> Eksperyment Younga z podwójną szczeliną

Badać Doświadczenie Younga ze szczelinami. Przeczytaj, jaka jest odległość między szczelinami w doświadczeniu Younga, szerokość paska i dwóch otworów, charakterystyka światła jako fal, eksperyment.

W swoim eksperymencie Thomas Young wykazał, że materia i energia mogą wykazywać właściwości fal i cząstek.

Zadanie edukacyjne

• Zrozum, dlaczego eksperyment Junga wydaje się bardziej wiarygodny niż wyrażenia Huygensa.

Kluczowe punkty

• Charakterystyka fali powoduje, że światło przechodzące przez szczelinę interferuje ze sobą, tworząc jasne i ciemne obszary.
• Jeśli fale interferują w grzbietach, ale zbiegają się w fazie, napotykamy konstruktywną interferencję. Jeśli fale nie pokrywają się całkowicie, jest to destrukcyjna ingerencja.
• Każdy punkt na ścianie ma inną odległość od szczeliny. Te ścieżki odpowiadają różnej liczbie fal.

Warunki

• Destrukcyjna interferencja - fale przeszkadzają i nie odpowiadają sobie.
• Konstruktywna interferencja - fale ingerują w grzbiety, ale są w fazie.

Eksperyment z podwójną szczeliną pokazuje, że materia i energia mogą zachowywać się jak fale lub cząstki. W 1628 roku Christian Huygengs udowodnił, że światło działa jak fala. Ale niektórzy ludzie się nie zgodzili, zwłaszcza Izaak Newton. Uważał, że wyjaśnienie wymagałoby efektów interferencji kolorów i dyfrakcji. Do 1801 roku nikt nie wierzył, że światło jest falą, dopóki Thomas Young nie pojawił się wraz ze swoim eksperymentem z podwójną szczeliną – eksperymentem Younga. Zrobił dwie blisko siebie rozmieszczone pionowe szczeliny (przybliżoną odległość między szczelinami w eksperymencie Junga można zobaczyć na poniższym schemacie) i przepuścił przez nie światło, obserwując wzór utworzony na ścianie.

Światło przechodzi przez dwie pionowe szczeliny i ulega dyfrakcji w postaci dwóch pionowych linii ułożonych poziomo. Gdyby nie dyfrakcja i interferencja, światło tworzyłoby po prostu dwie linie

Dualizm cząstek falowych

Ze względu na charakterystykę fali światło przechodzi przez szczeliny i zderza się, tworząc jasne i ciemne obszary na ścianie. Jest rozpraszany i wchłaniany przez ścianę, nabierając cech cząstek.

Eksperyment Younga

Dlaczego eksperyment Junga z dwoma szczelinami przekonał wszystkich? Huygens miał początkowo rację, ale nie przedstawił swoich wniosków w praktyce. Światło ma stosunkowo krótkie fale, więc aby zademonstrować, musi być w kontakcie z czymś małym.

W przykładzie zastosowano dwa spójne źródła światła o tej samej długości fali monochromatycznej (w fazie). Oznacza to, że dwa źródła spowodują konstruktywną lub destrukcyjną ingerencję.

Konstruktywna i destrukcyjna ingerencja

Szum konstruktywny występuje, gdy fale kolidują wzdłuż grzbietów, ale są w fazie. To wzmocni powstałą falę. Niszczycielskie całkowicie ze sobą kolidują i nie pasują, co anuluje falę.

Dwie szczeliny tworzą dwa spójne źródła fal, które wzajemnie się zakłócają. (a) - Światło jest rozpraszane z każdej szczeliny ze względu na ich wąskość. Fale nakładają się i interferują konstruktywnie (jasne linie) i destrukcyjnie (ciemne obszary). (b) - Wzór podwójnej szczeliny dla fal wodnych praktycznie pokrywa się z falami świetlnymi. Największa aktywność jest zauważalna na terenach z destrukcyjną ingerencją. (c) - Kiedy światło pada na ekran, napotykamy podobny wzór

Amplitudy fal sumują się. (a) - Czysta konstruktywna interferencja jest możliwa, jeśli identyczne fale zbiegają się w fazie. (b) - Czysta destrukcyjna interferencja - te same fale nie są dokładnie w fazie

Utworzony wzór nie będzie przypadkowy. Każde gniazdo znajduje się w pewnej odległości. Wszystkie fale zaczynają się w tej samej fazie, ale odległość od punktu na ścianie do szczeliny tworzy rodzaj interferencji.

Nikt na świecie nie rozumie mechaniki kwantowej - to najważniejsze, co musisz o niej wiedzieć. Tak, wielu fizyków nauczyło się korzystać z jego praw, a nawet przewidywać zjawiska za pomocą obliczeń kwantowych. Jednak nadal nie jest jasne, dlaczego obecność obserwatora determinuje losy systemu i zmusza go do dokonania wyboru na korzyść jednego państwa. „Teorie i praktyki” wybrały przykłady eksperymentów, na wynik których nieuchronnie wpływa obserwator, i próbowały dowiedzieć się, co mechanika kwantowa zrobi z taką ingerencją świadomości w materialną rzeczywistość.

Kot Shroedingera

Obecnie istnieje wiele interpretacji mechaniki kwantowej, z których najpopularniejszą pozostaje ta kopenhaska. Jej główne postanowienia sformułowali w latach 20. XX wieku Niels Bohr i Werner Heisenberg. Centralnym terminem interpretacji kopenhaskiej była funkcja falowa – funkcja matematyczna zawierająca informacje o wszystkich możliwych stanach układu kwantowego, w którym jednocześnie się znajduje.

Zgodnie z interpretacją kopenhaską tylko obserwacja może dokładnie określić stan układu, odróżnić go od reszty (funkcja falowa pomaga jedynie matematycznie obliczyć prawdopodobieństwo wykrycia układu w określonym stanie). Można powiedzieć, że po obserwacji układ kwantowy staje się klasyczny: natychmiast przestaje współistnieć w wielu stanach jednocześnie na rzecz jednego z nich.

Takie podejście zawsze miało przeciwników (pamiętajmy na przykład, że „Bóg nie gra w kości” Alberta Einsteina), ale dokładność obliczeń i przewidywań zebrała swoje żniwo. Jednak w ostatnich latach zwolenników interpretacji kopenhaskiej jest coraz mniej, a nie najmniej powodem tego jest bardzo tajemnicze, natychmiastowe załamanie się funkcji falowej podczas pomiaru. Słynny eksperyment myślowy Erwina Schrödingera z biednym kotem miał na celu pokazanie absurdalności tego zjawiska.

Przypominamy więc treść eksperymentu. W czarnej skrzynce umieszczany jest żywy kot, ampułka z trucizną i jakiś mechanizm, który w losowym momencie może uruchomić truciznę. Na przykład jeden radioaktywny atom, którego rozpad rozbije ampułkę. Dokładny czas rozpadu atomu nie jest znany. Znany jest tylko okres półtrwania: czas, w którym nastąpi rozpad z prawdopodobieństwem 50%.

Okazuje się, że dla zewnętrznego obserwatora kot w pudełku istnieje w dwóch stanach naraz: albo żywy, jeśli wszystko idzie dobrze, albo martwy, jeśli nastąpił rozkład i pękła ampułka. Oba te stany opisuje funkcja falowa kota, która zmienia się w czasie: im dalej, tym większe prawdopodobieństwo, że rozpad radioaktywny już nastąpił. Ale jak tylko pudełko zostanie otwarte, funkcja falowa załamuje się i natychmiast widzimy wynik eksperymentu z łupieżcami.

Okazuje się, że dopóki obserwator nie otworzy pudełka, kot na zawsze będzie balansował na granicy życia i śmierci i tylko działanie obserwatora zadecyduje o jego losie. To jest absurd, na który zwrócił uwagę Schrödinger.

Dyfrakcja elektronów

Według ankiety czołowych fizyków przeprowadzonej przez The New York Times, eksperyment z dyfrakcją elektronów, ustanowiony w 1961 roku przez Klausa Jensona, stał się jednym z najpiękniejszych w historii nauki. Jaka jest jego istota?

Istnieje źródło, które emituje strumień elektronów w kierunku kliszy sitodrukowej. A na drodze tych elektronów jest przeszkoda - miedziana płytka z dwiema szczelinami. Jakiego obrazu na ekranie można się spodziewać, jeśli przedstawimy elektrony jako małe naładowane kulki? Dwie podświetlane opaski naprzeciw rozcięć.

W rzeczywistości na ekranie pojawia się znacznie bardziej złożony wzór naprzemiennych czarno-białych pasów. Faktem jest, że podczas przechodzenia przez szczeliny elektrony zaczynają zachowywać się nie jak cząstki, ale jak fale (tak jak fotony, cząstki światła, mogą jednocześnie być falami). Następnie fale te oddziałują w przestrzeni, gdzieś słabną, a gdzieś wzmacniają się nawzajem, w wyniku czego na ekranie pojawia się złożony obraz naprzemiennych jasnych i ciemnych pasów.

W tym przypadku wynik eksperymentu się nie zmienia, a jeśli elektrony przechodzą przez szczelinę nie w ciągłym strumieniu, ale jeden po drugim, nawet jedna cząstka może być jednocześnie falą. Nawet jeden elektron może przejść jednocześnie przez dwie szczeliny (i jest to kolejne ważne postanowienie kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej – obiekty mogą jednocześnie wykazywać zarówno swoje „zwykłe” właściwości materiałowe, jak i egzotyczne właściwości falowe).

Ale co z obserwatorem? Pomimo tego, że wraz z nim skomplikowana już historia stała się jeszcze bardziej skomplikowana. Kiedy w takich eksperymentach fizycy próbowali naprawić za pomocą przyrządów, przez które szczelinę faktycznie przechodzi elektron, obraz na ekranie zmienił się dramatycznie i stał się „klasyczny”: dwa oświetlone obszary naprzeciw szczelin i brak naprzemiennych pasów.

Elektrony zdawały się nie chcieć pokazać swojej falowej natury pod okiem obserwatora. Przystosowany do instynktownego pragnienia zobaczenia prostego i zrozumiałego obrazu. Mistyk? Jest o wiele prostsze wytłumaczenie: żadna obserwacja systemu nie może się odbyć bez fizycznego oddziaływania na niego. Ale wrócimy do tego nieco później.

Podgrzewany fuleren

Eksperymenty z dyfrakcją cząstek przeprowadzono nie tylko na elektronach, ale także na znacznie większych obiektach. Na przykład fulereny to duże, zamknięte molekuły złożone z dziesiątek atomów węgla (na przykład fuleren składający się z sześćdziesięciu atomów węgla ma kształt bardzo podobny do piłki nożnej: pusta kula uszyta z pięciu i sześciokątów).

Ostatnio grupa na Uniwersytecie Wiedeńskim, kierowana przez profesora Zeilingera, próbowała wprowadzić element obserwacji do takich eksperymentów. W tym celu napromieniowali poruszające się cząsteczki fulerenów wiązką laserową. Następnie, podgrzane zewnętrznym wpływem, molekuły zaczęły świecić iw ten sposób nieuchronnie ujawniały obserwatorowi swoje miejsce w przestrzeni.

Wraz z tą innowacją zmieniło się również zachowanie cząsteczek. Przed rozpoczęciem całkowitego nadzoru fulereny z powodzeniem omijały przeszkody (wykazywały właściwości falowe), jak elektrony z poprzedniego przykładu przechodzące przez nieprzezroczysty ekran. Ale później, wraz z pojawieniem się obserwatora, fulereny uspokoiły się i zaczęły zachowywać się jak całkowicie praworządne cząstki materii.

Wymiar chłodzenia

Jednym z najbardziej znanych praw świata kwantowego jest zasada nieoznaczoności Heisenberga: niemożliwe jest jednoczesne wyznaczenie położenia i prędkości obiektu kwantowego. Im dokładniej mierzymy pęd cząstki, tym mniej dokładnie możemy zmierzyć jej położenie. Jednak działanie praw kwantowych, operujących na poziomie drobnych cząstek, jest zwykle niezauważalne w naszym świecie dużych obiektów makro.

Tym cenniejsze są więc ostatnie eksperymenty grupy profesora Schwaba z USA, w których efekty kwantowe wykazano nie na poziomie tych samych elektronów czy cząsteczek fulerenów (ich charakterystyczna średnica wynosi około 1 nm), ale na nieco bardziej namacalny przedmiot - maleńki aluminiowy pasek.

Pasek ten był zamocowany z obu stron tak, że jego środek znajdował się w stanie zawieszenia i mógł wibrować pod wpływem czynników zewnętrznych. Dodatkowo obok paska znajdowało się urządzenie zdolne do rejestrowania jego położenia z dużą dokładnością.

W rezultacie eksperymentatorzy odkryli dwa interesujące efekty. Po pierwsze, każdy pomiar położenia obiektu, obserwacja paska nie minęła po nim bez śladu - po każdym pomiarze położenie paska zmieniało się. Z grubsza mówiąc, eksperymentatorzy z dużą dokładnością ustalili współrzędne pasa i tym samym, zgodnie z zasadą Heisenberga, zmienili jego prędkość, a co za tym idzie późniejsze położenie.

Po drugie, co już jest dość nieoczekiwane, niektóre pomiary doprowadziły również do ochłodzenia paska. Okazuje się, że obserwator może jedynie swoją obecnością zmienić fizyczne właściwości obiektów. Brzmi to absolutnie niewiarygodnie, ale chwała fizykom, powiedzmy, że nie byli w błędzie - teraz grupa profesora Schwaba zastanawia się, jak zastosować odkryty efekt do chłodzenia obwodów elektronicznych.

Zamrażanie cząstek

Jak wiadomo, niestabilne cząstki radioaktywne rozpadają się na świecie nie tylko ze względu na eksperymenty na kotach, ale także same. Co więcej, każda cząstka charakteryzuje się przeciętnym czasem życia, który, jak się okazuje, może się wydłużać pod okiem obserwatora.

Ten efekt kwantowy został po raz pierwszy przewidziany w latach 60. XX wieku, a jego genialne eksperymentalne potwierdzenie pojawiło się w artykule opublikowanym w 2006 roku przez grupę laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Wolfganga Ketterle z Massachusetts Institute of Technology.

W tej pracy badaliśmy rozpad niestabilnych wzbudzonych atomów rubidu (rozpad na atomy rubidu w stanie podstawowym i fotony). Zaraz po przygotowaniu układu zaczęto obserwować wzbudzanie atomów - oświetlano je wiązką laserową. W tym przypadku obserwację prowadzono w dwóch trybach: ciągłym (niewielkie impulsy świetlne są stale wprowadzane do układu) oraz pulsacyjnym (układ jest naświetlany od czasu do czasu mocniejszymi impulsami).

Otrzymane wyniki doskonale zgadzają się z przewidywaniami teoretycznymi. Zewnętrzne efekty świetlne naprawdę spowalniają rozpad cząstek, jakby przywracały je do pierwotnego, dalekiego od rozpadu stanu. W tym przypadku wielkość efektu dla dwóch badanych reżimów również pokrywa się z przewidywaniami. A maksymalna żywotność niestabilnych wzbudzonych atomów rubidu została wydłużona 30-krotnie.

Mechanika kwantowa i świadomość

Elektrony i fulereny przestają wykazywać swoje właściwości falowe, aluminiowe płyty stygną, a niestabilne cząstki zamarzają w swoim rozpadzie: pod wszechmocnym spojrzeniem obserwatora świat się zmienia. Co nie jest dowodem na zaangażowanie naszego umysłu w pracę otaczającego świata? Może więc Carl Jung i Wolfgang Pauli (austriacki fizyk, laureat Nagrody Nobla, jeden z pionierów mechaniki kwantowej) mieli rację mówiąc, że prawa fizyki i świadomości należy traktować jako komplementarne?

Ale do rozpoznania obowiązku pozostał już tylko jeden krok: cały świat wokół jest esencją naszego umysłu. Dziwny? („Czy naprawdę myślisz, że Księżyc istnieje tylko wtedy, gdy na niego patrzysz?” Einstein skomentował zasady mechaniki kwantowej). Spróbujmy więc ponownie zwrócić się do fizyków. Co więcej, w ostatnich latach coraz mniej podoba im się kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej z jej tajemniczym załamaniem się fali funkcyjnej, którą zastępuje inny, dość przyziemny i wiarygodny termin – dekoherencja.

Oto rzecz - we wszystkich opisanych eksperymentach z obserwacją eksperymentatorzy nieuchronnie wpłynęli na system. Oświetlono go laserem, zainstalowano przyrządy pomiarowe. I to jest ogólna, bardzo ważna zasada: nie można obserwować systemu, mierzyć jego właściwości bez interakcji z nim. A tam, gdzie jest interakcja, następuje zmiana właściwości. Zwłaszcza, gdy kolosy obiektów kwantowych wchodzą w interakcję z maleńkim układem kwantowym. Zatem wieczna, buddyjska neutralność obserwatora jest niemożliwa.

To właśnie wyjaśnia termin „dekoherencja” – proces nieodwracalny z punktu widzenia naruszenia właściwości kwantowych układu, gdy wchodzi on w interakcję z innym, dużym układem. Podczas takiej interakcji układ kwantowy traci swoje pierwotne cechy i staje się klasyczny, „podporządkowuje się” dużemu układowi. To wyjaśnia paradoks z kotem Schrödingera: kot jest tak dużym systemem, że po prostu nie da się go odizolować od świata. Samo otoczenie eksperymentu myślowego nie jest do końca poprawne.

W każdym razie, w porównaniu z rzeczywistością jako aktem tworzenia świadomości, dekoherencja brzmi znacznie spokojniej. Może nawet zbyt spokojny. W końcu przy takim podejściu cały klasyczny świat staje się jednym wielkim efektem dekoherencji. I zdaniem autorów jednej z najpoważniejszych książek z tej dziedziny, z takich podejść logicznie wynikają również stwierdzenia typu „nie ma cząstek na świecie” czy „nie ma czasu na fundamentalnym poziomie”.

Twórczy obserwator czy wszechmocna dekoherencja? Musisz wybrać między dwoma rodzajami zła. Ale pamiętaj - teraz naukowcy są coraz bardziej przekonani, że bardzo znane efekty kwantowe leżą u podstaw naszych procesów myślowych. Gdzie więc kończy się obserwacja, a zaczyna rzeczywistość – każdy z nas musi wybrać.

Istotą eksperymentu jest skierowanie wiązki światła na nieprzezroczysty ekran-ekran z dwoma równoległymi szczelinami, za którymi zainstalowany jest kolejny ekran projekcyjny. Osobliwością szczelin jest to, że ich szerokość jest w przybliżeniu równa długości fali emitowanego światła. Logiczne byłoby założenie, że fotony powinny przejść przez szczeliny, tworząc dwa równoległe pasma światła na tylnym ekranie. Ale zamiast tego światło przemieszcza się w pasmach z naprzemiennymi plamami światła i ciemności, co oznacza, że ​​światło zachowuje się jak fala. Zjawisko to nazywa się „interferencją” i to jego demonstracja Thomasa Younga stała się dowodem słuszności teorii falowej. Ponowne przemyślenie tego eksperymentu może zunifikować mechanikę kwantową z innym filarem fizyki teoretycznej, ogólną teorią względności Einsteina, co nadal pozostaje nierozwiązane w praktyce.

Aby obliczyć prawdopodobieństwo pojawienia się fotonu w określonym miejscu na ekranie, fizycy posługują się zasadą zwaną regułą Borna. Jednak nie ma ku temu powodu - eksperyment zawsze przebiega w ten sam sposób, ale nikt nie wie dlaczego. Niektórzy entuzjaści próbowali wyjaśnić to zjawisko, interpretując teorię mechaniki kwantowej „wielu światów”, która zakłada, że ​​wszystkie możliwe stany układu kwantowego mogą istnieć we wszechświatach równoległych, ale próby te spełzły na niczym.

Ta okoliczność umożliwia wykorzystanie reguły Borna jako dowodu na istnienie niespójności w teorii kwantowej. Aby ujednolicić mechanikę kwantową, która działa w wąskich skalach czasowych wszechświata, i ogólną teorię względności, która działa w ogromnych skalach czasowych, jedna teoria musi ustąpić. Jeśli zasada Borna jest błędna, będzie to pierwszy krok w kierunku badania grawitacji kwantowej. „Jeśli naruszona zostanie zasada Borna, wówczas naruszony zostanie również podstawowy aksjomat mechaniki kwantowej i będziemy wiedzieli, gdzie szukać odpowiedzi na teorie dotyczące grawitacji kwantowej” – mówi James Quatch z Instytutu Nauki i Technologii w Hiszpanii.

Quotch zaproponował nowy sposób testowania reguły Borna. Wyszedł z pomysłu fizyka Feynmana: aby obliczyć prawdopodobieństwo pojawienia się cząstki w określonym punkcie na ekranie, należy wziąć pod uwagę wszystkie możliwe sposoby, w jakie może się to wydarzyć, nawet jeśli wydają się śmieszne. „Pod uwagę bierze się nawet prawdopodobieństwo, że cząstka dotrze do księżyca i powróci z powrotem” — mówi Quotch. Praktycznie żadna ze ścieżek nie wpłynie na ostateczną lokalizację fotonu, ale niektóre bardzo nietypowe mogą ostatecznie zmienić jego współrzędne. Załóżmy na przykład, że mamy trzy ścieżki, którymi cząstka może przejść przez ekran, zamiast dwóch oczywistych (tj. zamiast jednej lub drugiej szczeliny). Reguła Borna w tym przypadku pozwala nam rozważyć interferencję, która może powstać między dwiema oczywistymi opcjami, ale nie między wszystkimi trzema.

James wykazał, że biorąc pod uwagę wszystkie możliwe odchylenia, wynikowe prawdopodobieństwo, że foton trafi w punkt X, będzie inne niż wynik sugerowany przez regułę Borna. Zaproponował użycie wędrującego zygzaka jako trzeciej ścieżki: w ten sposób cząstka najpierw przechodzi przez lewą dziurę, potem przez prawą, a dopiero potem trafia na ekran. Jeśli trzecia ścieżka koliduje z dwoma pierwszymi, wynik obliczeń również ulegnie zmianie. Praca Quotcha wzbudziła duże zainteresowanie, a Aninda Sinha z Indyjskiego Instytutu Nauki w Bangalore — członkini zespołu, który jako pierwszy zaproponował użycie pokrętnych, „niekonwencjonalnych” sposobów obalania reguły Borna — w pełni się z tym zgadza. Jednak naukowiec zwraca również uwagę, że jest zbyt wiele niewyjaśnionych prawdopodobieństw, aby teraz móc mówić o czystości eksperymentu. Tak czy inaczej, wyniki tej pracy otworzą ludzkości drzwi do głębszego zrozumienia rzeczywistości.

Według ankiety przeprowadzonej przez słynnych fizyków, przeprowadzonej przez The New York Times, eksperyment dyfrakcji elektronów jest jednym z najbardziej niesamowitych badań w historii nauki. Jaka jest jego natura? Istnieje źródło, które emituje wiązkę elektronów na światłoczuły ekran. Na drodze tych elektronów jest przeszkoda, miedziana płytka z dwoma szczelinami.

Jakiego obrazu możemy się spodziewać na ekranie, jeśli elektrony są zwykle przedstawiane nam jako małe naładowane kulki? Dwa paski naprzeciw szczelin w miedzianej płytce. Ale w rzeczywistości na ekranie pojawia się znacznie bardziej złożony wzór naprzemiennych białych i czarnych pasków. Wynika to z faktu, że elektrony przechodząc przez szczelinę zaczynają zachowywać się nie tylko jak cząstki, ale także jak fale (tak samo zachowują się fotony lub inne cząstki światła, które mogą być jednocześnie falą).

Fale te oddziałują w przestrzeni, zderzając się i wzmacniając nawzajem, w wyniku czego na ekranie wyświetlany jest złożony wzór naprzemiennych jasnych i ciemnych pasów. Jednocześnie wynik tego eksperymentu nie zmienia się, nawet jeśli elektrony przechodzą jeden po drugim – nawet jedna cząstka może być falą i przechodzić jednocześnie przez dwie szczeliny. Ten postulat był jednym z głównych w kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej, w której cząstki mogą jednocześnie demonstrować swoje „zwykłe” właściwości fizyczne i egzotyczne właściwości, takie jak fala.

Ale co z obserwatorem? To on sprawia, że ​​ta zagmatwana historia jest jeszcze bardziej zagmatwana. Kiedy fizycy w takich eksperymentach próbowali użyć instrumentów do określenia, przez którą szczelinę faktycznie przechodzi elektron, obraz na ekranie zmienił się dramatycznie i stał się „klasyczny”: z dwiema oświetlonymi sekcjami dokładnie naprzeciw szczelin, bez żadnych naprzemiennych pasów.

Wydawało się, że elektrony niechętnie ujawniają swoją falową naturę uważnym oku obserwatorów. Wygląda jak tajemnica spowita ciemnością. Jest jednak prostsze wytłumaczenie: obserwacji systemu nie można przeprowadzić bez fizycznego wpływu na niego. Omówimy to później.

2. Podgrzewane fulereny

Eksperymenty z dyfrakcją cząstek przeprowadzono nie tylko z elektronami, ale także z innymi, znacznie większymi obiektami. Wykorzystano np. fulereny, duże i zamknięte cząsteczki składające się z kilkudziesięciu atomów węgla. Niedawno grupa naukowców z Uniwersytetu Wiedeńskiego, kierowana przez profesora Zeilingera, próbowała włączyć do tych eksperymentów element obserwacji. W tym celu napromieniowali poruszające się cząsteczki fulerenów wiązkami laserowymi. Następnie, podgrzane przez zewnętrzne źródło, molekuły zaczęły świecić i nieuchronnie odbijać swoją obecność obserwatorowi.

Wraz z tą innowacją zmieniło się również zachowanie cząsteczek. Przed tak kompleksową obserwacją fulereny całkiem skutecznie omijały przeszkodę (wykazują właściwości falowe), podobnie jak w poprzednim przykładzie z elektronami uderzającymi w ekran. Jednak w obecności obserwatora fulereny zaczęły zachowywać się jak doskonale przestrzegające prawa cząstki fizyczne.

3. Pomiar chłodzenia

Jednym z najbardziej znanych praw fizyki kwantowej jest to, że niemożliwe jest jednoczesne określenie prędkości i położenia obiektu kwantowego. Im dokładniej mierzymy pęd cząstki, tym mniej dokładnie możemy zmierzyć jej położenie. Jednak w naszym makroskopowym świecie rzeczywistym ważność praw kwantowych działających na małe cząstki zwykle pozostaje niezauważona.

Niedawne eksperymenty prof. Schwaba z USA wnoszą bardzo cenny wkład w tę dziedzinę. Efekty kwantowe w tych eksperymentach zostały zademonstrowane nie na poziomie elektronów czy cząsteczek fulerenów (które mają przybliżoną średnicę 1 nm), ale na większych obiektach, maleńkiej aluminiowej wstążce. Ta taśma była przymocowana z obu stron tak, że jej środek znajdował się w stanie zawieszenia i mógł wibrować pod wpływem czynników zewnętrznych. Dodatkowo w pobliżu umieszczono urządzenie zdolne do dokładnego rejestrowania położenia taśmy. W wyniku eksperymentu odkryto kilka interesujących rzeczy. Po pierwsze, każdy pomiar związany z położeniem obiektu i obserwacją taśmy wpływał na niego, po każdym pomiarze położenie taśmy zmieniało się.

Eksperymentatorzy z dużą dokładnością ustalili współrzędne taśmy, a tym samym zgodnie z zasadą Heisenberga zmienili jej prędkość, a co za tym idzie późniejsze położenie. Po drugie, dość niespodziewanie, niektóre pomiary doprowadziły do ​​ochłodzenia taśmy. W ten sposób obserwator może zmienić fizyczne cechy obiektów przez samą ich obecność.

4. Zamrażanie cząstek

Jak wiadomo, niestabilne cząstki radioaktywne rozpadają się nie tylko w eksperymentach z kotami, ale także samodzielnie. Każda cząstka ma średni czas życia, który, jak się okazuje, może się wydłużać pod czujnym okiem obserwatora. Ten efekt kwantowy przewidziano już w latach 60., a jego genialny dowód eksperymentalny pojawił się w artykule opublikowanym przez grupę kierowaną przez laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Wolfganga Ketterle z Massachusetts Institute of Technology.

W tej pracy badano rozpad niestabilnych wzbudzonych atomów rubidu. Bezpośrednio po przygotowaniu układu atomy wzbudzono wiązką laserową. Obserwacja odbywała się w dwóch trybach: ciągłym (układ był stale wystawiony na działanie małych impulsów świetlnych) i pulsacyjnym (układ był naświetlany od czasu do czasu mocniejszymi impulsami).

Otrzymane wyniki były w pełni zgodne z przewidywaniami teoretycznymi. Zewnętrzne efekty świetlne spowalniają rozpad cząstek, przywracając je do pierwotnego stanu, który jest daleki od stanu rozpadu. Wielkość tego efektu również zbiegła się z przewidywaniami. Maksymalny czas życia niestabilnych wzbudzonych atomów rubidu wzrósł 30-krotnie.

5. Mechanika kwantowa i świadomość

Elektrony i fulereny przestają wykazywać swoje właściwości falowe, aluminiowe płyty stygną, a niestabilne cząstki spowalniają ich rozpad. Czujne oko patrzącego dosłownie zmienia świat. Dlaczego nie może to być dowodem zaangażowania naszych umysłów w pracę świata? Być może jednak rację mieli Carl Jung i Wolfgang Pauli (austriacki fizyk, laureat Nagrody Nobla, pionier mechaniki kwantowej) mówiąc, że prawa fizyki i świadomości należy traktować jako komplementarne względem siebie?

Jesteśmy o krok od uznania, że ​​świat wokół nas jest. Pomysł jest przerażający i kuszący. Spróbujmy ponownie zwrócić się do fizyków. Zwłaszcza w ostatnich latach, kiedy coraz mniej ludzi wierzy, że kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej z jej tajemniczą funkcją falową załamuje się, zwracając się do bardziej przyziemnej i niezawodnej dekoherencji.

Faktem jest, że we wszystkich tych eksperymentach z obserwacjami eksperymentatorzy nieuchronnie wpłynęli na system. Oświetlili go laserem i zainstalowali przyrządy pomiarowe. Łączyła ich ważna zasada: nie można obserwować systemu ani mierzyć jego właściwości bez interakcji z nim. Każda interakcja to proces modyfikacji właściwości. Zwłaszcza, gdy mały układ kwantowy jest wystawiony na kolosalne obiekty kwantowe. Jakiś wiecznie neutralny buddyjski obserwator jest w zasadzie niemożliwy. I tutaj w grę wchodzi termin „dekoherencja”, który jest nieodwracalny z punktu widzenia termodynamiki: właściwości kwantowe układu zmieniają się podczas interakcji z innym dużym układem.

Podczas tej interakcji układ kwantowy traci swoje pierwotne właściwości i staje się klasyczny, jakby "podporządkowywał się" dużemu układowi. Wyjaśnia to również paradoks kota Schrödingera: kot jest zbyt dużym systemem, więc nie można go odizolować od reszty świata. Sam projekt tego eksperymentu myślowego nie jest całkowicie poprawny.

W każdym razie, jeśli przyjmiemy realność aktu tworzenia przez świadomość, dekoherencja wydaje się być dużo wygodniejszym podejściem. Może nawet zbyt wygodne. Dzięki takiemu podejściu cały klasyczny świat staje się jedną wielką konsekwencją dekoherencji. I jak stwierdził autor jednej z najsłynniejszych książek z tej dziedziny, takie podejście logicznie prowadzi do stwierdzeń typu „nie ma cząstek na świecie” lub „nie ma czasu na podstawowym poziomie”.

Jaka jest prawda: w stwórcy-obserwatorze czy w potężnej dekoherencji? Musimy wybrać między dwoma rodzajami zła. Niemniej naukowcy są coraz bardziej przekonani, że efekty kwantowe są przejawem naszych procesów psychicznych. A gdzie kończy się obserwacja, a zaczyna rzeczywistość, zależy od każdego z nas.

Według topinfopost.com

Nowy umysł króla [O komputerach, myśleniu i prawach fizyki] Roger Penrose

Eksperyment z podwójną szczeliną

Eksperyment z podwójną szczeliną

Rozważmy "archetypowy" eksperyment mechaniki kwantowej, w którym wiązka elektronów, światła lub innych "fal cząstek" jest kierowana przez dwie wąskie szczeliny na ekran za nimi (rysunek 6.3).

Ryż. 6.Z. Eksperymentuj z dwiema szczelinami i światłem monochromatycznym (zapis na rysunku: S (Język angielski) źródło) - źródło, t (Język angielski) szczyt) - górna [przerwa], b (Język angielski) na dole) - dolny [szczelina]. - Notatka. Ed.)

Dla większej szczegółowości wybieramy lekki i zgodzimy się nazywać kwant światła „fotonem” zgodnie z przyjętą terminologią. Najbardziej oczywista manifestacja światła jako strumienia cząstki(fotony) jest obserwowane na ekranie. Światło dociera do ekranu w postaci dyskretnych punktowych porcji energii, które są zawsze powiązane z częstotliwością światła według wzoru Plancka: mi = hv . Energia nigdy nie jest przekazywana w postaci „połówki” (lub innej części) fotonu. Rejestracja fotonów jest zjawiskiem typu „wszystko albo nic”. Zawsze obserwuje się tylko całkowitą liczbę fotonów.

Ale po przejściu przez dwie szczeliny fotony wykrywają fala zachowanie. Załóżmy, że na początku tylko jedna szczelina jest otwarta (a druga jest szczelnie zamknięta). Po przejściu przez tę szczelinę wiązka światła „rozprasza” (zjawisko to nazywa się dyfrakcja i jest charakterystyczna dla propagacji fali). Na razie można trzymać się korpuskularnego punktu widzenia i założyć, że rozszerzenie wiązki spowodowane jest wpływem krawędzi szczeliny, co powoduje, że fotony odchylają się o losową wielkość w obu kierunkach. Gdy światło przechodzące przez szczelinę ma wystarczającą intensywność (liczba fotonów jest duża), oświetlenie ekranu wydaje się równomierne. Ale jeśli natężenie światła zmniejszy się, to można śmiało stwierdzić, że iluminacja ekranu rozbije się na osobne punkty - zgodnie z teorią korpuskularną. Jasne punkty znajdują się tam, gdzie pojedyncze fotony docierają do ekranu. Pozornie równomierny rozkład oświetlenia jest efektem statystycznym ze względu na bardzo dużą liczbę fotonów zaangażowanych w to zjawisko (ryc. 6.4).

Ryż. 6.4. Obraz rozkładu natężenia na ekranie, gdy otwarta jest tylko jedna szczelina: obserwuje się rozkład dyskretnych, drobnych plamek

(Dla porównania, 60-watowa lampa elektryczna emituje około 100 000 000 000 000 000 000 fotonów na sekundę!) Podczas przechodzenia przez szczelinę fotony są rzeczywiście odchylane losowo. Ponadto odchylenia pod różnymi kątami mają różne prawdopodobieństwa, co powoduje obserwowany rozkład oświetlenia na ekranie.

Ale główna trudność dla obrazu korpuskularnego pojawia się, gdy otwieramy drugą szczelinę! Załóżmy, że światło emitowane jest przez żółtą lampę sodową, co oznacza, że ​​ma czystą barwę bez zanieczyszczeń, czyli używając określenia fizycznego światło monochromatyczny, czyli ma jedną określoną częstotliwość, czyli w języku obrazu korpuskularnego wszystkie fotony mają tę samą energię. Długość fali w tym przypadku wynosi około 5 x 10 -7 m. Załóżmy, że szczeliny mają szerokość około 0,001 mm i odległość około 0,15 mm, a ekran znajduje się od nich około 1 m. duże natężenie światła, rozkład natężenia oświetlenia nadal wygląda równomiernie , ale teraz ma pewne pozory falistość nazywa wzór interferencji - paski widoczne na ekranie w odległości około 3 mm od środka (rys. 6.5).

Ryż. 6.5. Wzorzec rozkładu intensywności, gdy obie szczeliny są otwarte: obserwuje się falisty rozkład dyskretnych plam

Otwierając drugą szczelinę, mieliśmy nadzieję, że zobaczymy dwa razy więcej podświetlenia ekranu (i rzeczywiście byłoby to prawdą, jeśli weźmiemy pod uwagę kompletny podświetlenie ekranu). Okazało się jednak, że teraz szczegółowe obraz oświetlenie jest zupełnie inne od tego, które miało miejsce przy jednej otwartej szczelinie. W tych punktach ekranu, w których oświetlenie jest maksymalne, jego intensywność nie jest dwa, i w cztery razy więcej niż wcześniej. W innych punktach, gdzie oświetlenie jest minimalne, intensywność spada do zera. Punkty o zerowej intensywności są chyba największą tajemnicą z korpuskularnego punktu widzenia. Są to punkty, do których foton mógłby bezpiecznie dotrzeć, gdyby tylko jedna szczelina była otwarta. Teraz, gdy otworzyliśmy drugi slot, nagle okazało się, że coś zapobiec foton iść tam, gdzie mógł wcześniej. Jak to się mogło stać, że podając foton alternatywny trasa, w rzeczywistości jesteśmy utrudniony jego przejście wzdłuż którejkolwiek z tras?

Jeśli jako „rozmiar” fotonu przyjmiemy długość fali fotonu, to w skali fotonu druga szczelina znajduje się w odległości około 300 „rozmiarów fotonu” od pierwszej (i szerokości każdej szczeliny). wynosi około dwóch długości fali fotonów) (ryc. 6.6).

Ryż. 6.6. Szczeliny „z punktu widzenia” fotonu! Czy dla fotonu może mieć znaczenie to, czy druga szczelina jest otwarta czy zamknięta, znajdująca się w odległości około 300 „rozmiarów fotonu”?

Skąd foton przechodząc przez jedną ze szczelin „wie”, czy druga szczelina jest otwarta czy zamknięta? W rzeczywistości, w zasadzie nie ma ograniczeń co do odległości, na jaką szczeliny mogą być oddalone od siebie, aby mogło wystąpić zjawisko „wygaszania lub wzmacniania”.

Wydaje się, że gdy światło przechodzi przez jedną lub dwie szczeliny, zachowuje się jak fala , a nie jako ciałko (cząstka)! Takie gaszenie Niszczące zakłócenia jest dobrze znaną właściwością zwykłych fal. Jeśli każdą z tych dwóch tras z osobna można pokonać falą, to kiedy obydwa trasa może się okazać, że wzajemnie się znoszą. Na ryc. 6.7 pokazuje, jak to się dzieje.

Ryż. 6.7. Obraz czysto falowy pozwala zrozumieć rozkład jasnych i ciemnych pasów na ekranie (ale nie dyskretność) pod kątem interferencji fal

Kiedy jakaś część fali, po przejściu przez jedną ze szczelin, spotyka się z częścią fali, która przeszła przez drugą szczelinę, wzmacniają się one nawzajem, jeśli są „w fazie” (tj. gdy spotykają się dwa grzbiety lub dwa doliny). ) lub znoszą się nawzajem, jeśli są „przesunięte” (tj. grzbiet jednej części styka się z korytem drugiej). W eksperymencie z dwiema szczelinami na ekranie pojawiają się jasne punkty, w których odległości do szczelin różnią się o cały liczba długości fal, tak aby grzbiety stykały się z dolinami, a doliny z dolinami, a ciemne miejsca występują tam, gdzie różnica między tymi odległościami jest równa połowie całkowitej liczby długości fal, tak aby grzbiety stykały się z dolinami, a doliny z grzbietami.

Nie ma nic tajemniczego w zachowaniu zwykłej makroskopowej klasycznej fali przechodzącej przez dwie szczeliny jednocześnie. Fala jest ostatecznie tylko „zaburzeniem” jakiegoś ciągłego ośrodka (pola) lub jakiejś substancji składającej się z miriadów maleńkich cząstek punktowych. Zaburzenie może częściowo przechodzić przez jedną szczelinę, częściowo przez inną szczelinę. Ale na obrazie korpuskularnym sytuacja jest inna: każdy pojedynczy foton sam z siebie zachowuje się jak fala! W pewnym sensie każda cząstka przechodzi przez obie szczeliny i przeszkadza ze sobą ! Jeśli bowiem całkowita intensywność światła jest znacznie zmniejszona, można zagwarantować, że w pobliżu szczelin znajdzie się jednocześnie nie więcej niż jeden foton. Zjawisko destrukcyjnej ingerencji, gdy dwie alternatywne drogi niejako „umieją” wykluczyć się nawzajem z realizowanych możliwości, jest czymś, co dotyczy sam foton. Jeśli tylko jedna z dwóch dróg jest otwarta dla fotonu, to foton może nią podążać. Jeśli otwarta jest inna trasa, foton może zająć drugą zamiast pierwszej. Ale jeśli przed fotonem są otwarte obydwa trasa, te dwie możliwości w cudowny sposób znoszą się nawzajem i okazuje się, że foton nie może obrać żadnej trasy!

Gorąco radzę czytelnikowi zatrzymać się i zastanowić nad znaczeniem tego niezwykłego faktu. Nie chodzi o to, że światło w niektórych przypadkach zachowuje się jak fale, aw innych jak cząstki. Każda cząsteczka osobno sama zachowuje się jak fala; oraz różne alternatywne możliwości, jakie ma przedtem cząstka, mogą czasami całkowicie znosić się nawzajem!

Czy foton naprawdę rozdziela się na dwie części i przechodzi częściowo przez jedną szczelinę, a częściowo przez drugą? Większość fizyków sprzeciwi się takiemu sformułowaniu pytania. Ich zdaniem obie drogi otwarte przed cząstką muszą przyczyniać się do końcowego rezultatu, są po prostu dodatkowy tryby ruchu i nie należy myśleć, że cząstka musi się rozdzielić na dwie, aby przejść przez szczeliny. Aby potwierdzić punkt widzenia, że ​​cząstka nie przechodzi częściowo przez jedną szczelinę, a częściowo przez drugą, możemy rozważyć zmodyfikowaną sytuację, w której detektor cząstek. W tym przypadku foton (lub jakakolwiek inna cząstka) zawsze pojawia się jako całość, a nie jako część całości: w końcu nasz detektor rejestruje albo cały foton, albo całkowity brak fotonów. Jeśli jednak detektor znajduje się na tyle blisko jednej ze szczelin, że obserwator może: rozeznać, przez który z nich przeszedł foton, wówczas wzór interferencyjny na ekranie znika. Aby zakłócenia miały miejsce, najwyraźniej musi istnieć „brak wiedzy”, przez którą ze szczelin cząstka „naprawdę” przeszła.

Aby uzyskać zakłócenia obydwa alternatywy muszą wnosić, czasami „podsumowując”, wzmacniając się nawzajem dwukrotnie bardziej, niż można by się spodziewać, a czasami „odejmując”, aby tajemniczo odpłacić wzajemnie. W rzeczywistości, zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, dzieje się coś jeszcze bardziej tajemniczego! Oczywiście alternatywy mogą się sumować (najjaśniejsze kropki na ekranie), alternatywy mogą odejmować (ciemne kropki), ale mogą też tworzyć dziwne kombinacje, takie jak:

alternatywny ALE + i x alternatywa W ,

gdzie i - "pierwiastek kwadratowy z minus jeden" ( i = ? -1 ), które poznaliśmy już w rozdziale 3 (w punktach na ekranie o pośrednich natężeniach światła). W rzeczywistości każdy kompleks liczba może pełnić rolę współczynnika w „kombinacji alternatyw”!

Czytelnik mógł już przypomnieć sobie moje ostrzeżenie z rozdziału 3, że liczby zespolone odgrywają „absolutnie fundamentalną rolę w strukturze mechaniki kwantowej”. Liczby zespolone to nie tylko matematyczne ciekawostki. Fizycy zostali zmuszeni do zwrócenia uwagi na przekonujące i nieoczekiwane fakty doświadczalne. Aby zrozumieć mechanikę kwantową, musimy lepiej poznać język złożonych wag. Przyjrzyjmy się konsekwencjom tego.

III. WYMIANA MIĘDZY DWOMA DZIAŁAMI: I (v + m) ON II c Zaczynamy od dużej wymiany między dwoma dywizjami. (1000v + 1000m.) I — te wartości, które istnieją w rękach ich wytwórców w naturalnej postaci środków produkcji, wymieniane są na 2000 IIc, na wartości

WYBÓR MIĘDZY DWOMA ŚWIATAMI W ciągu dnia nasza świadomość miota się między dwoma światami, a tylko jeden z nich jest pewną rzeczywistością.Pierwszy świat można nazwać obiektywnym; obejmuje to, co istnieje lub się dzieje - ale nic poza tym. Na przykład ja

III. Wymiana między dwiema dywizjami: I (v + m) do II c Zaczynamy od dużej wymiany między dwiema dywizjami. (1000v + 1000m.) I — te wartości, które istnieją w rękach ich wytwórców w naturalnej postaci środków produkcji, wymieniane są na 2000 IIc, na wartości