Di dilê mekanîka kuantûmê de ye

Richard Feynman, yek ji mezintirîn fîzîknasên sedsala XNUMX-an, angaşt kir ku mifteya têgihîştina mekanîka kuantûmê "ceribandina şiklê ducar" e. Ev ceribandina têgihîştî ya hêsan, ku îro tê kirin, berdewam dike ku keşfên ecêb bide. Ew nîşan didin ku mekanîka kuantumê çiqasî bi aqilê hevpar re ne lihevhatî ye, ku di dawiyê de bû sedema îcadên herî girîng ên pêncî salên dawî.

Cara yekem ew ceribandinek du-slit pêk anî. Thomas Young (1) li Îngilîstanê di destpêka sedsala nozdehan de.

Ezmûna Ciwan

Ezmûn hate bikar anîn da ku nîşan bide ku ronî ji xwezaya pêlê ye û ne ji xwezaya korpuscular e, wekî ku berê hate gotin. Isaac Newton. Young tenê destnîşan kir ku ronahî dike êriş - diyardeyeke ku taybetmendiya herî taybet e (bêyî ku cureyê pêlê û navgîna ku tê de belav dibe). Îro, mekanîka quantum van herdu dîtinên mentiqî yên nakok li hev tîne.

Ka em cewhera ceribandina du-slit bi bîr bînin. Wek her carê, mebesta min pêleka li ser rûyê avê ye ku bi awayekî koncentral li derdora cihê ku lê hatiye avêtin belav dibe. 

Pêlek ji kel û pelên li pey hev ku ji xala tevliheviyê radiwestin, çêdibe, di heman demê de dûrahiyek domdar di navbera kêzikan de diparêze, ku jê re dirêjahiya pêlê tê gotin. Di rêça pêlê de astengek dikare were danîn, mînakî, di forma tabloyek bi du hêlînên teng ên ku tê de av bi serbestî diherike. Kevirek avêtin avê, pêl li ser dabeşkirinê disekine - lê ne tam. Du pêlên nû yên hevseng (2) naha ji her du hêlînên dabeşkirinê ber bi alîyê din ve belav dibin. Ew li ser hev têne danîn, an, wekî ku em dibêjin, bi hevûdu re destwerdanê dikin, li ser rûxê nexşeyek taybetmendî diafirînin. Li ciyên ku keleka pêlekê bi kêzika pêleka din re digihêje hev, qulbûna avê gurtir dibe û li cihê ku qul bi geliyê digihêje hev, depresyon kûrtir dibe.

2. Mudaxeleya pêlên ku ji du şikan derdikevin.

Di ceribandina Young de, ronahiya yek-rengî ya ku ji çavkaniyek xalî derdikeve, di nav diafragmayek nezelal a bi du şikan re derbas dibe û li pişta ekranê dixe (îro em tercîh dikin ku ronahiya lazer û CCD bikar bînin). Wêneyek destwerdanê ya pêleka ronahiyê li ser ekranê di forma rêze xetên ronahiyê û tarî yên hevguhêz de tê dîtin (3). Vê encamê baweriya ku ronî pêlek e, berî ku vedîtinên di destpêka salên XNUMX de nîşan bidin ku ronahî jî pêlek e, xurt kir. herikîna foton - Parçeyên sivik ên ku girseya wan a mayînê tune. Dûv re derket holê ku ev nepenî ye dualîteya pêl-parçeyanyekem car ji bo ronahiyê hatiye keşifkirin, ji bo keriyên din ên bi girseyê ve girêdayî jî derbas dibe. Ew zû bû bingehek ji bo ravekirinek nû ya mekanîkî ya kuantum a cîhanê.

3. Dîtina ceribandina Ciwan

Parçeyan jî mudaxele dikin

Di sala 1961-an de, Klaus Jonsson ji Zanîngeha Tübingenê midaxeleya pirtikên girs - elektron bi karanîna mîkroskopa elektronîkî nîşan da. Deh sal şûnda, sê fîzîknasên Îtalî yên ji Zanîngeha Bolognayê ceribandineke bi vî rengî pêk anîn midaxeleya yek elektronê (binavkirina biprismek li şûna qutiyek ducar bikar tînin). Wan tîrêjiya tîrêjê ya elektronê daxist nirxek wusa kêm ku elektron yek li dû hev, yek li pey yê din di biprîzmê re derbas bûn. Ev elektron li ser ekranek floransent hatine tomar kirin.

Di destpêkê de, şopên elektronîkî bi korfelaqî li ser ekranê hatin belav kirin, lê bi demê re wan wêneyek destwerdanê ya cihêreng ên perdeyên destwerdanê pêk anîn. Ne mimkûn dixuye ku du elektronên ku di demên cûda de li pey hev di qulikan re derbas dibin dikarin bi hev re mudaxele bikin. Ji ber vê yekê divê em vê yekê qebûl bikin elektronek bi xwe re midaxele dike! Lê wê gavê divê elektron di heman demê de ji herdu şikan derbas bibe.

Dibe ku meriv li qulika ku elektron bi rastî jê re derbas bûye mêze bike ceribandinek be. Dûv re em ê bibînin ka meriv çawa çavdêriyek weha bêyî ku tevgera elektronê xera bike, bike. Derket holê ku heke em agahdarî li ser tiştê ku elektronê wergirtiye bistînin, wê hingê destwerdan ... dê winda bibe! Agahdariya "çawa" destwerdanê hilweşîne. Ma ev tê vê wateyê ku hebûna çavdêrek hişmend bandorê li qursa pêvajoya laşî dike?

Berî ku ez li ser encamên hîn sosrettir ên ceribandinên du-slît bipeyivim, ez ê di derheqê mezinahiyên tiştên navber de veqetînek piçûk bikim. Mudaxeleya kuantûmî ya tiştên girseyê pêşî ji bo elektronan, paşê ji bo pirtikên ku girseya wan zêde dibin: notron, proton, atom, û di dawiyê de ji bo molekulên kîmyewî yên mezin hatin dîtin.

Di sala 2011 de, rekora mezinahiya heyberek ku diyardeya destwerdana kuantumê nîşan dide, hat şikandin. Ezmûna wê demê li zanîngeha Viyanayê ji aliyê xwendekarekî doktorayê ve hat kirin. Sandra Eibenberger û hevkarên wê. Molekuleke organîk a tevlîhev a ku nêzî 5 proton, 5 hezar notron û 5 hezar elektron tê de ye, ji bo ceribandina bi du şikestan hate hilbijartin! Di ceribandinek pir tevlihev de, destwerdana kuantûmê ya vê molekula mezin hate dîtin.

Vê yekê ev bawerî piştrast kir ku Zagonên mekanîka kuantûmê ne tenê keriyên bingehîn, lê di heman demê de her tiştê maddî jî dipejirînin. Tenê ku obje çiqas tevlihevtir be, ew qas zêdetir bi hawîrdorê re têkildar dibe, ku taybetmendiyên wê yên quantumî yên nazik binpê dike û bandorên destwerdanê hilweşîne..

Tevlihevbûna quantum û polarîzasyona ronahiyê

Encamên herî sosret ên azmûnên du-slît bi karanîna rêbazek taybetî ya şopandina fotonê hat, ku bi ti awayî tevgera wê nerihet nekir. Ev rêbaz yek ji fenomenên kuantûmê yên herî xerîb bikar tîne, ku tê gotin tevlihevbûna kuantûmê. Ev diyarde dîsa di salên 30-an de ji hêla yek ji afirînerên sereke yên mekanîka quantum ve hate dîtin. Erwin Schrödinger.

Einsteinê gumanbar (binihêre 🙂 ji dûr ve ji wan re gote çalakiya ghostly. Lêbelê, tenê nîv sedsal şûnda girîngiya vê bandorê hate fam kirin, û îro ew bûye mijara balkêşiya taybetî ya fîzîknasan.

Ev bandor li ser çi ye? Ger du zêrên ku di demekê de nêzî hev in, ew qas bi hêz bi hev re têkilî daynin ku celebek "têkiliya cêwiyan" ava bikin, wê gavê ev têkilî her çend bi sedan kîlometre ji hev dûr bin jî berdewam dike. Dûv re pirtik wekî pergalek yekane tevdigerin. Ev tê wê wateyê ku dema ku em li ser perçeyek çalakiyek pêk tînin, ew yekser bandorê li pariyek din dike. Lêbelê, bi vî rengî em nekarin bêdem agahdarî ji dûr ve bişînin.

Foton perçeyek bê girse ye - beşek bingehîn a ronahiyê, ku pêlek elektromagnetîk e. Piştî ku ronahiyê di nav plakaya krîstala têkildar re derbas dibe (ku jê re polarîzator tê gotin), ronî bi rengek xêzîkî polarîze dibe, ango. vektora qada elektrîkê ya pêlek elektromagnetîk di balafirek diyar de dihejîne. Di encamê de, bi derbaskirina ronahiya polarîzekirî ya xêzkirî di nav lewheyek bi qalindahiyek diyarkirî de ji krîstalek din a taybetî (ku jê re tê gotin plakaya pêla çaryek), ew dikare bibe ronahiya polarîzekirî ya dorhêlî, ku tê de vektora qada elektrîkê di helîkî de digere. li milê saetê an jî berevajiyê saetê) livîna li ser riya belavbûna pêlê. Li gorî vê yekê, mirov dikare behsa fotonên polarkirî yên bi xêz an jî dorhêlî bike.

Ceribandinên bi fotonên tevlihev

4a. Krîstalek BBO-ya ne-xêz fotonek ku ji hêla lazerek argon ve hatî derxistin vediguhezîne du fotonên tevlihev ên bi nîvê enerjiyê û polarîzasyona hevûdu perpendîkular. Ev foton li aliyekê cuda belav dibin û ji aliyê dedektorên D1 û D2 ve tên tomarkirin, ku ji aliyê jimarvaneke tesadufî LK ve tên girêdan.Diafragmayek bi du şikan di rêya yek ji fotonan de tê danîn. Dema ku her du detektor hatina hema hema hevdem a her du fotonan tomar dikin, îşaret di bîra amûrê de tê hilanîn, û detektor D2 bi şikan re paralel gav bavêje. Hejmara fotonan bi pozîsyona detektor D2 ve girêdayî ye, bi vî rengî tê tomar kirin, di qutîkê de tê xuyang kirin, herî zêde û hindiktirîn nîşan dide, destwerdanê destnîşan dike.

Di 2001 de, komek fîzîknasên Brezîlyayê li Belo Horizonte di bin rêberiya Stephen Walbourne ceribandina neasayî. Nivîskarên wê taybetmendiyên krîstalek taybetî (bi kurteya BBO) bikar anîn, ku beşek diyarkirî ya fotonên ku ji hêla lazerek argon ve têne derxistin vediguhezîne du fotonên bi nîvê enerjiyê. Ev her du foton bi hevdu ve girêdayî ne; gava ku yek ji wan, bo nimûne, polarîzasyona horîzontal hebe, ya din jî polarîzasyona vertîkal heye. Di ceribandina ku tê vegotin de ev foton di du aliyên cûda de dimeşin û rolên cihê dilîzin.

Yek ji fotonên ku em ê bi nav bikin kontrol, rasterast diçe dedektora fotonê D1 (4a). Dedektor hatina xwe bi şandina sînyalek elektrîkê ji amûrek bi navê hit counter re tomar dike. LK Ceribandineke midaxeleyê dê li ser fotona duyemîn bê kirin; em ê gazî wî bikin foton sînyala. Di rêça wê de qutbûnek ducarî heye ku li dû dedektora fotonê ya duyemîn D2, hinekî dûrî çavkaniya fotonê ji dedektora D1. Ev detektor dikare her carê ku sînyalek têkildar ji jimarvana rasthatiniyê werdigire, pozîsyona xwe li gorî hêlîna dualî bizivirîne. Dema ku dedektor D1 fotonekê tesbît dike, ew îşaretekê dişîne ji jimarvana tesadufê re. Heger kêliyek şûnda dedektor D2 jî fotonekê tesbît bike û îşaretekê bişîne metreyê, dê nas bike ku ew ji fotonên tevlihev tê û ev rastî dê di bîra cîhazê de were hilanîn. Ev pêvajo qeydkirina fotonên bêserûber ku dikevin dedektorê ji holê radike.

Fotonên tevlihev 400 saniyeyan berdewam dikin. Piştî vê demê, detektora D2 li gorî pozîsyona şikan 1 mm tê veguheztin, û jimartina fotonên tevlihev 400 saniyeyên din digire. Dûv re dedektor dîsa 1 mm tê guheztin û prosedur gelek caran tê dubare kirin. Derdikeve holê ku belavkirina hejmara fotonên ku bi vî rengî hatine tomarkirin li gorî pozîsyona dedektorê D2 xwedî maksimum û hindiktirînên taybetmendiyê yên ku bi ronî û tarî û perdeyên desttêwerdanê re di ceribandina Young de ne (4a) hene.

Em dîsa vê yekê dibînin Fotonên yekane yên ku di şiklê ducar re derbas dibin, bi hev re midaxele dikin.

Çawa?

Di azmûnê de gava din ew bû ku çala ku fotonek taybetî tê de derbas dibe bêyî ku tevgera wê aciz bike were destnîşankirin. Taybetmendiyên ku li vir têne bikar anîn plakaya pêla çaryek. Peleyek çaryek-pêl li ber her şikestê hate danîn, yek ji wan polarîzasyona xêzikî ya fotonê rûdayî guhertibû li gorî demjimariyê, û ya din guhezand polarîzasyona dorhêl a milê çepê (4b). Hate piştrast kirin ku celebê polarîzasyona fotonê bandor li hejmara fotonên jimartî nekir. Naha, bi destnîşankirina zivirandina polarîzasyona fotonek piştî ku ew di nav şikeftan re derbas dibe, meriv dikare destnîşan bike ku foton di kîjan ji wan re derbas bûye. Zanîna "li kîjan alî" destwerdanê hilweşîne.

4b. Bi danîna lewheyên çaryeka pêlan (rastgoşeyên şilandî) li ber şikeftan, agahdariya "kîjan rê" dikare were bidestxistin û wêneyê destwerdanê dê winda bibe.

4c. Danîna polarîzatorek bi rêkûpêk P li ber dedektorê D1 agahdariya "kîjan rê" jê dike û destwerdanê vedigerîne.

Birastî, piştî bi cîhkirina rast a lewheyên pêla çaryek li ber şikeftan, belavkirina hejmartinê ya berê hatî dîtin, ku nîşana destwerdanê ye, winda dibe. Tiştê herî xerîb ev e ku ev bêyî beşdarbûna çavdêrek hişmend ku dikare pîvandinên guncan pêk bîne, diqewime! Tenê danîna lewheyên çaryek-pêl bandorek betalkirina destwerdanê çêdike.. Ji ber vê yekê foton çawa dizane ku piştî têxistina lewheyan, em dikarin valahiya ku tê de derbas bûye diyar bikin?

Lêbelê, ev ne dawiya xerîbiyê ye. Naha em dikarin destwerdana fotonê ya sînyalê ji nû ve ava bikin bêyî ku rasterast bandorê li wê bikin. Ji bo vê yekê, polarîzatorek di rêça fotonê kontrolê de ku digihîje dedektora D1 bi cîh bikin da ku ew ronahiyê bi polarîzasyonek ku ji hevberdana polarîzasyonên her du fotonên tevlihev (4c) veguhezîne. Ev tavilê li gorî vê polarîteya wêneya sînyalê diguhezîne. Naha êdî ne pêkan e ku meriv bi teqez were destnîşankirin ka polarîzasyona bûyerek fotonê ya li ser şikan çi ye, û foton di kîjan şiklê re derbas bû. Di vê rewşê de, destwerdan tê vegerandin!

Agahdariya hilbijartinê ya dereng jêbirin

Ceribandinên ku li jor hatine behs kirin bi vî rengî hatine kirin ku fotonê kontrolê ji hêla dedektorê D1 ve berî ku wêneya sînyalê bigihêje detektora D2 hate tespît kirin. Paqijkirina agahdariya "kîjan rê" bi guheztina polarîzasyona fotonê ajotinê berî ku fotonê nîşanê bigihêje detektora D2 pêk hat. Wê hingê meriv dikare bifikire ku fotonê kontrolê jixwe ji "duçika" xwe re gotiye ku paşê çi bike: mudaxele bike an neke.

Naha em ceribandinê bi vî rengî diguhezînin ku fotonê kontrolê piştî tomarkirina fotonê nîşanê li dedektora D1, li detektora D2 bixe. Ji bo vê yekê, detektor D1 ji çavkaniya fotonê dûr bixin. Nimûneya destwerdanê wekî berê xuya dike. Naha werin em lewheyên pêla çaryek li ber şikeftan deynin da ku diyar bikin ka foton kîjan rê girtiye. Nimûneya destwerdanê winda dibe. Dûv re, bila em agahdariya "kîjan rê" jêbirin bi danîna polarîzatorek bi rêkûpêk li ber dedektorê D1. Nimûneya destwerdanê dîsa xuya dike! Lê dîsa jî jêbirin piştî ku fotonê sînyalê ji hêla dedektora D2 ve hat tespît kirin hate kirin. Ev çawa gengaz e? Diviyabû ku foton ji guherîna polarîteyê haydar bibûya berî ku ti agahiyek li ser wê bigihîje wê.

5. Ceribandinên bi tîrêjê lazer.

Rêza xwezayî ya bûyeran li vir berevajî ye; bandor li pêşiya sedemê ye! Ev encam prensîba sedemîtiyê ya di rastiya derdora me de xera dike. An jî dibe ku dem ne girîng e dema ku ew tê ser zêrên tevlihev? Tevliheviya quantum prensîba herêmîbûnê ya di fizîkê ya klasîk de binpê dike, ku li gorî wê heyberek tenê dikare ji hawîrdora wê ya nêzîk bandor bibe.

Ji ber ceribandina Brezîlyayê, gelek ceribandinên bi vî rengî hatine kirin, ku encamên ku li vir têne pêşkêş kirin bi tevahî piştrast dikin. Di dawiyê de, xwendevan dixwaze bi zelalî sira van diyardeyên nediyar rave bike. Mixabin, ev nayê kirin. Mantiqa mekanîka kuantûmê ji mantiqa dinyaya ku em her roj dibînin cuda ye. Pêdivî ye ku em bi dilnizmî vê yekê qebûl bikin û bi vê yekê şa bibin ku qanûnên mekanîka kuantûmê diyardeyên ku di mîkrokozmosê de diqewimin, ku bi kêrhatî di amûrên teknîkî yên pêşkeftî de têne bikar anîn rast vedibêjin.