Двухщелевой эксперимент

Эксперимент с двумя щелями

В начале XIX века в научном сообществе, представители которого мыслили в духе детерминизма классической физики, всерьез встал вопрос о том, что представляет собой свет: частицы или волны. Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, «корпускул», что и позволяет объяснить его преломление. С другой стороны, теория Гука-Гюйгенса приводит к выводу, что свет проявляет волновые свойства. Ключевым экспериментом, призванным конкретизировать природу света, стал опыт с двумя щелями, поставленный Томасом Юнгом в 1801 году. Именно Томас Юнг, опираясь на феномен интерференции волн, окончательно сформулировал волновую теорию света, которую проиллюстрировал при помощи своего знаменитого эксперимента:

Свет последовательно пропускается через два барьера, в первом из которых прорезана одна щель, а во втором — две. Если бы свет состоял из частиц-корпускул, то на экране, расположенном за вторым барьером, образовывалось бы две освещенные полосы, по одной напротив каждой из щелей. На самом же деле на экране образуется интерференционный узор, свидетельствующий, что свет распространяется по принципу волны. В 1818 году на основании этих данных Французская Академия выступила с вопросом о том, сможет ли кто-нибудь непротиворечиво объяснить природу света. В результате опытов Жака Френеля и Симеона Дени Пуассона на оставшуюся часть XIX века установилось представление о волновой природе света, которое было вновь оспорено только в 1900 году, когда Планк предложил вышеупомянутую концепцию «кванта». Промежуточным итогом, позволившим вписать физические свойства света в квантовую механику, стала теория корпускулярно-волнового дуализма, сформулированная Луи де Бройлем в 1924 году. Согласно этой теории, свет одновременно проявляет свойства волны и потока частиц.

На фоне такого развития событий в 1927 году Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер повторили эксперимент с двумя щелями на электронах, чтобы показать их дифракцию. Длина волны электрона зависит от энергии частицы, и оказалось, что электрон с энергией 100 эВ (электрон-вольт) имеет длину волны 0,1 нм, что весьма сопоставимо с расстоянием между атомами в кристаллической решетке. Поскольку к тому времени уже удалось получить дифракцию рентгеновских лучей в кристаллической решетке, дифракция электронов также дала ожидаемый результат: два пучка электронов, пропускаемых через две щели, оставляли на экране такие следы, которые должны оставаться от двух волн.

Именно тогда в полной мере началась эпоха квантовых парадоксов, на протяжении которой довелось узнать, что на микроуровне мир устроен существенно иначе, нежели на макроуровне, устроен абсурдно и контринтуитивно. Так, был обнаружен квантовый туннельный эффект, при котором квантовая частица с некоторой вероятностью может преодолеть барьер, непроницаемый для классической частицы. Была выявлена зависимость результата опыта от акта измерения, наиболее ярко представленная в виде мысленного эксперимента под названием «кот Шрёдингера» (а также его усложненного варианта под названием «друг Вигнера»):

Не вдаваясь в подробное описание этих экспериментов, отмечу: характер течения квантовых экспериментов ключевым образом зависит от присутствия или отсутствия наблюдателя. Так, в вышеупомянутой постановке двухщелевого эксперимента с электронами интерференционная картина сохраняется, только когда за ходом эксперимента никто не смотрит. Если эксперимент пронаблюдать, то происходит коллапс волновой функции частицы, и поток электронов разделяется надвое. Электроны начинают вести себя как корпускулы и оставлять на экране не интерференционный узор, а две полосы напротив двух щелей. Данное явление называется «декогеренцией». По какой-то причине поток частиц теряет квантовую согласованность и перестает вести себя как единая волна.

При этом в 1949 году советским ученым Биберману, Сушкину и Фабриканту удалось продемонстрировать, что дифракционные свойства присущи не только потоку электронов, но и отдельному электрону, проходящему через детектор. Буквально в процессе подготовки этой публикации, 20 августа 2021 года, появилась новость об экспериментальном подтверждении корпускулярно-волнового дуализма у одиночного фотона. Дифракцию одиночного фотона выполнила команда во главе с Тай Хён Юн из Южнокорейского института фундаментальных наук. Таким образом, квантовой механике подчиняются мельчайшие частицы наблюдаемого мира… а вот каковы самые крупные объекты, которые также ей подчиняются?

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • Аль-Халили, Джим (2003). Quantum: руководство для недоумевших . Лондон: Вайденфельд и Николсон. ISBN   978-0-297-84305-4 .
  • Анантасвами, Анил (2018). Через две двери одновременно: элегантный эксперимент, раскрывающий загадку нашей квантовой реальности . Даттон / Пингвин. ISBN   978-1-101-98609-7 .
  • Франк, Филипп (1957). Философия науки . Прентис-Холл.
  • Французский, AP; Тейлор, Эдвин Ф. (1978). Введение в квантовую физику . Нортон. ISBN   978-0-393-09106-9 .
  • Кузнецов, Ганн (2011). Заключительная книга по фундаментальной теоретической физике . Американская исследовательская пресса. ISBN   978-1-59973-172-8 .
  • Грин, Брайан (2000). . Винтаж. ISBN   978-0-375-70811-4 .
  • Грин, Брайан (2005). . Винтаж. ISBN   978-0-375-72720-7 .
  • Гриббин, Джон (1999). Вопрос для Quantum: Физика элементарных частиц от А до Z . Вайденфельд и Николсон. ISBN   978-0-7538-0685-2 .
  • Sears, Фрэнсис Уэстон (1949). Оптика . Эддисон Уэсли.
  • Типлер, Пол (2004). Физика для ученых и инженеров: электричество, магнетизм, свет и элементарная современная физика (5-е изд.). WH Freeman. ISBN   978-0-7167-0810-0 .

Опыт Юнга может перевернуть наше представление о реальности.

Традиционный эксперимент в области физики может скрывать в себе знания о природе реальности, о которых мы и не догадывались. Классический опыт юнга, известный также как «Эксперимент на Двух Щелях», в свое время стал доказательством волновой теории света. Но на самом деле он бросает вызов одному из самых известных и изученных предположений квантовой механики.

Суть эксперимента заключается в том, что на непрозрачный экран — ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого установлен другой, проекционный экран, направляют пучок света. Особенность прорезей заключается в том, что их ширина приблизительно равна длине волны излучаемого света. Логично было бы предположить, что фотоны должны проходить сквозь щели, создавая две параллельные полосы света на заднем экране. Но вместо этого свет распространяется в виде полос, в которых чередуются участки света и темноты, то есть свет ведет себя как волна. Это явление называется «Интерференция», и именно его демонстрация Томасом Юнгом стала доказательством справедливости волновой теории. Переосмысление этого эксперимента могло бы объединить квантовую механику с другой опорой теоретической физики, общей теорией относительности энштейна, — вызов, который до сих пор остается неразрешимым на практике.

EIT охлаждение

Трехуровневая лямбда-структура, которая используется для охлаждения EIT, с частотами Раби и отстройками охлаждающего и связующего лазера соответственно.Ωграмм,Ωм{\ displaystyle \ displaystyle \ Omega _ {g}, \ Omega _ {m}}Δграмм,Δм{\ displaystyle \ Delta _ {g}, \ Delta _ {m}}

EIT использовался для лазерного охлаждения длинных цепочек атомов до их основного подвижного состояния в ионной ловушке . Чтобы проиллюстрировать технику охлаждения, рассмотрим трехуровневый атом, как показано, с основным состоянием , возбужденным состоянием и стабильным или метастабильным состоянием, которое находится между ними. Возбужденное состояние дипольно связано с и . Интенсивный лазер «связи» управляет переходом с расстройкой выше резонанса. Из-за квантовой интерференции амплитуд переходов более слабый «охлаждающий» лазер, управляющий переходом при расстройке выше резонанса, обнаруживает на профиле поглощения характерную черту Фано . EIT-охлаждение реализуется, когда переход носителя находится на темном резонансе фано-подобной особенности, где используется для обозначения квантованного двигательного состояния атома. Частота Раби связующего лазера выбрана так, чтобы «красная» боковая полоса лежала на узком максимуме фано-подобной детали. И наоборот, «синяя» боковая полоса находится в области с низкой вероятностью возбуждения, как показано на рисунке ниже. Из-за большого отношения вероятностей возбуждения предел охлаждения снижен по сравнению с доплеровским охлаждением или охлаждением боковой полосы (при той же скорости охлаждения).
|грамм⟩{\ displaystyle | g \ rangle}|е⟩{\ Displaystyle | е \ rangle}|м⟩{\ Displaystyle | м \ rangle}|е⟩{\ Displaystyle | е \ rangle}|м⟩{\ Displaystyle | м \ rangle}|грамм⟩{\ displaystyle | g \ rangle}|м⟩→|е⟩{\ Displaystyle | м \ rangle \ rightarrow | е \ rangle}Δм{\ displaystyle \ Delta _ {m}}|грамм⟩→|е⟩{\ displaystyle | g \ rangle \ rightarrow | e \ rangle}Δграмм{\ displaystyle \ Delta _ {g}}Δграммзнак равноΔм{\ displaystyle \ Delta _ {g} = \ Delta _ {m}}|грамм,п⟩→|е,п⟩{\ displaystyle | g, n \ rangle \ rightarrow | e, n \ rangle}п{\ displaystyle n} Ωм{\ displaystyle \ Omega _ {m}}|грамм,п⟩→|е,п-1⟩{\ displaystyle | g, n \ rangle \ rightarrow | e, n-1 \ rangle}|грамм,п⟩→|е,п+1⟩{\ displaystyle | g, n \ rangle \ rightarrow | e, n + 1 \ rangle}

Профиль поглощения, видимый охлаждающим лазером, как функция отстройки . Частота Раби выбрана так, чтобы красная боковая полоса (красная пунктирная линия) лежала на узком пике фано-подобного элемента, а синяя боковая полоса (синяя пунктирная линия) лежала в области с низкой вероятностью. Носитель (черная пунктирная линия) лежит на темном резонансе, где отстройки равны, т. Е. Такое, что поглощение равно нулю.Δграмм{\ displaystyle \ Delta _ {g}} Ωм{\ displaystyle \ Omega _ {m}} Δграммзнак равноΔм{\ displaystyle \ Delta _ {g} = \ Delta _ {m}}

Многомировая vs Копенгагенская

Согласно квантовой механике, системы могут находиться в суперпозиции. Так наиболее общее состояние кубита представляется вектором состояния:

В рамках копенгагенской интерпретации постулируется правило Борна:

Копенгагенская интерпретация утверждает, что данное описание наиболее полно и вероятности фундаментальны — они не следуют ни из какого более детального детерминированного механизма, строение которого мы пока не знаем. Эти утверждения не голословны, а основаны на ряде математических теорем: Коэна-Шпекера, Белла, GHZ и др. То есть сама математика квантовой механики говорит, что такой скрытый механизм, способный породить квантовые вероятности, не может существовать.

Однако многомировая интерпретация вопреки всему постулирует существование такого механизма. И он настолько примитивен, что представляет собой простое ветвление мира на N миров, соответствующих N слагаемым суперпозиции. Как правило при каждом делении этих слагаемых появляется не два, как в случае кубита, а несчетная бесконечность. Никто не знает в какой момент происходят эти деления (даже без учета теории относительности), но, как и многие другие возражения, это не останавливает адептов. Но не буду повторяться.

Приведенный вектор состояния кубита можно применять к разным физическим системам. Вместо базисных векторов и можно подставить «спин вверх» и «спин вниз» электрона, «вертикальная поляризация» и «горизонтальная поляризация» фотона, «жив» и «мертв» кот Шредингера.

Как говорил Фейнман: «Всю квантовую механику можно понять рассмотрев двухщелевой эксперимент».

В этом случае в суперпозиции будут слагаемые: «частица прошла через верхнюю щель» и «частица прошла через нижнюю». Копенгагенская интерпретация говорит, что вопрос о том через какую из щелей прошла частица не имеет смысла. Многомировая же утверждает, что в одном мире частица прошла через верхнюю щель, а в другом через нижнюю. Можно ли экспериментально проверить кто из них прав?

Основы и требования

согласованность

При рассеянии отраженного белого света могут возникать кольца Кетле, если мешающие световые лучи имеют малую разницу в пути и, следовательно, прибывают в течение времени когерентности.

Волновое поле, возникающее в результате интерференции двух (или более) волн, может быть стабильным во времени только в том случае, если эти волны имеют (временно) фиксированное фазовое соотношение друг с другом. Затем говорят о когерентных волнах. Если волны не являются монохроматическими , то есть состоят из целого ряда частотных компонентов, определяется время когерентности, которое описывает, как волны могут быть максимально смещены друг относительно друга, чтобы создать стабильное волновое поле

Это время когерентности (или полученная из него длина когерентности ) является важной мерой для физических источников света.

Разрушительное вмешательство

Две волны полностью гасят друг друга, если их отклонения в наблюдаемом месте и времени равны и противоположны. Чтобы он оставался таким в течение более длительного периода времени, гармонические (т. Е. Синусоидальные) волны должны иметь одинаковую частоту и смещаться друг от друга на половину периода колебаний или половину длины волны (см. Фазовый сдвиг или разность хода ). Для поперечных волн (например, света ) отклонения должны лежать в одной плоскости, для сложных волн (например, квантово-механической волновой функции ) комплексная фаза амплитуды должна совпадать.

поляризация

Звуковые волны в твердых телах и электромагнитные волны могут быть поляризованными . Исследования интерференции поляризованного света привели в 1817 году к знанию того, что световые волны являются поперечными волнами, см. Законы Френеля-Араго . Согласно этому, волны не интерферируют, если они поляризованы перпендикулярно друг другу. Однако это относится только к наблюдениям с помощью детекторов, которые, как и приведенные выше примеры, измеряют только интенсивность (пропорциональную квадрату величины амплитуды волны электрического компонента волны).

Приложения

Оптическая интерферометрия

Интерферометрия сыграла важную роль в развитии физики, а также имеет широкий спектр приложений в физических и технических измерениях.

Томас ЯнгИнтерферометр с двойной щелью в 1803 году продемонстрировал интерференционные полосы, когда два маленьких отверстия освещались светом из другого маленького отверстия, которое освещалось солнечным светом. Янг смог оценить длину волны разных цветов в спектре по расстоянию между полосами. Эксперимент сыграл важную роль в принятии волновой теории света. В квантовой механике считается, что этот эксперимент демонстрирует неразделимость волновой и частичной природы света и других квантовых частиц (дуальность волна-частица). Ричард Фейнман Любил говорить, что всю квантовую механику можно почерпнуть из тщательного обдумывания последствий этого единственного эксперимента.

Результаты Эксперимент Майкельсона-Морли обычно считаются первым убедительным доказательством против теории светоносный эфир и в пользу специальная теория относительности.

Интерферометрия использовалась для определения и калибровки стандарты длины. Когда измеритель был определен как расстояние между двумя отметками на платино-иридиевом слитке, Михельсон и Бенуа использовали интерферометрию для измерения длины волны красного кадмий линии в новом стандарте, а также показали, что ее можно использовать в качестве стандарта длины. Шестьдесят лет спустя, в 1960 году, счетчик в новом SI Система была определена как равная 1 650 763,73 длинам волн оранжево-красной линии излучения в электромагнитном спектре атома криптона-86 в вакууме. Это определение было заменено в 1983 году определением метра как расстояния, пройденного светом в вакууме за определенный промежуток времени. Интерферометрия по-прежнему играет важную роль в установлении калибровка цепь в измерении длины.

Интерферометрия используется при калибровке датчики скольжения (в США они называются калибровочными блоками) и в координатно-измерительные машины. Он также используется при тестировании оптических компонентов.

Радиоинтерферометрия

В Очень большой массив, интерферометрическая антенна сформированный из множества меньших телескопы, как и многие другие радиотелескопы.

В 1946 году методика получила название астрономическая интерферометрия был развит. Астрономические радиоинтерферометры обычно состоят либо из решеток параболических антенн, либо из двумерных решеток всенаправленных антенн. Все телескопы в группе широко разделены и обычно соединяются вместе с помощью коаксиальный кабель, волновод, оптоволокно, или другой тип линия передачи. Интерферометрия увеличивает общий собираемый сигнал, но ее основная цель — значительно повысить разрешение с помощью процесса, называемого Синтез апертуры. Этот метод работает путем наложения (интерференции) сигнальных волн от разных телескопов по принципу, согласно которому волны, совпадающие с одной и той же фазой, складываются друг с другом, в то время как две волны с противоположными фазами нейтрализуют друг друга. Это создает комбинированный телескоп, который по разрешению (но не по чувствительности) эквивалентен одиночной антенне, диаметр которой равен разносу антенн, наиболее удаленных друг от друга в решетке.

Акустическая интерферометрия

An акустический интерферометр прибор для измерения физических характеристик звуковых волн в газ или жидкость, например скорость, длина волны, поглощение, или же сопротивление. Вибрирующий кристалл создает ультразвуковые волны, которые излучаются в среду. Волны падают на отражатель, расположенный параллельно кристаллу, отражаются обратно к источнику и измеряются.

Рекомендации

Основная работа

  • О. Кочаровская, Я. И. Ханин, Сов. Phys. ЖЭТФ, 63 , с945 (1986)
  • К. Дж. Боллер, А. Имамоглу , С. Э. Харрис , Physical Review Letters 66 , стр. 2593 (1991)
  • Эберли, JH, ML Pons, и HR Haq, Phys. Rev. Lett. 72 , 56 (1994)
  • Д. Будкер, Д. Ф. Кимбалл, С. М. Рочестер и В. В. Ящук, Physical Review Letters, 83 , p1767 (1999).
  • Lene Vestergaard Hau , SE Harris , Zachary Dutton , Cyrus H. Behroozi, Nature v.397, p594 (1999)
  • DF Phillips, A. Fleischhauer, A. Mair, RL Walsworth, MD Lukin, Physical Review Letters 86 , стр.783 (2001)
  • Наоми С. Гинзберг , Шон Р. Гарнер , Лене Вестергаард Хау , Nature 445 , 623 (2007)

Дифракция электронов

Какую картинку можно ожидать на экране, если электроны обычно представляются нам небольшими заряженными шариками? Две полосы напротив прорезей в медной пластине. Но на самом деле на экране появляется куда более сложный узор из чередующихся белых и черных полос. Это связано с тем, что при прохождении через щель электроны начинают вести себя не только как частицы, но и как волны (так же ведут себя фотоны или другие легкие частицы, которые могут быть волной в то же время).

Эти волны взаимодействуют в пространстве, сталкиваясь и усиливая друг друга, и в результате сложный рисунок из чередующихся светлых и темных полос отображается на экране. В то же время результат этого эксперимента не изменяется, даже если электроны проходят один за одним — даже одна частица может быть волной и проходить одновременно через две щели. Этот постулат был одним из основных в Копенгагенской интерпретации квантовой механики, когда частицы могут одновременно демонстрировать свои «обычные» физические свойства и экзотические свойства как волна.

Но как насчет наблюдателя? Именно он делает эту запутанную историю еще более запутанной. Когда физики во время подобных экспериментов попытались определить с помощью инструментов, через какую щель фактически проходит электрон, картинка на экране резко изменилась и стала «классической»: с двумя освещенными секциями строго напротив щелей, безо всяких чередующихся полос.

Электроны, казалось, не хотят открывать свою волновую природу бдительному оку наблюдателей. Похоже на тайну, покрытую мраком. Но есть и более просто объяснение: наблюдение за системой не может осуществляться без физического влияния на нее. Это мы обсудим позже.

Эксперимент с двумя щелями

В начале XIX века в научном сообществе, представители которого мыслили в духе детерминизма классической физики, всерьез встал вопрос о том, что представляет собой свет: частицы или волны. Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, «корпускул», что и позволяет объяснить его преломление. С другой стороны, теория Гука-Гюйгенса приводит к выводу, что свет проявляет волновые свойства. Ключевым экспериментом, призванным конкретизировать природу света, стал опыт с двумя щелями, поставленный Томасом Юнгом в 1801 году. Именно Томас Юнг, опираясь на феномен интерференции волн, окончательно сформулировал волновую теорию света, которую проиллюстрировал при помощи своего знаменитого эксперимента:

Свет последовательно пропускается через два барьера, в первом из которых прорезана одна щель, а во втором — две. Если бы свет состоял из частиц-корпускул, то на экране, расположенном за вторым барьером, образовывалось бы две освещенные полосы, по одной напротив каждой из щелей. На самом же деле на экране образуется интерференционный узор, свидетельствующий, что свет распространяется по принципу волны. В 1818 году на основании этих данных Французская Академия выступила с вопросом о том, сможет ли кто-нибудь непротиворечиво объяснить природу света. В результате опытов Жака Френеля и Симеона Дени Пуассона на оставшуюся часть XIX века установилось представление о волновой природе света, которое было вновь оспорено только в 1900 году, когда Планк предложил вышеупомянутую концепцию «кванта». Промежуточным итогом, позволившим вписать физические свойства света в квантовую механику, стала теория корпускулярно-волнового дуализма, сформулированная Луи де Бройлем в 1924 году. Согласно этой теории, свет одновременно проявляет свойства волны и потока частиц.

На фоне такого развития событий в 1927 году Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер повторили эксперимент с двумя щелями на электронах, чтобы показать их дифракцию. Длина волны электрона зависит от энергии частицы, и оказалось, что электрон с энергией 100 эВ (электрон-вольт) имеет длину волны 0,1 нм, что весьма сопоставимо с расстоянием между атомами в кристаллической решетке. Поскольку к тому времени уже удалось получить дифракцию рентгеновских лучей в кристаллической решетке, дифракция электронов также дала ожидаемый результат: два пучка электронов, пропускаемых через две щели, оставляли на экране такие следы, которые должны оставаться от двух волн.

Именно тогда в полной мере началась эпоха квантовых парадоксов, на протяжении которой довелось узнать, что на микроуровне мир устроен существенно иначе, нежели на макроуровне, устроен абсурдно и контринтуитивно. Так, был обнаружен квантовый туннельный эффект, при котором квантовая частица с некоторой вероятностью может преодолеть барьер, непроницаемый для классической частицы. Была выявлена зависимость результата опыта от акта измерения, наиболее ярко представленная в виде мысленного эксперимента под названием «кот Шрёдингера» (а также его усложненного варианта под названием «друг Вигнера»):

Не вдаваясь в подробное описание этих экспериментов, отмечу: характер течения квантовых экспериментов ключевым образом зависит от присутствия или отсутствия наблюдателя. Так, в вышеупомянутой постановке двухщелевого эксперимента с электронами интерференционная картина сохраняется, только когда за ходом эксперимента никто не смотрит. Если эксперимент пронаблюдать, то происходит коллапс волновой функции частицы, и поток электронов разделяется надвое. Электроны начинают вести себя как корпускулы и оставлять на экране не интерференционный узор, а две полосы напротив двух щелей. Данное явление называется «декогеренцией». По какой-то причине поток частиц теряет квантовую согласованность и перестает вести себя как единая волна.

При этом в 1949 году советским ученым Биберману, Сушкину и Фабриканту удалось продемонстрировать, что дифракционные свойства присущи не только потоку электронов, но и отдельному электрону, проходящему через детектор. Буквально в процессе подготовки этой публикации, 20 августа 2021 года, появилась новость об экспериментальном подтверждении корпускулярно-волнового дуализма у одиночного фотона. Дифракцию одиночного фотона выполнила команда во главе с Тай Хён Юн из Южнокорейского института фундаментальных наук. Таким образом, квантовой механике подчиняются мельчайшие частицы наблюдаемого мира… а вот каковы самые крупные объекты, которые также ей подчиняются?