Di jantung mekanika kuantum

Richard Feynman, salah satu fisikawan terbesar abad ke-XNUMX, berpendapat bahwa kunci untuk memahami mekanika kuantum adalah "eksperimen celah ganda". Eksperimen yang secara konseptual sederhana ini, yang dilakukan hari ini, terus menghasilkan penemuan-penemuan yang menakjubkan. Mereka menunjukkan betapa tidak sesuainya mekanika kuantum dengan akal sehat, yang akhirnya mengarah pada penemuan-penemuan paling penting dalam lima puluh tahun terakhir.

Untuk pertama kalinya ia melakukan eksperimen celah ganda. Thomas Muda (1) di Inggris pada awal abad kesembilan belas.

Eksperimen Young

Eksperimen tersebut digunakan untuk menunjukkan bahwa cahaya bersifat gelombang dan bukan bersifat sel, seperti yang dinyatakan sebelumnya. Isaac Newton. Muda baru saja menunjukkan bahwa cahaya mematuhi intervensi - sebuah fenomena yang merupakan ciri paling khas (terlepas dari jenis gelombang dan media di mana ia merambat). Saat ini, mekanika kuantum merekonsiliasi dua pandangan yang bertentangan secara logis ini.

Mari kita ingat kembali inti dari eksperimen celah ganda. Seperti biasa, maksud saya gelombang di permukaan air yang menyebar secara konsentris di sekitar tempat kerikil dilemparkan. 

Gelombang dibentuk oleh puncak dan lembah berurutan yang memancar dari titik gangguan, sambil mempertahankan jarak konstan antara puncak, yang disebut panjang gelombang. Sebuah penghalang dapat ditempatkan di jalur gelombang, misalnya, dalam bentuk papan dengan dua celah sempit yang melaluinya air dapat mengalir dengan bebas. Melempar kerikil ke dalam air, gelombang berhenti di partisi - tetapi tidak cukup. Dua gelombang konsentris baru (2) sekarang merambat ke sisi lain partisi dari kedua slot. Mereka ditumpangkan satu sama lain, atau, seperti yang kita katakan, saling mengganggu, menciptakan pola karakteristik di permukaan. Di tempat-tempat di mana puncak satu gelombang bertemu dengan puncak gelombang lainnya, tonjolan air meningkat, dan di mana cekungan bertemu dengan lembah, depresi semakin dalam.

2. Interferensi gelombang yang muncul dari dua slot.

Dalam percobaan Young, cahaya satu warna yang dipancarkan dari sumber titik melewati diafragma buram dengan dua celah dan mengenai layar di belakangnya (hari ini kita lebih suka menggunakan sinar laser dan CCD). Gambar interferensi gelombang cahaya teramati pada layar dalam bentuk rangkaian garis terang dan garis gelap yang berselang-seling (3). Hasil ini memperkuat keyakinan bahwa cahaya adalah gelombang, sebelum penemuan di awal XNUMX-an menunjukkan bahwa cahaya juga merupakan gelombang. fluks foton adalah partikel ringan yang tidak memiliki massa diam. Belakangan ternyata yang misterius dualitas gelombang-partikelpertama kali ditemukan untuk cahaya juga berlaku untuk partikel lain yang memiliki massa. Ini segera menjadi dasar untuk deskripsi mekanika kuantum baru tentang dunia.

3. Visi eksperimen Young

Partikel juga ikut campur

Pada tahun 1961, Klaus Jonsson dari Universitas Tübingen mendemonstrasikan interferensi partikel masif - elektron menggunakan mikroskop elektron. Sepuluh tahun kemudian, tiga fisikawan Italia dari Universitas Bologna melakukan eksperimen serupa dengan interferensi elektron tunggal (menggunakan apa yang disebut biprisma alih-alih celah ganda). Mereka mengurangi intensitas berkas elektron ke nilai yang rendah sehingga elektron melewati biprisma satu demi satu, satu demi satu. Elektron ini didaftarkan pada layar fluorescent.

Awalnya, jejak elektron didistribusikan secara acak di atas layar, tetapi seiring waktu mereka membentuk gambar interferensi yang berbeda dari pinggiran interferensi. Tampaknya mustahil bahwa dua elektron yang melewati celah secara berurutan pada waktu yang berbeda dapat saling berinterferensi. Oleh karena itu, kita harus mengakui bahwa satu elektron mengganggu dirinya sendiri! Tapi kemudian elektron harus melewati kedua celah pada saat yang bersamaan.

Mungkin tergoda untuk melihat lubang yang dilalui elektron. Nanti kita akan melihat bagaimana melakukan pengamatan seperti itu tanpa mengganggu gerak elektron. Ternyata jika kita mendapatkan informasi tentang apa yang diterima elektron, maka interferensi ... akan hilang! Informasi "bagaimana" menghancurkan interferensi. Apakah ini berarti bahwa kehadiran seorang pengamat yang sadar mempengaruhi jalannya proses fisik?

Sebelum berbicara tentang hasil yang lebih mengejutkan dari eksperimen celah ganda, saya akan membuat penyimpangan kecil tentang ukuran objek yang mengganggu. Interferensi kuantum objek massa ditemukan pertama untuk elektron, kemudian untuk partikel dengan peningkatan massa: neutron, proton, atom, dan akhirnya untuk molekul kimia besar.

Pada tahun 2011, rekor ukuran suatu objek dipecahkan, di mana fenomena interferensi kuantum didemonstrasikan. Eksperimen dilakukan di Universitas Wina oleh seorang mahasiswa doktoral saat itu. Sandra Eibenberger dan rekan-rekannya. Sebuah molekul organik kompleks yang mengandung sekitar 5 proton, 5 ribu neutron dan 5 ribu elektron dipilih untuk percobaan dengan dua kali istirahat! Dalam percobaan yang sangat kompleks, interferensi kuantum dari molekul besar ini diamati.

Ini menegaskan keyakinan bahwa Hukum mekanika kuantum tidak hanya mematuhi partikel elementer, tetapi juga setiap objek material. Hanya saja semakin kompleks objek, semakin berinteraksi dengan lingkungan, yang melanggar sifat kuantum halus dan menghancurkan efek interferensi..

Keterikatan kuantum dan polarisasi cahaya

Hasil yang paling mengejutkan dari eksperimen celah ganda datang dari penggunaan metode khusus untuk melacak foton, yang tidak mengganggu gerakannya dengan cara apa pun. Metode ini menggunakan salah satu fenomena kuantum yang paling aneh, yang disebut keterikatan kuantum. Fenomena ini diperhatikan kembali di tahun 30-an oleh salah satu pencipta utama mekanika kuantum, Erwin Schrödinger.

Einstein yang skeptis (lihat juga menyebutnya aksi hantu di kejauhan. Namun, hanya setengah abad kemudian pentingnya efek ini disadari, dan hari ini telah menjadi subjek yang menarik bagi fisikawan.

Tentang apa efek ini? Jika dua partikel yang dekat satu sama lain pada suatu waktu berinteraksi begitu kuat satu sama lain sehingga mereka membentuk semacam "hubungan kembar", maka hubungan itu tetap ada bahkan ketika partikel-partikel itu terpisah ratusan kilometer. Kemudian partikel berperilaku sebagai sistem tunggal. Ini berarti bahwa ketika kita melakukan suatu tindakan pada satu partikel, itu segera mempengaruhi partikel lain. Namun, dengan cara ini kita tidak dapat mengirimkan informasi tanpa batas waktu dari jarak jauh.

Foton adalah partikel tak bermassa - bagian dasar cahaya, yang merupakan gelombang elektromagnetik. Setelah melewati pelat kristal yang sesuai (disebut polarizer), cahaya menjadi terpolarisasi linier, yaitu. vektor medan listrik gelombang elektromagnetik berosilasi dalam bidang tertentu. Pada gilirannya, dengan melewatkan cahaya terpolarisasi linier melalui pelat dengan ketebalan tertentu dari kristal tertentu lainnya (yang disebut pelat seperempat gelombang), ia dapat diubah menjadi cahaya terpolarisasi sirkular, di mana vektor medan listrik bergerak dalam heliks ( searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam) gerakan sepanjang arah rambat gelombang. Dengan demikian, orang dapat berbicara tentang foton terpolarisasi linier atau sirkuler.

Eksperimen dengan foton terjerat

4a. Kristal BBO non-linier mengubah foton yang dipancarkan oleh laser argon menjadi dua foton terjerat dengan setengah energi dan polarisasi saling tegak lurus. Foton ini menyebar ke arah yang berbeda dan direkam oleh detektor D1 dan D2, dihubungkan oleh pencacah kebetulan LK. Sebuah diafragma dengan dua celah ditempatkan di jalur salah satu foton. Ketika kedua detektor mencatat kedatangan kedua foton yang hampir bersamaan, sinyal disimpan dalam memori perangkat, dan detektor D2 melangkah sejajar dengan celah. Jumlah foton tergantung pada posisi detektor D2, yang direkam, ditunjukkan dalam kotak, menunjukkan maksimum dan minimum, yang menunjukkan interferensi.

Pada tahun 2001, sekelompok fisikawan Brasil di Belo Horizonte tampil di bawah bimbingan Stephen Walborn percobaan yang tidak biasa. Penulisnya menggunakan sifat kristal khusus (disingkat BBO), yang mengubah bagian tertentu dari foton yang dipancarkan oleh laser argon menjadi dua foton dengan setengah energi. Kedua foton ini terjerat satu sama lain; ketika salah satu dari mereka memiliki, misalnya, polarisasi horizontal, yang lain memiliki polarisasi vertikal. Foton ini bergerak dalam dua arah berbeda dan memainkan peran berbeda dalam percobaan yang dijelaskan.

Salah satu foton yang akan kita beri nama mengendalikan, langsung ke detektor foton D1 (4a). Detektor mencatat kedatangannya dengan mengirimkan sinyal listrik ke perangkat yang disebut hit counter. LK Percobaan interferensi akan dilakukan pada foton kedua; kami akan memanggilnya foton sinyal. Ada celah ganda di jalurnya, diikuti oleh detektor foton kedua, D2, sedikit lebih jauh dari sumber foton daripada detektor D1. Detektor ini dapat melompat di sekitar slot ganda setiap kali menerima sinyal yang cocok dari penghitung hit. Ketika detektor D1 mendaftarkan foton, ia mengirimkan sinyal ke pencacah kebetulan. Jika suatu saat detektor D2 juga mendaftarkan foton dan mengirimkan sinyal ke meter, maka ia akan mengenali bahwa itu berasal dari foton yang terjerat, dan fakta ini akan disimpan dalam memori perangkat. Prosedur ini mengecualikan pendaftaran foton acak yang memasuki detektor.

Foton terjerat bertahan selama 400 detik. Setelah waktu ini, detektor D2 dipindahkan sebesar 1 mm sehubungan dengan posisi celah, dan penghitungan foton terjerat membutuhkan 400 detik lagi. Kemudian detektor digerakkan lagi sejauh 1 mm dan prosedur diulangi berkali-kali. Ternyata distribusi jumlah foton yang direkam dengan cara ini tergantung pada posisi detektor D2 memiliki karakteristik maxima dan minima yang sesuai dengan terang dan gelap dan pinggiran interferensi dalam percobaan Young (4a).

Kami menemukan lagi bahwa foton tunggal yang melewati celah ganda saling berinterferensi.

Bagaimana bisa begitu?

Langkah selanjutnya dalam eksperimen ini adalah menentukan lubang yang dilalui foton tertentu tanpa mengganggu pergerakannya. Properti yang digunakan di sini pelat gelombang seperempat. Pelat seperempat gelombang ditempatkan di depan setiap celah, salah satunya mengubah polarisasi linier foton datang menjadi melingkar searah jarum jam, dan yang lainnya menjadi polarisasi melingkar kiri (4b). Telah diverifikasi bahwa jenis polarisasi foton tidak mempengaruhi jumlah foton yang dihitung. Sekarang, dengan menentukan rotasi polarisasi foton setelah melewati celah, adalah mungkin untuk menunjukkan melalui celah mana foton telah lewat. Mengetahui "ke arah mana" menghancurkan gangguan.

4b. Dengan menempatkan pelat seperempat gelombang (persegi panjang berbayang) di depan celah, informasi "ke arah mana" dapat diperoleh dan gambar interferensi akan hilang.

4c. Menempatkan polarisator P yang berorientasi tepat di depan detektor D1 menghapus informasi "ke arah mana" dan mengembalikan interferensi.

Sebenarnya, setelah penempatan yang benar dari pelat seperempat gelombang di depan celah, distribusi penghitungan yang diamati sebelumnya, yang menunjukkan interferensi, menghilang. Hal yang paling aneh adalah hal ini terjadi tanpa partisipasi seorang pengamat yang sadar yang dapat melakukan pengukuran yang tepat! Penempatan pelat seperempat gelombang saja menghasilkan efek pembatalan interferensi.. Jadi bagaimana foton tahu bahwa setelah memasukkan pelat, kita dapat menentukan celah yang dilaluinya?

Namun, ini bukan akhir dari keanehan. Sekarang kita dapat memulihkan gangguan sinyal foton tanpa mempengaruhinya secara langsung. Untuk melakukan ini, di jalur foton kontrol yang mencapai detektor D1, tempatkan sebuah polarizer sedemikian rupa sehingga mentransmisikan cahaya dengan polarisasi yang merupakan kombinasi dari polarisasi kedua foton terjerat (4c). Ini segera mengubah polaritas foton sinyal yang sesuai. Sekarang tidak mungkin lagi untuk menentukan dengan pasti apa yang dimaksud dengan polarisasi insiden foton pada celah, dan melalui celah mana foton lewat. Dalam hal ini, interferensi dipulihkan!

Hapus informasi pemilihan yang tertunda

Percobaan yang dijelaskan di atas dilakukan sedemikian rupa sehingga foton kontrol didaftarkan oleh detektor D1 sebelum foton sinyal mencapai detektor D2. Penghapusan informasi "ke arah mana" dilakukan dengan mengubah polarisasi foton kontrol sebelum foton sinyal mencapai detektor D2. Kemudian orang dapat membayangkan bahwa foton pengontrol telah memberi tahu "kembarannya" apa yang harus dilakukan selanjutnya: campur tangan atau tidak.

Sekarang kita memodifikasi eksperimen sedemikian rupa sehingga foton kontrol mengenai detektor D1 setelah foton sinyal didaftarkan pada detektor D2. Untuk melakukan ini, pindahkan detektor D1 menjauh dari sumber foton. Pola interferensi terlihat sama seperti sebelumnya. Sekarang mari kita tempatkan pelat seperempat gelombang di depan celah untuk menentukan jalur mana yang diambil foton. Pola interferensi menghilang. Selanjutnya, mari kita hapus informasi "ke arah mana" dengan menempatkan polarizer yang berorientasi tepat di depan detektor D1. Pola interferensi muncul lagi! Namun penghapusan dilakukan setelah foton sinyal telah didaftarkan oleh detektor D2. Bagaimana ini mungkin? Foton harus menyadari perubahan polaritas sebelum informasi apa pun tentangnya dapat mencapainya.

5. Percobaan dengan sinar laser.

Urutan alami peristiwa dibalik di sini; akibat mendahului sebab! Hasil ini menggerogoti prinsip kausalitas dalam realitas di sekitar kita. Atau mungkin waktu tidak masalah dalam hal partikel yang terjerat? Belitan kuantum melanggar prinsip lokalitas dalam fisika klasik, yang menurutnya suatu objek hanya dapat dipengaruhi oleh lingkungan terdekatnya.

Sejak eksperimen Brasil, banyak eksperimen serupa telah dilakukan, yang sepenuhnya mengkonfirmasi hasil yang disajikan di sini. Pada akhirnya, pembaca ingin menjelaskan secara gamblang misteri dari fenomena tak terduga ini. Sayangnya, ini tidak bisa dilakukan. Logika mekanika kuantum berbeda dengan logika dunia yang kita lihat setiap hari. Kita harus dengan rendah hati menerima ini dan bersukacita dalam kenyataan bahwa hukum mekanika kuantum secara akurat menggambarkan fenomena yang terjadi dalam mikrokosmos, yang berguna digunakan dalam perangkat teknis yang lebih maju.