Aig cridhe meacanaig quantum

Bha Richard Feynman, fear de na fiosaichean as motha san XNUMXmh linn, ag argamaid gur e an “deuchainn slit dùbailte” an rud as cudromaiche airson meacanaig cuantamach a thuigsinn. Tha an deuchainn bun-bheachdail seo, a chaidh a dhèanamh an-diugh, a’ leantainn air adhart a’ toirt a-mach lorgan iongantach. Bidh iad a’ sealltainn cho neo-chòrdail ri ciall cumanta ’s a tha meacanaig quantum, a lean gu mu dheireadh gu na h-innleachdan as cudromaiche anns an leth-cheud bliadhna mu dheireadh.

Airson a’ chiad uair rinn e deuchainn dà-slit. Tòmas Òg (1) ann an Sasainn tràth san naoidheamh linn deug.

An deuchainn aig Young

Chaidh an deuchainn a chleachdadh gus sealltainn gur e tonn a th’ ann an solas agus nach ann de nàdar corporra, mar a chaidh a ràdh roimhe. Isaac Newton. Sheall Young dìreach gu bheil solas a 'gèilleadh eadraiginn - iongantas a tha na fheart as sònraichte (ge bith dè an seòrsa tonn agus am meadhan anns a bheil e ag iomadachadh). An-diugh, tha meacanaig quantum a’ rèiteachadh an dà shealladh sin a tha an-aghaidh loidsigeach.

Cuimhnichidh sinn brìgh an deuchainn dà-slit. Mar as àbhaist, tha mi a 'ciallachadh tonn air uachdar an uisge a tha a' sgaoileadh gu concentrically timcheall an àite far an deach a 'mhòine a thilgeil. 

Tha tonn air a chruthachadh le suaicheantasan leantainneach agus amaran a tha a 'ruith bho àite buairidh, agus aig an aon àm a' cumail astar cunbhalach eadar na suaicheantasan, ris an canar an tonn-tonn. Faodar cnap-starra a chuir ann an slighe na tonn, mar eisimpleir, ann an cruth bòrd le dà shliotan cumhang air an gearradh tron ​​​​urrainn uisge sruthadh gu saor. A 'tilgeil chlachan dhan uisge, stadaidh an tonn air an sgaradh - ach chan eil sin buileach. Tha dà thonn cuimseach ùr (2) a-nis a’ gluasad gu taobh eile na sgaradh bhon dà shliotan. Tha iad air an cur thairis air a chèile, no, mar a chanas sinn, a 'cur bacadh air a chèile, a' cruthachadh pàtran sònraichte air an uachdar. Ann an àiteachan far a bheil suaicheantas aon tuinne a’ coinneachadh ri suaicheantas eile, bidh an t-uisge a’ dol am meud, agus far a bheil an lag a’ coinneachadh ris a’ ghleann, bidh an trom-inntinn a’ doimhneachadh.

2. Eadar-theachd tonnan a 'nochdadh bho dhà shliotan.

Ann an deuchainn Young, bidh solas aon-dath a thèid a sgaoileadh bho thùs puing a’ dol tro dhiaphragm neo-shoilleir le dà shlait agus a’ bualadh air an sgrion air an cùlaibh (an-diugh b’ fheàrr leinn solas laser agus CCD a chleachdadh). Thathas a’ coimhead air ìomhaigh eadar-theachd de thonn aotrom air an sgrion ann an cruth sreath de stiallan aotrom is dorcha mu seach (3). Dhaingnich an toradh seo am beachd gur e tonn a bh’ ann an solas, mus do nochd lorgan tràth anns na XNUMXn gur e tonn a bh’ ann an solas cuideachd. flux photon tha iad nam mìrean aotrom aig nach eil tomad fois. Nas fhaide air adhart thionndaidh e a-mach gu robh an dìomhair dualachd tonn-ghràina chaidh a lorg an toiseach airson solas cuideachd a’ buntainn ri mìrean eile le tomad. Cha b’ fhada gus an robh e na bhunait airson tuairisgeul meacanaigeach quantum ùr air an t-saoghal.

3. Sealladh deuchainn Young

Bidh na mìrean cuideachd a 'cur bacadh air

Ann an 1961, sheall Klaus Jonsson bho Oilthigh Tübingen mar a chaidh mìrean mòra a-steach - dealanan a’ cleachdadh miocroscop dealanach. Deich bliadhna às deidh sin, rinn triùir eòlaiche-fiosaig Eadailteach bho Oilthigh Bologna deuchainn coltach ris eadar-theachd dealanach singilte (a 'cleachdadh biprism ris an canar an àite slit dùbailte). Lùghdaich iad dian an t-seam dealanach gu luach cho ìosal is gun deach na dealanan tron ​​​​biprism aon às deidh a chèile, aon às deidh a chèile. Chaidh na dealanan sin a chlàradh air scrion flùraiseach.

An toiseach, chaidh na slighean dealanach a sgaoileadh air thuaiream thairis air an sgrion, ach thar ùine chruthaich iad ìomhaigh eadar-theachd sònraichte de na h-oirean eadar-theachd. Tha e coltach gu bheil e eu-comasach gum faodadh dà eleactron a tha a’ dol tro na slits an dèidh a chèile aig diofar amannan bacadh a chur air a chèile. Mar sin, feumaidh sinn sin aideachadh tha aon electron a’ cur bacadh air fhèin! Ach an uairsin dh'fheumadh an dealan a dhol tron ​​​​dà shlait aig an aon àm.

Is dòcha gu bheil e tàmailteach a bhith a’ coimhead air an toll tro bheil an dealan a’ dol seachad. Nas fhaide air adhart chì sinn mar a nì sinn a leithid de shealladh gun a bhith a’ cur dragh air gluasad an dealanach. Tha e a 'tionndadh a-mach ma gheibh sinn fiosrachadh mu na fhuair an dealanach, an sin an eadar-theachd ... falbhaidh! Tha fiosrachadh “mar” a’ sgrios eadar-theachd. A bheil seo a’ ciallachadh gu bheil làthaireachd neach-amhairc mothachail a’ toirt buaidh air cùrsa a’ phròiseas fiosaigeach?

Mus bruidhinn mi mu na toraidhean eadhon nas iongantaiche de dheuchainnean le slit dùbailte, nì mi mion-sgrùdadh beag air meud nithean eadar-theachd. Chaidh eadar-theachd cuantamach de stuthan mòra a lorg an toiseach airson dealanan, an uairsin airson gràinean le meud a tha a’ sìor fhàs: neutronan, protonaichean, dadaman, agus mu dheireadh airson moileciuilean mòra ceimigeach.

Ann an 2011, chaidh an clàr airson meud nì a bhriseadh, air an deach iongantas eadar-theachd cuantamach a nochdadh. Chaidh an deuchainn a dhèanamh aig Oilthigh Vienna le oileanach dotaireil aig an àm. Sandra Eibenberger agus a companaich. Chaidh moileciuil organach iom-fhillte anns a bheil timcheall air 5 protons, 5 mìle neutron agus 5 mìle dealanan a thaghadh airson an deuchainn le dà bhriseadh! Ann an deuchainn gu math toinnte, chaidh eadar-theachd cuantamach a’ mholacail mhòir seo fhaicinn.

Dhearbh seo an creideas sin Tha laghan meacanaig quantum a’ cumail chan ann a-mhàin ri mìrean bunasach, ach cuideachd a h-uile stuth stuthail. Is ann dìreach mar as iom-fhillte a tha an nì, is ann as motha a bhios e ag eadar-obrachadh leis an àrainneachd, a bhriseas na feartan cuantamach seòlta aige agus a sgriosas buaidhean eadar-theachd..

Quantum dol an sàs agus polarachadh solais

Thàinig na toraidhean as iongantaiche de na deuchainnean dà-slit bho bhith a 'cleachdadh dòigh sònraichte airson a bhith a' lorg a 'photon, nach do chuir dragh air a ghluasad ann an dòigh sam bith. Bidh an dòigh seo a 'cleachdadh aon de na h-uinneanan cuantamach as annasaiche, ris an canar sàthadh cuantamach. Chaidh an t-iongantas seo a thoirt fa-near anns na 30n le fear de phrìomh luchd-cruthachaidh meacanaig cuantamach, Erwin Schrödinger.

Thug an Einstein teagmhach (faic cuideachd 🙂 an t-ainm taibhseil orra aig astar. Ach, dìreach leth-cheud bliadhna às deidh sin chaidh cudromachd a ’bhuaidh seo a thoirt gu buil, agus an-diugh tha e air a thighinn gu bhith na chuspair anns a bheil ùidh shònraichte aig fiosaigs.

Cò mu dheidhinn a tha a’ bhuaidh seo? Ma tha dà ghràin a tha faisg air a chèile aig àm air choreigin ag eadar-obrachadh cho làidir ri chèile is gu bheil iad nan seòrsa de “dàimh càraid”, mairidh an dàimh eadhon nuair a tha na gràinean ceudan de chilemeatairean bho chèile. An uairsin bidh na gràinean gan giùlan mar aon shiostam. Tha seo a’ ciallachadh nuair a nì sinn gnìomh air aon phìos, bheir e buaidh sa bhad air gràin eile. Ach, san dòigh seo chan urrainn dhuinn fiosrachadh a sgaoileadh thar astar.

Is e mìrean gun tomad a th’ ann am photon - pàirt bunaiteach de sholas, a tha na tonn electromagnetic. Às deidh dha a dhol tro phlàta den chriostal co-fhreagarrach (ris an canar polarizer), bidh an solas a’ fàs polarachadh sreathach, i.e. bidh vectar raon dealain tonn electromagnetic a’ oscillates ann am plèana sònraichte. An uair sin, le bhith a’ dol seachad air solas polarichte sreathach tro phlàta de thiugh sònraichte bho chriostal sònraichte eile (an truinnsear cairteal-tonn ris an canar), faodar a thionndadh gu bhith na sholas cruinn polarichte, anns am bi an vectar raon dealain a’ gluasad ann an helical ( deiseal no tuathal) gluasad an cois gluasad nan tonn. Mar sin, faodaidh duine bruidhinn air photons sreathach no cearcallach.

Deuchainnean le photons an sàs

4a. Bidh criostal BBO neo-shreathach a’ tionndadh photon air a sgaoileadh le leusair argon gu dà photon ceangailte le leth an lùth agus polarachadh ceart-cheàrnach. Bidh na photons sin a’ sgapadh ann an diofar stiùiridhean agus air an clàradh le lorgairean D1 agus D2, ceangailte le cuntair co-thuiteamas LK Tha diaphragm le dà slits air a chuir ann an slighe aon de na photons. Nuair a chlàras an dà lorgaire ruighinn cha mhòr aig an aon àm den dà photons, tha an comharra air a stòradh mar chuimhneachan air an inneal, agus tha an lorgaire D2 a’ dol co-shìnte ris na sliotan. Tha an àireamh de photons a rèir suidheachadh an lorgaire D2, mar sin air a chlàradh, air a shealltainn anns a 'bhogsa, a' sealltainn an ìre as àirde agus as ìsle, a 'sealltainn eadar-theachd.

Ann an 2001, chluich buidheann de luchd-fiosaig Brazilach ann am Belo Horizonte fo stiùireadh Stephen Walborn deuchainn neo-àbhaisteach. Chleachd na h-ùghdaran aige feartan criostal sònraichte (air a ghiorrachadh mar BBO), a thionndaidheas pàirt sònraichte de na photons a chaidh a sgaoileadh le laser argon gu dà photons le leth an lùth. Tha an dà photon seo ceangailte ri chèile; nuair a tha polarachadh còmhnard aig aon dhiubh, mar eisimpleir, tha polarachadh dìreach aig an fhear eile. Bidh na photons sin a’ gluasad ann an dà shlighe eadar-dhealaichte agus a’ cluich diofar dhleastanasan anns an deuchainn a chaidh a mhìneachadh.

Aon de na photons a tha sinn a 'dol a dh' ainmeachadh smachd, a’ dol gu dìreach chun lorgaire photon D1 (4a). Bidh an lorgaire a’ clàradh mar a thàinig e le bhith a’ cur comharra dealain gu inneal ris an canar hit counter. LK Thèid deuchainn eadar-theachd a dhèanamh air an dàrna photon; canaidh sinn e comharra photon. Tha slit dhùbailte na shlighe, agus an uairsin lorgar photon eile, D2, beagan nas fhaide bhon stòr photon na lorgaire D1. Faodaidh an lorgaire seo leum timcheall an t-slot dhùbailte gach uair a gheibh e comharra iomchaidh bhon chunntair bhuail. Nuair a chlàras lorgaire D1 photon, bidh e a’ cur comharra chun chunntair co-thuiteamas. Ma tha an lorgaire D2 cuideachd a 'clàradh photon ann an tiotan agus a' cur comharra chun a 'mheatair, aithnichidh e gu bheil e a' tighinn bho photons ceangailte, agus thèid an fhìrinn seo a stòradh mar chuimhneachan air an inneal. Tha am modh-obrach seo a’ dùnadh a-mach clàradh photons air thuaiream a’ tighinn a-steach don lorgaire.

Mairidh photons ceangailte airson 400 diog. Às deidh na h-ùine seo, tha an lorgaire D2 air a chuir air falbh le 1 mm a thaobh suidheachadh nan slits, agus bheir cunntadh photons ceangailte 400 diog eile. An uairsin thèid an lorgaire a ghluasad a-rithist le 1 mm agus thèid am modh-obrach ath-aithris iomadh uair. Tha e a’ tionndadh a-mach gu bheil an àireamh de photons a chaidh a chlàradh san dòigh seo a rèir suidheachadh an lorgaire D2 aig a bheil maxima agus minima sònraichte a rèir iomallan solais is dorcha agus eadar-theachd ann an deuchainn Young (4a).

Bidh sinn a’ faighinn a-mach sin a-rithist bidh photons singilte a 'dol tron ​​​​t-slit dhùbailte a' cur bacadh air a chèile.

Ciamar?

B 'e an ath cheum anns an deuchainn a bhith a' dearbhadh an toll tron ​​​​bheil photon sònraichte a 'dol seachad gun a bhith a' cur dragh air a ghluasad. Feartan air an cleachdadh an seo clàr ceathramh tonn. Chaidh truinnsear cairteal-tonn a chuir air beulaibh gach slit, agus dh’ atharraich aon dhiubh polarachadh sreathach an fhoton tachartais gu cearcall deiseal, agus am fear eile gu polarachadh cruinn air an làimh chlì (4b). Chaidh a dhearbhadh nach tug an seòrsa polarachadh photon buaidh air an àireamh de photons a chaidh an cunntadh. A-nis, le bhith a’ dearbhadh cuairteachadh polarachadh an fhoton às deidh dha a dhol tro na slits, tha e comasach innse cò dhiubh a tha am foton air a dhol seachad. Le bhith eòlach air "dè an taobh" a 'sgrios eadar-theachd.

4b. Le bhith a 'cur plataichean ceathramh-tonn (ceart-cheàrnach le sgàil) air beulaibh nan sliotain, gheibhear fiosrachadh "dè an dòigh" agus falbhaidh an ìomhaigh eadar-theachd.

4c. Le bhith a’ cur polarizer P air a stiùireadh gu h-iomchaidh air beulaibh lorgaire D1 bidh e a’ sguabadh às an fhiosrachadh “dè an dòigh” agus ag ath-nuadhachadh an eadar-theachd.

Gu dearbh, às deidh na truinnsearan cairteal-tonn a shuidheachadh gu ceart air beulaibh na sliotan, bidh an cuairteachadh cunntais a chaidh fhaicinn roimhe, mar chomharra air eadar-theachd, a’ dol à sealladh. Is e an rud as neònach gu bheil seo a’ tachairt às aonais com-pàirt neach-amhairc mothachail as urrainn na tomhasan iomchaidh a dhèanamh! Tha dìreach suidheachadh lannan cairteal-tonn a’ toirt a-mach buaidh cuir às do eadar-theachd.. Mar sin ciamar a tha fios aig a’ photon, às deidh dhuinn na truinnsearan a chuir a-steach, gun urrainn dhuinn a ’bheàrn tron ​​​​deach e seachad a dhearbhadh?

Ach, chan e seo deireadh an neònach. A-nis is urrainn dhuinn eadar-theachd comharra photon a thoirt air ais gun a bhith a’ toirt buaidh dhìreach air. Gus seo a dhèanamh, ann an slighe an lorgaire photon smachd D1, cuir polarizer ann an dòigh a bhios e a ’sgaoileadh solas le polarachadh a tha na mheasgachadh de polarizations an dà chuid photons ceangailte (4c). Bidh seo sa bhad ag atharrachadh polarity photon nan comharran a rèir sin. A-nis chan eil e comasach tuilleadh faighinn a-mach le cinnt dè a th’ ann am polarachadh tachartas photon air na sliotan, agus tron ​​​​t-slit a chaidh am foton seachad. Anns a 'chùis seo, tha bacadh air ath-nuadhachadh!

Sguab às fiosrachadh taghaidh dàil

Chaidh na deuchainnean a chaidh a mhìneachadh gu h-àrd a dhèanamh ann an dòigh a chaidh am foton smachd a chlàradh leis an lorgaire D1 mus do ràinig am photon comharra an lorgaire D2. Chaidh cur às don fhiosrachadh “dè an t-slighe” le bhith ag atharrachadh polarachadh an fhoton smachd mus do ràinig am photon comharra lorgaire D2. An uairsin faodaidh duine smaoineachadh gu bheil am foton smachd air innse dha "càraid" dè a bu chòir a dhèanamh an ath rud: eadar-theachd no nach eil.

A-nis bidh sinn ag atharrachadh an deuchainn gus am bi am foton smachd a’ bualadh air lorgaire D1 às deidh don photon comharra a bhith clàraichte aig lorgaire D2. Gus seo a dhèanamh, gluais an lorgaire D1 air falbh bhon stòr photon. Tha am pàtran eadar-theachd a 'coimhead mar a bha e roimhe. A-nis cuiridh sinn truinnsearan ceathramh tonn air beulaibh na sliotan gus faighinn a-mach dè an t-slighe a ghabh am foton. Bidh am pàtran eadar-theachd a’ dol à sealladh. An uairsin, sguabaidh sinn às am fiosrachadh "dè an dòigh" le bhith a 'cur polarizer air a stiùireadh gu h-iomchaidh air beulaibh lorgaire D1. Tha am pàtran eadar-theachd a’ nochdadh a-rithist! Ach chaidh an sgrios a dhèanamh às deidh don photan comharra a bhith air a chlàradh leis an lorgaire D2. Ciamar a tha seo comasach? Dh'fheumadh am foton a bhith mothachail mun atharrachadh polarity mus ruigeadh fiosrachadh sam bith mu dheidhinn.

5. Deuchainnean le beam laser.

Tha an sreath nàdarra de thachartasan air a thionndadh air ais an seo; buaidh air thoiseach air an adhbhar! Tha an toradh seo a’ lagachadh prionnsapal adhbharachd anns an fhìrinn mun cuairt oirnn. No is dòcha nach eil ùine gu diofar cuin a thig e gu gràineanan a tha ceangailte? Tha dol an sàs cuantamach a’ dol an aghaidh prionnsapal sgìre ann am fiosaig chlasaigeach, a rèir nach urrainn nì a bhith fo bhuaidh ach an àrainneachd faisg air làimh.

Bho dheuchainn Brazilach, chaidh mòran de dheuchainnean coltach ris a dhèanamh, a tha a 'dearbhadh gu tur na toraidhean a tha air an taisbeanadh an seo. Aig a’ cheann thall, bu mhath leis an leughadair dìomhaireachd nan iongantasan ris nach robh dùil a mhìneachadh gu soilleir. Gu mì-fhortanach, chan urrainn seo a dhèanamh. Tha loidsig meacanaig quantum eadar-dhealaichte bho loidsig an t-saoghail a chì sinn a h-uile latha. Feumaidh sinn gabhail ri seo gu h-iriosal agus gàirdeachas a dhèanamh leis gu bheil laghan meacanaig cuantamach a’ toirt cunntas ceart air na h-uinneanan a tha a’ nochdadh anns a’ mhicrocosm, a tha air an cleachdadh gu feumail ann an innealan teicnigeach a tha a’ sìor fhàs nas adhartaiche.