בליבה של מכניקת הקוונטים

ריצ'רד פיינמן, מגדולי הפיזיקאים של המאה ה-XNUMX, טען שהמפתח להבנת מכניקת הקוונטים הוא "ניסוי החריצים הכפולים". הניסוי הפשוט מבחינה רעיונית, שנערך היום, ממשיך להניב תגליות מדהימות. הם מראים עד כמה מכניקת הקוונטים אינה מתיישבת עם השכל הישר, שהובילה בסופו של דבר להמצאות החשובות ביותר של חמישים השנים האחרונות.

בפעם הראשונה הוא ערך ניסוי חריץ כפול. תומס יאנג (1) באנגליה בתחילת המאה התשע-עשרה.

הניסוי של יאנג

הניסוי שימש כדי להראות שאור הוא בעל אופי גלי ולא בעל אופי גופני, כפי שצוין קודם לכן. אייזיק ניוטון. יאנג רק הוכיח שהאור מציית התערבות - תופעה שהיא התכונה האופיינית ביותר (ללא קשר לסוג הגל והמדיום בו הוא מתפשט). כיום, מכניקת הקוונטים מיישבת את שתי ההשקפות הסותרות מבחינה לוגית.

הבה נזכור את המהות של הניסוי עם החריצים הכפולים. כרגיל, אני מתכוון לגל על ​​פני המים שמתפשט באופן קונצנטרי סביב המקום בו הושלך חלוקי הנחל. 

גל נוצר מפסגות ושקעים עוקבים המקרינים מנקודת ההפרעה, תוך שמירה על מרחק קבוע בין הפסגות, הנקרא אורך הגל. ניתן להציב מחסום בנתיב הגל, למשל, בצורת לוח עם שני חריצים צרים חתוכים דרכם מים יכולים לזרום בחופשיות. כשזורקים חלוק נחל למים, הגל נעצר על המחיצה - אבל לא לגמרי. שני גלים קונצנטריים חדשים (2) מתפשטים כעת לצד השני של המחיצה משני החריצים. הם מונחים זה על זה, או, כפי שאנו אומרים, מפריעים זה לזה, יוצרים דפוס אופייני על פני השטח. במקומות שבהם פסגה של גל אחד פוגשת פסגה של אחר, בליטת המים מתעצמת, ובמקום שהשקע נפגש עם העמק, השקע מעמיק.

2. הפרעות של גלים היוצאים משני חריצים.

בניסוי של יאנג, אור חד-צבעוני הנפלט ממקור נקודתי עובר דרך דיאפרגמה אטומה עם שני חריצים ופוגע במסך שמאחוריהם (היום נעדיף להשתמש באור לייזר וב-CCD). תמונת הפרעה של גל אור נצפית על המסך בצורה של סדרה של פסים בהירים וכהים לסירוגין (3). תוצאה זו חיזקה את האמונה שאור הוא גל, לפני שתגליות בתחילת המאה ה-XNUMX הראו שהאור הוא גם גל. שטף פוטון הם חלקיקים קלים שאין להם מסת מנוחה. מאוחר יותר התברר כי המסתורי דואליות גל-חלקיקהתגלה לראשונה עבור האור חל גם על חלקיקים אחרים שניחנו במסה. עד מהרה הוא הפך לבסיס לתיאור מכאני קוונטי חדש של העולם.

3. חזון הניסוי של יאנג

גם החלקיקים מפריעים

בשנת 1961, קלאוס ג'ונסון מאוניברסיטת טובינגן הדגים התערבות של חלקיקים מסיביים - אלקטרונים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים. עשר שנים מאוחר יותר, שלושה פיזיקאים איטלקים מאוניברסיטת בולוניה ביצעו ניסוי דומה עם הפרעות אלקטרון בודד (באמצעות מה שנקרא דו-פריזמה במקום חריץ כפול). הם הפחיתו את עוצמת אלומת האלקטרונים לערך כה נמוך שהאלקטרונים עברו דרך הדו-פריזמה בזה אחר זה, בזה אחר זה. אלקטרונים אלו נרשמו על מסך פלורסנט.

בתחילה, שובלי האלקטרונים הופצו באופן אקראי על פני המסך, אך עם הזמן הם יצרו תמונת הפרעה מובהקת של שולי ההפרעה. נראה בלתי אפשרי ששני אלקטרונים העוברים דרך החריצים ברצף בזמנים שונים עלולים להפריע זה לזה. לכן, עלינו להכיר בכך אלקטרון אחד מפריע לעצמו! אבל אז האלקטרון יצטרך לעבור דרך שני החריצים בו-זמנית.

זה עשוי להיות מפתה להסתכל על החור שדרכו למעשה עבר האלקטרון. בהמשך נראה כיצד לבצע תצפית כזו מבלי להפריע לתנועת האלקטרון. מסתבר שאם נקבל מידע על מה שהאלקטרון קיבל, אז ההפרעה... תיעלם! המידע "איך" הורס הפרעות. האם זה אומר שנוכחותו של צופה מודע משפיעה על מהלך התהליך הפיזי?

לפני שאדבר על התוצאות המפתיעות עוד יותר של ניסויים בחתך כפול, אעשה סטיה קטנה לגבי הגדלים של עצמים מפריעים. התערבות קוונטית של עצמים מסה התגלתה תחילה עבור אלקטרונים, לאחר מכן עבור חלקיקים בעלי מסה עולה: נויטרונים, פרוטונים, אטומים, ולבסוף עבור מולקולות כימיות גדולות.

בשנת 2011 נשבר שיא גודלו של חפץ, עליו הודגמה תופעת ההפרעות הקוונטיות. הניסוי בוצע באוניברסיטת וינה על ידי דוקטורנט דאז. סנדרה איבנברגר ומקורביה. לניסוי נבחרה מולקולה אורגנית מורכבת המכילה כ-5 פרוטונים, 5 נויטרונים ו-5 אלקטרונים עם שני הפסקות! בניסוי מורכב מאוד, נצפתה ההפרעה הקוונטית של מולקולה ענקית זו.

זה אישר את האמונה ש חוקי מכניקת הקוונטים מצייתים לא רק לחלקיקים אלמנטריים, אלא גם לכל עצם חומרי. רק שככל שהאובייקט מורכב יותר, כך הוא מתקשר יותר עם הסביבה, מה שמפר את התכונות הקוונטיות העדינות שלו והורס את השפעות ההפרעה..

הסתבכות קוונטית וקיטוב של אור

התוצאות המפתיעות ביותר של הניסויים הכפולים הגיעו משימוש בשיטה מיוחדת למעקב אחר הפוטון, שלא הפריעה בשום צורה לתנועתו. שיטה זו משתמשת באחת התופעות הקוונטיות המוזרות ביותר, מה שנקרא הסתבכות קוונטית. תופעה זו הבחינה עוד בשנות ה-30 על ידי אחד היוצרים העיקריים של מכניקת הקוונטים, ארווין שרדינגר.

איינשטיין הספקן (ראה גם 🙂 כינה אותם פעולה רפאים מרחוק. עם זאת, רק חצי מאה לאחר מכן הובנה המשמעות של האפקט הזה, וכיום הוא הפך לנושא המעניין במיוחד את הפיזיקאים.

על מה האפקט הזה? אם שני חלקיקים קרובים זה לזה בנקודת זמן כלשהי מתקשרים זה עם זה בצורה כל כך חזקה שהם יוצרים מעין "קשר תאומים", אז הקשר נמשך גם כשהחלקיקים נמצאים במרחק של מאות קילומטרים זה מזה. ואז החלקיקים מתנהגים כמערכת אחת. המשמעות היא שכאשר אנו מבצעים פעולה על חלקיק אחד, היא משפיעה מיד על חלקיק אחר. עם זאת, בדרך זו איננו יכולים להעביר מידע ללא זמן למרחקים.

פוטון הוא חלקיק חסר מסה - חלק אלמנטרי של האור, שהוא גל אלקטרומגנטי. לאחר מעבר דרך צלחת של הגביש המקביל (הנקרא מקטב), האור הופך לקוטב ליניארי, כלומר. הווקטור של השדה החשמלי של גל אלקטרומגנטי מתנודד במישור מסוים. בתורו, על ידי העברת אור מקוטב ליניארי דרך לוח בעובי מסוים מגביש מסוים אחר (מה שנקרא לוח רבע גל), ניתן להמיר אותו לאור מקוטב מעגלי, שבו וקטור השדה החשמלי נע בסליל ( תנועה עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון לאורך כיוון התפשטות הגל. בהתאם, אפשר לדבר על פוטונים מקוטבים ליניארי או מעגלי.

ניסויים עם פוטונים מסתבכים

4א. גביש BBO לא ליניארי הופך פוטון הנפלט מלייזר ארגון לשני פוטונים מסובכים עם חצי מהאנרגיה ועם קיטוב בניצב הדדי. פוטונים אלו מתפזרים לכיוונים שונים ונרשמים ע"י גלאים D1 ו-D2 המחוברים במונה צירוף מקרים LK. במסלול אחד הפוטונים ממוקמת דיאפרגמה בעלת שני חריצים. כאשר שני הגלאים רושמים הגעה כמעט בו-זמנית של שני הפוטונים, האות נשמר בזיכרון המכשיר, והגלאי D2 מתקדם במקביל לחרכיים. מספר הפוטונים בהתאם למיקום הגלאי D2, שנרשם כך, מוצג בתיבה, המציג את המקסימום והמינימום, המצביעים על הפרעה.

בשנת 2001, קבוצה של פיזיקאים ברזילאים בבלו הוריזונטה הופיעה בהדרכתו של סטיבן וולבורן ניסוי יוצא דופן. מחבריו השתמשו בתכונות של גביש מיוחד (בקיצור BBO), הממיר חלק מסוים מהפוטונים הנפלטים מלייזר ארגון לשני פוטונים עם מחצית מהאנרגיה. שני הפוטונים הללו מסתבכים זה בזה; כאשר לאחד מהם יש, למשל, קיטוב אופקי, לשני יש קיטוב אנכי. פוטונים אלו נעים בשני כיוונים שונים וממלאים תפקידים שונים בניסוי המתואר.

אחד הפוטונים שאנחנו הולכים לתת שם לשלוט, עובר ישירות לגלאי הפוטונים D1 (4a). הגלאי רושם את הגעתו על ידי שליחת אות חשמלי למכשיר הנקרא מונה פגעים. LK ניסוי התאבכות יבוצע על הפוטון השני; נתקשר אליו אות פוטון. יש חריץ כפול בדרכו שלו, ואחריו גלאי פוטון שני, D2, מעט רחוק יותר ממקור הפוטון מגלאי D1. גלאי זה יכול לקפוץ ביחס לחריץ הכפול בכל פעם שהוא מקבל אות מתאים ממונה הפגיעה. כאשר גלאי D1 רושם פוטון, הוא שולח אות למונה צירוף המקרים. אם בעוד רגע הגלאי D2 רושם גם פוטון ושולח אות למונה, אז הוא יזהה שהוא מגיע מפוטונים מסתבכים, ועובדה זו תישמר בזיכרון המכשיר. הליך זה אינו כולל רישום של פוטונים אקראיים הנכנסים לגלאי.

פוטונים סבוכים נמשכים למשך 400 שניות. לאחר זמן זה, הגלאי D2 נעקר ב-1 מ"מ ביחס למיקום החריצים, וספירת הפוטונים הסתבכו נמשכת עוד 400 שניות. לאחר מכן הגלאי מוזז שוב ב-1 מ"מ וההליך חוזר על עצמו פעמים רבות. מסתבר שלהתפלגות מספר הפוטונים שנרשמו בצורה זו בהתאם למיקום הגלאי D2 יש מקסימום ומינימום אופייניים התואמים לאור וחושך ולשולי הפרעות בניסוי של יאנג (4a).

אנחנו מגלים את זה שוב פוטונים בודדים העוברים דרך החריץ הכפול מפריעים זה לזה.

הכיצד?

השלב הבא בניסוי היה לקבוע את החור שדרכו עבר פוטון מסוים מבלי להפריע לתנועתו. מאפיינים המשמשים כאן צלחת רבע גל. לוח רבע גל הוצבה לפני כל חריץ, שאחד מהם שינה את הקיטוב הליניארי של הפוטון הנכנס למעגלי עם כיוון השעון, והשני לקיטוב מעגלי שמאלי (4b). אומת שסוג קיטוב הפוטונים לא השפיע על מספר הפוטונים שנספרו. כעת, על ידי קביעת סיבוב הקיטוב של פוטון לאחר שעבר דרך החרכים, ניתן לציין באיזה מהם עבר הפוטון. לדעת "באיזה כיוון" הורסת הפרעות.

4ב. על ידי הצבת לוחות רבע גל (מלבנים מוצללים) מול החריצים, ניתן לקבל מידע "באיזה כיוון" ותמונת ההפרעות תיעלם.

4ג. הצבת מקטב P בכיוון מתאים מול גלאי D1 מוחקת את המידע "באיזה כיוון" ומשחזרת את ההפרעה.

בעצם, לאחר מיקום נכון של לוחות רבע הגל מול החרכים, התפלגות הספירות שנצפתה קודם לכן, המעידה על הפרעות, נעלמת. הדבר המוזר ביותר הוא שזה קורה ללא השתתפות של צופה מודע שיכול לבצע את המדידות המתאימות! עצם המיקום של לוחות רבע גל מייצר אפקט ביטול הפרעות.. אז איך הפוטון יודע שאחרי הכנסת הלוחות נוכל לקבוע את הרווח שדרכו הוא עבר?

עם זאת, זה לא סוף המוזרות. כעת אנו יכולים לשחזר את הפרעות הפוטונים של האות מבלי להשפיע עליה ישירות. לשם כך, בנתיב של פוטון הבקרה המגיע לגלאי D1, הניחו מקטב בצורה כזו שהוא מעביר אור עם קיטוב שהוא שילוב של הקיטוב של שני הפוטונים המסובכים (4c). זה משנה מיד את הקוטביות של פוטון האות בהתאם. כעת כבר לא ניתן לקבוע בוודאות מהו הקיטוב של פוטון שתקף על החרכים, ודרכו עבר הפוטון. במקרה זה, ההפרעה משוחזרת!

מחק מידע בחירה מושהית

הניסויים שתוארו לעיל בוצעו באופן שפוטון הבקרה נרשם על ידי הגלאי D1 לפני שפוטון האות הגיע לגלאי D2. מחיקת המידע "באיזה דרך" בוצעה על ידי שינוי הקיטוב של פוטון הבקרה לפני שפוטון האות הגיע לגלאי D2. אז אפשר לדמיין שהפוטון השולט כבר אמר ל"תאום" שלו מה לעשות הלאה: להתערב או לא.

כעת אנו משנים את הניסוי בצורה כזו שפוטון הבקרה פוגע בגלאי D1 לאחר שפוטון האות נרשם בגלאי D2. לשם כך, הרחק את גלאי D1 ממקור הפוטון. דפוס ההפרעות נראה כמו קודם. כעת נניח לוחות רבע גל מול החריצים כדי לקבוע באיזה נתיב עבר הפוטון. דפוס ההפרעות נעלם. לאחר מכן, בואו נמחק את המידע "באיזה כיוון" על ידי הצבת מקטב בכיוון מתאים מול גלאי D1. דפוס ההפרעות מופיע שוב! אולם המחיקה נעשתה לאחר שפוטון האות נרשם על ידי גלאי D2. איך זה אפשרי? הפוטון היה צריך להיות מודע לשינוי הקוטביות לפני שכל מידע לגביו יוכל להגיע אליו.

5. ניסויים בקרן לייזר.

רצף האירועים הטבעי כאן הפוך; השפעה קודמת לסיבה! תוצאה זו מערערת את עקרון הסיבתיות במציאות הסובבת אותנו. או אולי הזמן לא משנה כשמדובר בחלקיקים מסתבכים? הסתבכות קוונטית מפרה את עקרון המקומיות בפיזיקה הקלאסית, לפיו עצם יכול להיות מושפע רק מסביבתו הקרובה.

מאז הניסוי הברזילאי, בוצעו ניסויים דומים רבים, המאשרים באופן מלא את התוצאות המוצגות כאן. בסופו של דבר, הקורא רוצה להסביר בבירור את המסתורין של התופעות הבלתי צפויות הללו. למרבה הצער, לא ניתן לעשות זאת. ההיגיון של מכניקת הקוונטים שונה מההיגיון של העולם שאנו רואים מדי יום. עלינו לקבל זאת בענווה ולשמוח על כך שחוקי מכניקת הקוונטים מתארים במדויק את התופעות המתרחשות במיקרוקוסמוס, המשמשות שימוש מועיל במכשירים טכניים מתקדמים יותר ויותר.