量子力學的核心
XNUMX 世紀最偉大的物理學家之一理查德·費曼 (Richard Feynman) 認為，理解量子力學的關鍵是「雙縫實驗」。 這個概念上簡單的實驗今天進行，繼續產生驚人的發現。 它們顯示量子力學與常識是多麼不相容，最終導致了過去五十年來最重要的發明。
首次進行雙縫實驗。 托馬斯楊 (1) 十九世紀初的英國。
楊實驗
該實驗用於證明光具有波動性，而不是像之前聲稱的那樣具有粒子性。 艾薩克牛頓。 楊簡單地證明了光服從 干涉 - 最典型的現象（無論波的類型及其傳播的介質如何）。 今天，量子力學調和了這兩種邏輯上相互矛盾的觀點。
讓我們回顧一下雙縫實驗的本質。 像往常一樣，我指的是水面上的波浪，圍繞著石子被扔出的地方同心傳播。
波由從擾動位置向外輻射的連續波峰和波谷形成，同時波峰之間保持恆定的距離（稱為波長）。 在波浪的路徑上，您可以放置一個障礙物，例如，一塊板子，上面有兩個狹窄的縫隙，水可以自由地流過。 將一顆小石子扔進水中後，波浪停在了隔牆上——但並不完全是這樣。 現在，兩個新的同心波 (2) 從兩個狹縫傳播到隔板的另一側。 它們相互重疊，或者如我們所說，相互幹擾，在表面上形成特徵圖案。 在一個波浪的波峰與另一個波浪的波峰相遇的地方，水隆起加劇，而在凹陷與山谷相遇的地方，凹陷加深。
2.從兩個狹縫中出現的波的干涉。
在 Young 的實驗中，點光源發出的單色光穿過帶有兩個狹縫的不透明光闌，射到其後面的螢幕上（今天我們更喜歡使用雷射和 CCD）。 在螢幕上可以觀察到光波的干涉影像，其形式為一系列交替的明暗條紋 (3)。 在 XNUMX 年代初期的發現表明光也是一種波之前，這一結果強化了光是一種波的信念。 光子通量 是沒有靜止質量的輕粒子。 後來才知道是神秘的 波粒二象性首次發現光，也適用於其他具有質量的粒子。 它很快就成為新的量子力學世界描述的基礎。
3. 楊格對實驗的設想
粒子也會幹擾
1961 年，蒂賓根大學的 Klaus Jonsson 使用電子顯微鏡演示了稱為電子的大質量粒子的干涉。 十年後，博洛尼亞大學的三名義大利物理學家進行了類似的實驗 單電子乾涉 （使用所謂的雙棱鏡代替雙縫）。 他們將電子束的強度降低到如此低的值，以至於電子一個接一個地穿過雙棱鏡。 這些電子被記錄在螢光屏上。
最初，電子痕跡隨機分佈在螢幕上，但隨著時間的推移，它們形成了清晰的干涉條紋干涉圖像。 在不同時間連續通過狹縫的兩個電子似乎不可能互相干擾。 因此我們必須承認 一個電子乾擾自身！ 但這樣電子就必須同時通過兩個狹縫。
觀察電子實際穿過的孔可能很誘人。 稍後我們將看到如何在不干擾電子運動的情況下進行這種觀察。 事實證明，如果我們接收到電子已經接受的訊息，那麼幹擾……就會消失！ 「如何」訊息消除乾擾。 這是否意味著有意識的觀察者的存在會影響物理過程的進程？
在談論雙縫實驗更令人驚訝的結果之前，我先題外話干涉物體的大小。 質量物體的量子乾涉首先針對電子被發現，然後針對質量增加的粒子：中子、質子、原子，最後針對大型化學分子。
2011年，證明量子乾涉現象的物體尺寸記錄被打破。 該實驗是由當時維也納大學的博士生進行的。 桑德拉艾本伯格 和她的同事們。 對於雙斷實驗，選擇了包含約 5 個質子、5 個中子和 5 個電子的複雜有機分子！ 在一個非常複雜的實驗中，觀察到了這個巨大分子的量子乾涉。
這證實了這樣的信念： 不只是基本粒子，所有物質物件都受到量子力學定律的約束。 只是物體越複雜，它與環境的相互作用就越多，這違反了其微妙的量子特性並破壞了乾涉效應。.
量子糾纏和光的偏振
雙縫實驗最令人驚訝的結果來自於使用一種特殊的追蹤光子的方法，該方法不會以任何方式乾擾其運動。 該方法使用了最奇怪的量子現象之一，即所謂的 量子糾纏。 量子力學的主要創造者之一在 30 年代就注意到了這一現象， 歐文·薛定er.
懷疑的愛因斯坦（另見🙂）稱其為幽靈般的遠距離作用。然而，僅僅半個世紀後，這種效應的重要性就被認識到，今天它已成為物理學家特別感興趣的主題。
這個效果是關於什麼的？ 如果兩個在某個時間點彼此靠近的粒子相互作用如此強烈，以至於形成了一種“孿生關係”，那麼即使粒子相距數百公里，這種關係也成立。 然後粒子表現為單一系統。 這意味著當我們對一個粒子執行操作時，它會立即影響另一個粒子。 然而，這樣我們就不能不及時地遠距離傳輸訊息。
光子是一種無質量粒子－光的基本組成部分，光是電磁波。 通過對應晶體板（稱為偏振片）後，光變為線偏振，即。 電磁波的電場向量在某一平面內振盪。 反過來，透過使線偏振光穿過來自另一種特定晶體的一定厚度的板（所謂的四分之一波片），可以將其轉換為圓偏振光，其中電場向量沿著螺旋線移動（順時針或逆時針）沿波傳播方向運動。 因此，我們可以討論線偏振或圓偏振光子。
糾纏光子實驗
4a. 非線性 BBO 晶體將氬雷射發射的光子轉換為兩個能量減半且偏振相互垂直的糾纏光子。 這些光子向不同方向散射，並由偵測器 D1 和 D2 記錄，偵測器 D2 和 D2 透過符合計數器 LC 連接。帶有兩個狹縫的光闌放置在其中一個光子的路徑上。 當兩個偵測器偵測到兩個光子幾乎同時到達時，訊號將儲存在裝置的記憶體中，並且偵測器 DXNUMX 平行於狹縫移動。 框中顯示了以此方式記錄的作為偵測器 DXNUMX 位置函數的光子數，其中顯示了指示幹擾的最大值和最小值。
2001年，貝洛奧裡藏特的一群巴西物理學家領導了 史蒂芬·沃爾伯恩 不尋常的實驗。 它的作者利用了一種特殊晶體（簡稱BBO）的特性，將氬激光器發射的光子中的某一部分轉換成兩個能量一半的光子。 這兩個光子相互糾纏； 例如，當其中一個具有水平極化時，另一個具有垂直極化。 這些光子在兩個不同的方向上移動，並在所描述的實驗中扮演不同的角色。
我們要調用的光子之一 控制，直接進入光子偵測器 D1 (4a)。 探測器透過向稱為巧合計數器的設備發送電信號來記錄其到達。 LK 對第二個光子進行干涉實驗； 我們會打電話給他 訊號光子。 在其路徑中，有一個雙縫，後面是第二個光子偵測器 D2，比偵測器 D1 距離光子源稍遠。 此偵測器每次從重合計數器接收到對應訊號時，可以跳躍其相對於雙槽的位置。 當偵測器 D1 偵測到光子時，它會向符合計數器發送訊號。 如果片刻之後，偵測器 D2 也偵測到光子並向儀表發送訊號，它將識別出它來自糾纏光子，並且這一事實將儲存在裝置的記憶體中。 此過程消除了進入探測器的隨機光子的記錄。
糾纏光子持續 400 秒。 此後，D2 偵測器相對於狹縫位置移動 1 毫米，計算糾纏光子又需要 400 秒。 然後探測器再次移動 1 mm，並重複該過程多次。 事實證明，以這種方式記錄的光子數量的分佈取決於偵測器 D2 的位置，具有與楊氏實驗 (4a) 中的明暗和乾涉條紋相對應的特徵最大值和最小值。
我們會再次發現 通過雙縫的單光子會相互干涉.
怎麼會這樣？
實驗的下一步是確定特定光子在不干擾其運動的情況下穿過的孔。 這裡使用的屬性 四分之一波片。 在每個狹縫前面放置一個四分之一波片，其中一個將入射光子的線性偏振更改為順時針圓偏振，另一個更改為左手圓偏振 (4b)。 經驗證，光子偏振類型不影響計數的光子數。 現在，透過確定光子穿過狹縫後偏振的旋轉，我們可以指示光子穿過其中的哪一個。 知道「朝哪個方向」可以消除乾擾。
4b. 透過將四分之一波片（陰影矩形）放置在狹縫前面，可以獲得有關「哪條路徑」的信息，並且干涉影像將消失。
4c. 將適當定向的偏振片 P 放置在偵測器 D1 前面會擦除「哪條路徑」資訊並恢復幹擾。
其實 一旦四分之一波片正確放置在狹縫前面，先前觀察到的指示干涉的計數分佈就會消失。 最奇怪的是，這種情況的發生沒有一個有意識的觀察者的參與，而觀察者可以進行適當的測量！ 只需放置四分之一波片即可產生幹擾抑制效果。。 那麼光子如何知道插入板後我們可以確定它通過的間隙呢？
然而，這並不是奇怪的事情的結束。 我們現在可以重建訊號光子乾涉而不直接影響它。 為此，在控制光子到達偵測器 D1 的路徑中放置一個偏振器，以便它傳輸的光的偏振是兩個糾纏光子偏振的組合 (4c)。 這會立即相應地改變訊號光子的極性。 現在不再可能確定入射到狹縫上的光子的偏振是什麼，以及光子通過哪個狹縫。 這樣的話，幹擾就恢復了！
刪除延遲選擇訊息
上述實驗是以這樣的方式進行的：在訊號光子到達偵測器D1之前，偵測器D2偵測到控制光子。 透過在訊號光子到達偵測器 D2 之前改變驅動光子的偏振來完成擦除「哪條路」資訊。 然後我們可以想像控制光子已經告訴它的「雙胞胎」下一步該做什麼：幹預或不干預。
現在我們修改實驗，使控制光子在偵測器 D1 處記錄訊號光子後撞擊偵測器 D2。 為此，請將偵測器 D1 移離光子源。 干涉圖案看起來是一樣的。 現在讓我們將四分之一波片放置在狹縫前面，以確定光子所採取的路徑。 干涉圖案消失。 接下來，我們透過在探測器 D1 前面放置一個適當定向的偏振器來擦除「哪條路」資訊。 干涉圖樣再次出現！ 然而，擦除是在偵測器 D2 偵測到訊號光子後完成的。 這怎麼可能？ 光子必須先意識到極性的變化，然後才能獲得任何有關它的資訊。
5. 雷射光束實驗。
這裡事件的自然順序是相反的。 果實先於因！ 這結果破壞了我們周遭現實中的因果關係原則。 或者對於糾纏粒子來說時間並不重要？ 量子糾纏違反了經典物理學中適用的局域性原理，根據該原理，物體只能受到其直接周圍環境的影響。
自巴西實驗以來，已經進行了許多類似的實驗，充分證實了這裡提出的結果。 最後，希望讀者能清楚地解釋這些意想不到的現象的奧秘。 不幸的是，這無法做到。 量子力學的邏輯與我們日常看到的世界的邏輯不同。 我們必須謙虛地接受這一點，並為量子力學定律準確地描述了微觀世界中發生的現象而感到高興，這些現像在更先進的技術設備中得到了有效的應用。
