dalgaların girişimi.

Young'ın deneyinde, bir nokta kaynaktan yayılan tek renkli ışık, iki yarığı olan opak bir diyaframdan geçer ve arkalarındaki ekrana çarpar (bugün lazer ışığı ve bir CCD kullanmayı tercih ediyoruz). Ekranda bir dizi değişen açık ve koyu şerit şeklinde bir ışık dalgasının girişim görüntüsü gözlenir (3). Bu sonuç, XNUMX'lerin başındaki keşiflerin ışığın da bir dalga olduğunu göstermeden önce, ışığın bir dalga olduğu inancını güçlendirdi. foton akısı durağan kütlesi olmayan hafif parçacıklardır. Daha sonra gizemli olduğu ortaya çıktı. dalga-parçacık ikiliğiİlk kez ışık için keşfedilen, kütleye sahip diğer parçacıklar için de geçerlidir. Çok geçmeden dünyanın yeni bir kuantum mekaniksel tanımının temeli oldu.

3. Young'ın deneyinin vizyonu

Parçacıklar da karışır

1961'de Tübingen Üniversitesi'nden Klaus Jonsson, bir elektron mikroskobu kullanarak büyük parçacıkların - elektronların girişimini gösterdi. On yıl sonra, Bologna Üniversitesi'nden üç İtalyan fizikçi benzer bir deney yaptı. tek elektron girişimi (çift yarık yerine biprizma denen bir şey kullanarak). Elektron demetinin yoğunluğunu o kadar düşük bir değere düşürdüler ki, elektronlar birbiri ardına iki prizmadan geçti. Bu elektronlar bir floresan ekrana kaydedildi.

Başlangıçta, elektron izleri ekran üzerinde rastgele dağıtıldı, ancak zamanla girişim saçaklarının belirgin bir girişim görüntüsünü oluşturdular. Yarıklardan farklı zamanlarda art arda geçen iki elektronun birbiriyle girişim yapması imkansız görünüyor. Bu nedenle, şunu kabul etmeliyiz ki bir elektron kendi kendine müdahale eder! Ama o zaman elektronun her iki yarıktan da aynı anda geçmesi gerekecekti.

Elektronun fiilen içinden geçtiği deliğe bakmak cazip gelebilir. Daha sonra elektronun hareketini bozmadan böyle bir gözlemin nasıl yapıldığını göreceğiz. Elektronun ne aldığı hakkında bilgi alırsak, girişimin ... ortadan kalkacağı ortaya çıktı! “Nasıl” bilgisi müdahaleyi yok eder. Bu, bilinçli bir gözlemcinin varlığının fiziksel sürecin gidişatını etkilediği anlamına mı geliyor?

Çift yarık deneylerinin daha da şaşırtıcı sonuçlarından bahsetmeden önce, müdahale eden nesnelerin boyutları hakkında küçük bir arasöz yapacağım. Kütle nesnelerinin kuantum girişimi, önce elektronlar, ardından kütlesi artan parçacıklar: nötronlar, protonlar, atomlar ve son olarak büyük kimyasal moleküller için keşfedildi.

2011 yılında, kuantum girişimi fenomeninin gösterildiği bir nesnenin boyutu rekoru kırıldı. Deney, Viyana Üniversitesi'nde zamanın bir doktora öğrencisi tarafından gerçekleştirildi. Sandra Eibenberger ve onun ortakları. İki kırılmalı deney için yaklaşık 5 proton, 5 bin nötron ve 5 bin elektron içeren karmaşık bir organik molekül seçildi! Çok karmaşık bir deneyde, bu devasa molekülün kuantum girişimi gözlemlendi.

Bu, şu inancı doğruladı: Kuantum mekaniği yasaları yalnızca temel parçacıklara değil, aynı zamanda her maddi nesneye de uyar. Sadece nesne ne kadar karmaşıksa, çevreyle o kadar çok etkileşime girer, bu da onun ince kuantum özelliklerini ihlal eder ve girişim etkilerini yok eder..

Işığın kuantum dolaşıklığı ve polarizasyonu

Çift yarık deneylerinin en şaşırtıcı sonuçları, fotonun hareketini hiçbir şekilde bozmayan özel bir izleme yönteminin kullanılmasından geldi. Bu yöntem, sözde en garip kuantum fenomenlerinden birini kullanır. kuantum dolaşıklığı. Bu fenomen, 30'larda kuantum mekaniğinin ana yaratıcılarından biri tarafından fark edildi. Erwin Schrödinger.

Şüpheci Einstein (ayrıca bkz.

Bu etki ne hakkında? Bir noktada birbirine yakın olan iki parçacık birbirleriyle o kadar güçlü bir şekilde etkileşirler ki bir tür "ikiz ilişki" oluştururlarsa, o zaman parçacıklar birbirinden yüzlerce kilometre uzakta olsa bile ilişki devam eder. Daha sonra parçacıklar tek bir sistem gibi davranır. Bu, bir parçacık üzerinde bir eylem yaptığımızda, hemen başka bir parçacığı etkilediği anlamına gelir. Ancak, bu şekilde bilgiyi zamansız bir şekilde uzak mesafelere iletemeyiz.

Bir foton, kütlesiz bir parçacıktır - elektromanyetik bir dalga olan ışığın temel bir parçasıdır. Karşılık gelen kristalin (polarizör olarak adlandırılır) bir plakasından geçtikten sonra, ışık lineer olarak polarize olur, yani. elektromanyetik dalganın elektrik alanının vektörü belirli bir düzlemde salınır. Buna karşılık, doğrusal olarak polarize ışığın belirli bir kalınlıktaki bir levhadan belirli bir başka kristalden (çeyrek dalga levhası olarak adlandırılır) geçirilmesiyle, elektrik alan vektörünün sarmal bir şekilde hareket ettiği dairesel polarize ışığa dönüştürülebilir ( saat yönünde veya saat yönünün tersine) dalga yayılma yönü boyunca hareket. Buna göre, lineer veya dairesel polarize fotonlardan söz edilebilir.

Dolaşmış fotonlarla deneyler

4a. Doğrusal olmayan bir BBO kristali, bir argon lazeri tarafından yayılan bir fotonu, enerjinin yarısı ve karşılıklı olarak dik polarizasyon ile iki dolaşık fotona dönüştürür. Bu fotonlar farklı yönlerde saçılırlar ve bir çakışma sayacı LK ile bağlanan D1 ve D2 dedektörleri tarafından kaydedilirler Fotonlardan birinin yoluna iki yarıklı bir diyafram yerleştirilir. Her iki dedektör de her iki fotonun neredeyse aynı anda gelişini kaydettiğinde, sinyal cihazın hafızasında depolanır ve dedektör D2 yarıklara paralel olarak hareket eder. Bu şekilde kaydedilen D2 dedektörünün konumuna bağlı olarak fotonların sayısı, maksimum ve minimumları gösteren ve paraziti gösteren kutuda gösterilir.

2001 yılında, Belo Horizonte'de bir grup Brezilyalı fizikçi, Stephen Walborn sıradışı deney Yazarları, bir argon lazeri tarafından yayılan fotonların belirli bir bölümünü yarı enerjili iki fotona dönüştüren özel bir kristalin (BBO olarak kısaltılır) özelliklerini kullandılar. Bu iki foton birbirine dolaşıktır; örneğin biri yatay polarizasyona sahipken diğeri dikey polarizasyona sahiptir. Bu fotonlar iki farklı yönde hareket etmekte ve anlatılan deneyde farklı roller oynamaktadır.

Adını koyacağımız fotonlardan biri kontrol, doğrudan foton dedektörü D1'e (4a) gider. Dedektör, isabet sayacı adı verilen bir cihaza elektrik sinyali göndererek varışını kaydeder. LK İkinci foton üzerinde bir girişim deneyi yapılacaktır; onu arayacağız sinyal fotonu. Yolunda bir çift yarık vardır, ardından foton kaynağından D2 detektöründen biraz daha uzakta olan ikinci bir foton detektörü D1 vardır. Bu dedektör, isabet sayacından her uygun sinyal aldığında ikili yuvaya göre sıçrayabilir. D1 dedektörü bir foton kaydettiğinde, çakışma sayacına bir sinyal gönderir. D2 dedektörü de bir anda bir fotonu kaydeder ve sayaca bir sinyal gönderirse, bunun dolanık fotonlardan geldiğini anlayacak ve bu bilgi cihazın hafızasına kaydedilecektir. Bu prosedür, dedektöre giren rastgele fotonların kaydını hariç tutar.

Dolanık fotonlar 400 saniye devam eder. Bu süreden sonra dedektör D2, yarıkların konumuna göre 1 mm yer değiştirir ve dolaşık fotonların sayımı 400 saniye daha sürer. Ardından dedektör tekrar 1 mm hareket ettirilir ve prosedür birçok kez tekrarlanır. D2 dedektörünün konumuna bağlı olarak bu şekilde kaydedilen foton sayısının dağılımının, Young deneyinde (4a) aydınlık ve karanlık ve girişim saçaklarına karşılık gelen karakteristik maksimum ve minimumlara sahip olduğu ortaya çıktı.

tekrar öğreniyoruz ki çift ​​yarıktan geçen tek fotonlar birbirleriyle girişim yapar.

Nasıl yani?

Deneydeki bir sonraki adım, belirli bir fotonun hareketini bozmadan içinden geçtiği deliği belirlemekti. Burada kullanılan özellikler çeyrek dalga plakası. Her yarığın önüne, biri gelen fotonun lineer polarizasyonunu saat yönünde dairesel, diğeri ise sol dairesel polarizasyona çeviren bir çeyrek dalga plakası yerleştirildi (4b). Foton polarizasyon tipinin sayılan foton sayısını etkilemediği doğrulandı. Şimdi, bir fotonun yarıklardan geçtikten sonra polarizasyonunun dönüşünü belirleyerek, fotonun hangisinden geçtiğini belirtmek mümkündür. "Hangi yönde" olduğunu bilmek paraziti yok eder.

4b. Yarıkların önüne çeyrek dalga plakaları (gölgeli dikdörtgenler) yerleştirilerek "hangi yol" bilgisi elde edilebilir ve girişim görüntüsü ortadan kalkar.

4c. D1 dedektörünün önüne uygun şekilde yönlendirilmiş bir polarizör P yerleştirmek, "hangi yol" bilgisini siler ve paraziti geri yükler.

Aslında, çeyrek dalga plakalarının yarıkların önüne doğru yerleştirilmesinden sonra, girişimin göstergesi olan daha önce gözlemlenen sayım dağılımı kaybolur. İşin tuhafı, bunun uygun ölçümleri yapabilen bilinçli bir gözlemcinin katılımı olmadan gerçekleşmesidir! Çeyrek dalga plakalarının yalnızca yerleştirilmesi, bir girişim iptali etkisi yaratır.. Peki foton, plakaları yerleştirdikten sonra içinden geçtiği boşluğu belirleyebileceğimizi nasıl biliyor?

Ancak, bu tuhaflığın sonu değil. Artık sinyal foton girişimini doğrudan etkilemeden geri yükleyebiliriz. Bunu yapmak için, dedektör D1'e ulaşan kontrol fotonunun yoluna, bir polarizörü, her iki dolaşık fotonun (4c) polarizasyonlarının bir kombinasyonu olan bir polarizasyon ile ışığı iletecek şekilde yerleştirin. Bu, sinyal fotonunun polaritesini hemen buna göre değiştirir. Artık yarıklar üzerindeki bir fotonun polarizasyonunun ne olduğunu ve fotonun hangi yarıktan geçtiğini kesin olarak belirlemek artık mümkün değil. Bu durumda, girişim geri yüklenir!

Gecikmeli seçim bilgilerini sil

Yukarıda açıklanan deneyler, sinyal fotonu D1 detektörüne ulaşmadan önce kontrol fotonu D2 detektörü tarafından kaydedilecek şekilde gerçekleştirilmiştir. Sinyal fotonu dedektör D2'ye ulaşmadan önce kontrol fotonunun polarizasyonu değiştirilerek "hangi yol" bilgisinin silinmesi gerçekleştirilmiştir. O zaman, kontrol eden fotonun "ikizine" daha sonra ne yapacağını söylediğini hayal edebilirsiniz: müdahale etmek ya da etmemek.

Şimdi deneyi, sinyal fotonu D1 detektörüne kaydedildikten sonra kontrol fotonu D2 detektörüne çarpacak şekilde değiştiriyoruz. Bunu yapmak için dedektör D1'i foton kaynağından uzaklaştırın. Girişim deseni öncekiyle aynı görünüyor. Şimdi fotonun hangi yolu izlediğini belirlemek için yarıkların önüne çeyrek dalga plakaları yerleştirelim. Girişim deseni kaybolur. Ardından, D1 dedektörünün önüne uygun şekilde yönlendirilmiş bir polarizör yerleştirerek "hangi yol" bilgisini silelim. Girişim deseni tekrar belirir! Yine de silme, sinyal fotonu D2 detektörü tarafından kaydedildikten sonra yapıldı. Bu nasıl mümkün olabilir? Fotonun, kendisiyle ilgili herhangi bir bilgi ona ulaşmadan önce polarite değişikliğinin farkında olması gerekiyordu.

5. Lazer ışını ile deneyler.

Doğal olaylar dizisi burada tersine çevrilir; sonuç nedenden önce gelir! Bu sonuç, etrafımızdaki gerçeklikteki nedensellik ilkesini baltalamaktadır. Ya da belki konu dolaşmış parçacıklar olduğunda zamanın bir önemi yoktur? Kuantum dolaşıklık, bir nesnenin yalnızca yakın çevresinden etkilenebileceğine göre klasik fizikteki yerellik ilkesini ihlal eder.

Brezilya deneyinden bu yana, burada sunulan sonuçları tam olarak doğrulayan birçok benzer deney yapılmıştır. Sonunda, okuyucu bu beklenmedik fenomenlerin gizemini açıkça açıklamak istiyor. Ne yazık ki, bu yapılamaz. Kuantum mekaniğinin mantığı, her gün gördüğümüz dünyanın mantığından farklıdır. Bunu alçakgönüllülükle kabul etmeli ve kuantum mekaniğinin yasalarının, mikrokozmosta meydana gelen fenomenleri doğru bir şekilde tanımladığı ve her zamankinden daha gelişmiş teknik cihazlarda faydalı bir şekilde kullanıldığı gerçeğine sevinmeliyiz.