No corazón da mecánica cuántica

Richard Feynman, un dos máis grandes físicos do século XX, argumentou que a clave para comprender a mecánica cuántica é o "experimento de dobre fenda". Este experimento conceptualmente sinxelo, realizado hoxe, segue dando descubrimentos sorprendentes. Mostran o incompatible co sentido común que é a mecánica cuántica, que finalmente levou aos inventos máis importantes dos últimos cincuenta anos.

Por primeira vez realizou un experimento de dobre fenda. Thomas Young (1) en Inglaterra a principios do século XIX.

O experimento de Young

O experimento utilizouse para mostrar que a luz é de natureza ondulatoria e non de natureza corpuscular, como se dixo anteriormente. Isaac Newton. Young acaba de demostrar que a luz obedece intervención - un fenómeno que é o trazo máis característico (independentemente do tipo de onda e do medio no que se propague). Hoxe, a mecánica cuántica reconcilia estas dúas visións loxicamente contraditorias.

Lembremos a esencia do experimento de dobre fenda. Como é habitual, refírome a unha onda na superficie da auga que se espalla concéntricamente polo lugar onde se lanzou o seixo. 

Unha onda está formada por sucesivas cristas e valles que irradian dende o punto de perturbación, mantendo unha distancia constante entre as cristas, que se denomina lonxitude de onda. No camiño da onda pódese colocar unha barreira, por exemplo, en forma de táboa con dúas ranuras estreitas cortadas polas que a auga pode fluír libremente. Lanzando un seixo á auga, a onda detense no tabique, pero non do todo. Dúas novas ondas concéntricas (2) propáganse agora ao outro lado da partición desde ambas ranuras. Superpóñense entre si ou, como dicimos, interfiren entre si, creando un patrón característico na superficie. Nos lugares onde a crista dunha onda se atopa coa crista doutra, a protuberancia da auga intensifícase, e onde o oco se atopa co val, a depresión afonda.

2. Interferencia de ondas que emerxen de dúas ranuras.

No experimento de Young, a luz dunha soa cor emitida desde unha fonte puntual atravesa un diafragma opaco con dúas fendas e golpea a pantalla detrás delas (hoxe preferiríamos usar luz láser e un CCD). Na pantalla obsérvase unha imaxe de interferencia dunha onda luminosa en forma dunha serie de franxas alternas claras e escuras (3). Este resultado reforzou a crenza de que a luz era unha onda, antes de que os descubrimentos a principios dos anos XNUMX demostrasen que a luz tamén era unha onda. fluxo de fotóns – partículas lixeiras que non teñen masa en repouso. Máis tarde resultou que o misterioso dualidade onda-partículadescuberto por primeira vez para a luz tamén se aplica a outras partículas dotadas de masa. Pronto se converteu na base para unha nova descrición mecánica cuántica do mundo.

3. Visión do experimento de Young

As partículas tamén interfiren

En 1961, Klaus Jonsson da Universidade de Tübingen demostrou a interferencia de partículas masivas - electróns usando un microscopio electrónico. Dez anos despois, tres físicos italianos da Universidade de Boloña realizaron un experimento similar interferencia dun electrón (usando un chamado biprisma en lugar dunha fenda dobre). Reduciron a intensidade do feixe de electróns a un valor tan baixo que os electróns atravesaron o biprisma un tras outro, un tras outro. Estes electróns foron rexistrados nunha pantalla fluorescente.

Inicialmente, as estelas de electróns distribuíronse aleatoriamente pola pantalla, pero co paso do tempo formaron unha imaxe de interferencia distinta das franxas de interferencia. Parece imposible que dous electróns que pasan polas fendas en sucesión en diferentes momentos poidan interferir entre si. Polo tanto, debemos recoñecelo un electrón interfire consigo mesmo! Pero entón o electrón tería que pasar por ambas fendas ao mesmo tempo.

Pode ser tentador mirar o burato polo que realmente pasou o electrón. Máis adiante veremos como facer tal observación sen perturbar o movemento do electrón. Resulta que se obtemos información sobre o que recibiu o electrón, entón a interferencia... ¡desaparecerá! A información "como" destrúe as interferencias. Significa isto que a presenza dun observador consciente inflúe no curso do proceso físico?

Antes de falar dos resultados aínda máis sorprendentes dos experimentos de dobre fenda, farei unha pequena digresión sobre o tamaño dos obxectos interferentes. A interferencia cuántica dos obxectos de masa descubriuse primeiro para os electróns, despois para as partículas con masa crecente: neutróns, protóns, átomos e, finalmente, para moléculas químicas grandes.

En 2011, bateuse o récord do tamaño dun obxecto, no que se demostrou o fenómeno da interferencia cuántica. O experimento foi realizado na Universidade de Viena por un estudante de doutoramento da época. Sandra Eibenberger e os seus asociados. Para o experimento escolleuse unha molécula orgánica complexa que contén uns 5 protóns, 5 mil neutróns e 5 mil electróns. Nun experimento moi complexo, observouse a interferencia cuántica desta enorme molécula.

Isto confirmou a crenza de que As leis da mecánica cuántica obedecen non só ás partículas elementais, senón tamén a todos os obxectos materiais. Só que canto máis complexo é o obxecto, máis interactúa co medio, o que viola as súas sutís propiedades cuánticas e destrúe os efectos de interferencia..

Enredo cuántico e polarización da luz

Os resultados máis sorprendentes dos experimentos de dobre fenda proviñan do uso dun método especial de rastrexo do fotón, que non perturbaba o seu movemento de ningún xeito. Este método utiliza un dos fenómenos cuánticos máis estraños, o chamado enredo cuántico. Este fenómeno foi observado alá polos anos 30 por un dos principais creadores da mecánica cuántica, Erwin Schrödinger.

O escéptico Einstein (véxase tamén 🙂 chamoulles acción fantasmal a distancia. Non obstante, só medio século despois deuse conta do significado deste efecto, e hoxe converteuse nun tema de especial interese para os físicos.

De que trata este efecto? Se dúas partículas que están preto unha da outra nalgún momento no tempo interactúan tan fortemente entre si que forman unha especie de "relación xemelga", entón a relación persiste mesmo cando as partículas están separadas por centos de quilómetros. Entón as partículas compórtanse como un único sistema. Isto significa que cando realizamos unha acción sobre unha partícula, esta afecta inmediatamente a outra. Non obstante, deste xeito non podemos transmitir información atemporal a distancia.

Un fotón é unha partícula sen masa, unha parte elemental da luz, que é unha onda electromagnética. Despois de pasar por unha placa do cristal correspondente (chamada polarizador), a luz polarizase linealmente, é dicir. o vector campo eléctrico dunha onda electromagnética oscila nun determinado plano. Pola súa banda, ao facer pasar a luz polarizada linealmente a través dunha placa de certo grosor procedente doutro cristal en particular (a chamada placa de cuarto de onda), pódese converter en luz polarizada circularmente, na que o vector campo eléctrico móvese en forma helicoidal ( no sentido horario ou antihorario) movemento ao longo da dirección de propagación da onda. En consecuencia, pódese falar de fotóns polarizados linealmente ou circularmente.

Experimentos con fotóns enredados

4a. Un cristal BBO non lineal converte un fotón emitido por un láser de argón en dous fotóns entrelazados coa metade da enerxía e polarización mutuamente perpendicular. Estes fotóns dispáranse en diferentes direccións e son rexistrados polos detectores D1 e D2, conectados por un contador de coincidencias LK.No camiño dun dos fotóns colócase un diafragma con dúas fendas. Cando ambos detectores rexistran a chegada case simultánea de ambos fotóns, o sinal gárdase na memoria do dispositivo e o detector D2 vai paralelo ás fendas. O número de fotóns en función da posición do detector D2, así rexistrado, móstrase no cadro, mostrando os máximos e mínimos, indicando interferencia.

En 2001, un grupo de físicos brasileiros en Belo Horizonte actuou baixo a dirección de Stephen Walborn experimento inusual. Os seus autores utilizaron as propiedades dun cristal especial (abreviado BBO), que converte unha determinada parte dos fotóns emitidos por un láser de argón en dous fotóns coa metade da enerxía. Estes dous fotóns están enredados entre si; cando un deles ten, por exemplo, polarización horizontal, o outro ten polarización vertical. Estes fotóns móvense en dúas direccións diferentes e desempeñan diferentes papeis no experimento que se describe.

Un dos fotóns que imos poñer control, vai directamente ao detector de fotóns D1 (4a). O detector rexistra a súa chegada enviando un sinal eléctrico a un dispositivo chamado contador de hits. LK Realizarase un experimento de interferencia no segundo fotón; chamarémolo fotón de sinal. Hai unha dobre fenda no seu camiño, seguida dun segundo detector de fotóns, D2, lixeiramente máis lonxe da fonte de fotóns que do detector D1. Este detector pode saltar pola ranura dual cada vez que recibe o sinal axeitado do contador de hits. Cando o detector D1 rexistra un fotón, envía un sinal ao contador de coincidencias. Se nun momento o detector D2 tamén rexistra un fotón e envía un sinal ao medidor, entón recoñecerá que procede de fotóns enredados, e este feito quedará almacenado na memoria do dispositivo. Este procedemento exclúe o rexistro de fotóns aleatorios que entran no detector.

Os fotóns enredados persisten durante 400 segundos. Pasado este tempo, o detector D2 desprázase 1 mm con respecto á posición das fendas, e o reconto de fotóns enredados leva outros 400 segundos. A continuación, o detector volve moverse 1 mm e o procedemento repítese moitas veces. Resulta que a distribución do número de fotóns rexistrados deste xeito en función da posición do detector D2 ten máximos e mínimos característicos correspondentes a franxas claras e escuras e de interferencia no experimento de Young (4a).

Descubrimos de novo que os fotóns sinxelos que pasan pola fenda dobre interfiren entre si.

Como así?

O seguinte paso do experimento foi determinar o burato polo que pasaba un fotón particular sen perturbar o seu movemento. Propiedades usadas aquí placa de cuarto de onda. Colocouse unha placa de cuarto de onda diante de cada fenda, unha das cales cambiou a polarización lineal do fotón incidente a circular no sentido horario e a outra polarización circular á esquerda (4b). Verificouse que o tipo de polarización dos fotóns non afectaba ao número de fotóns contados. Agora, determinando a rotación da polarización do fotón despois de que este pasou polas fendas, é posible indicar por cal delas pasou o fotón. Saber "en que dirección" destrúe as interferencias.

4b. Ao colocar placas de cuarto de onda (rectángulos sombreados) diante das fendas, pódese obter información "de que xeito" e desaparecerá a imaxe de interferencia.

4c. Colocar un polarizador P orientado adecuadamente diante do detector D1 borra a información de "en que sentido" e restablece a interferencia.

De feito, despois da correcta colocación das placas de cuarto de onda diante das fendas, desaparece a distribución de contas observada anteriormente, indicativa de interferencia. O máis estraño é que isto ocorre sen a participación dun observador consciente que poida facer as medidas oportunas! A mera colocación de placas de cuarto de onda produce un efecto de cancelación de interferencias.. Entón, como sabe o fotón que despois de inserir as placas, podemos determinar o oco polo que pasou?

Non obstante, este non é o final da estrañeza. Agora podemos restaurar a interferencia dos fotóns de sinal sen afectala directamente. Para iso, no camiño do fotón de control que chega ao detector D1, coloque un polarizador de forma que transmita luz cunha polarización que é unha combinación das polarizacións de ambos fotóns enredados (4c). Isto cambia inmediatamente a polaridade do fotón do sinal en consecuencia. Agora xa non é posible determinar con certeza cal é a polarización dun fotón que incide nas fendas e por que fenda pasou o fotón. Neste caso, a interferencia é restaurada!

Borrar a información de selección retardada

Os experimentos descritos anteriormente realizáronse de tal xeito que o fotón de control foi rexistrado polo detector D1 antes de que o fotón de sinal chegase ao detector D2. O borrado da información "de que xeito" realizouse cambiando a polarización do fotón de control antes de que o fotón do sinal chegase ao detector D2. Entón pódese imaxinar que o fotón controlador xa lle dixo ao seu "xemelgo" o que debe facer a continuación: intervir ou non.

Agora modificamos o experimento de tal xeito que o fotón de control choque co detector D1 despois de que o fotón de sinal se rexistre no detector D2. Para iso, afasta o detector D1 da fonte de fotóns. O patrón de interferencia ten o mesmo aspecto que antes. Agora imos colocar placas de cuarto de onda diante das fendas para determinar o camiño que tomou o fotón. O patrón de interferencia desaparece. A continuación, imos borrar a información de "en que sentido" colocando un polarizador orientado adecuadamente diante do detector D1. O patrón de interferencia aparece de novo! Non obstante, o borrado fíxose despois de que o fotón do sinal fora rexistrado polo detector D2. Como é posible isto? O fotón tivo que ser consciente do cambio de polaridade antes de que calquera información sobre el puidese chegar a el.

5. Experimentos cun raio láser.

A secuencia natural dos acontecementos invírtese aquí; o efecto precede á causa! Este resultado socava o principio de causalidade na realidade que nos rodea. Ou quizais o tempo non importa cando se trata de partículas enredadas? O enredo cuántico viola o principio de localización da física clásica, segundo o cal un obxecto só pode ser afectado polo seu entorno inmediato.

Desde o experimento brasileiro, realizáronse moitos experimentos similares, que confirman plenamente os resultados aquí presentados. Ao final, o lector quere explicar claramente o misterio destes fenómenos inesperados. Desafortunadamente, isto non se pode facer. A lóxica da mecánica cuántica é diferente da lóxica do mundo que vemos todos os días. Debemos aceptalo humildemente e alegrarnos polo feito de que as leis da mecánica cuántica describen con precisión os fenómenos que ocorren no microcosmos, que son útiles en dispositivos técnicos cada vez máis avanzados.