Опыт с двумя щелями: Двухщелевой опыт Юнга — все самое интересное на ПостНауке

Опыт с двумя щелями . Фейнман. Квантовая электродинамика [Когда фотон встречает электрон]

Ричард Фейнман утверждал, что этот опыт скрывает в себе тайну и волшебство квантовой теории:

«[Это] явление, которое невозможно, абсолютно невозможно объяснить с помощью классической теории и которое содержит в себе самую суть квантовой механики. Здесь коренится тайна».

РИС.З

Волна приближается к перегородке, в которой на небольшом расстоянии друг от друга прорезаны две очень узкие щели. При прохождении волны каждая из щелей сама становится источником волн, взаимодействующих между собой, образуя на экране детектора характерное изображение.

В 2002 году журнал Physics World опросил физиков, какой из экспериментов в истории, по их мнению, был самым красивым: первое место занял эксперимент с двумя щелями. Но более удивительным является то, что между теоретическим обоснованием и практической реализацией этого опыта прошло 30 лет. Изначально имел место мысленный эксперимент. А в 1961 году, когда квантовая теория уже хорошо себя зарекомендовала, немецкий физик Клаус Йонссон из Тюбингенского университета провел опыт и опубликовал данные в журнале Zeitschrift fur Physik.

Впервые подобный эксперимент был поставлен в 1801 году, когда английский ученый Томас Юнг изложил идею об интерференции света. Один из опытов состоял в том, чтобы осветить пластинку, в которой были сделаны две маленькие щели, и наблюдать интерференционную картину, которая появлялась на экране, расположенном сзади (рисунок 3). Каждая щель сама становится источником света; взаимодействуя друг с другом, эти источники образуют видимую интерференционную картину на экране. Вот наблюдаемый на экране результат: освещенная полоса в центре экрана, точно посередине между двумя щелями, темные полосы с двух сторон от нее, и дальше в обе стороны продолжается чередование освещенных и темных полос, причем чем дальше от центра, тем менее яркими становятся освещенные полосы. Это и называют картиной интерференции (рисунок 3): рисунок, способный появиться только при условии, что свет распространяется как волна, — идея, которую Юнг противопоставлял мнению Ньютона.

РИС. 4

Как показывает схема, темные и освещенные линии, которые наблюдаются во время опыта с двойной щелью, своим появлением обязаны волнам, взаимодействующим между собой, суммируя свои амплитуды (высоту своей вершины), если их фазы совпадают, или компенсируя их, если они находятся в противофазе.

В настоящее время в опыт вводят маленькое изменение, об этом Фейнман рассказывал в своих лекциях. Прежде всего, представим пулемет, который выстреливает пули в устройство, подобное тому, что придумал Юнг, но в котором каждая щель имеет заслонку, позволяющую закрыть ее по нашему желанию. Разумеется, щели имеют такой размер, чтобы пуля могла пройти сквозь них. Итак, мы начинаем стрелять из нашего пулемета, закрывая одну из этих двух щелей. Вот полученный результат: за исключением нескольких пуль, задевших края щели или отскочивших в совсем непредвиденном направлении, пули попали в экран, расположенный напротив открытой щели. Если сейчас мы откроем вторую из щелей, то пули попадут в экран напротив каждого из двух отверстий. Важный момент: попадание пуль в экран напротив одной из щелей не зависит от открытия или закрытия второй щели.

Давайте воспроизведем этот же опыт со светом. Если мы закроем одну из щелей, то на экране отобразится полоса света, которая теряет яркость к своим границам. Если же мы откроем вторую щель, то увидим, что, в отличие от примера с пулями, на экране появятся не две яркие полосы, а картина интерференции Юнга. Таким образом, изображение на экране зависит от открытия или закрытия второй щели.

Волновые функции

Согласно квантовой теории, любой частице сопоставляется «волновая функция», описанная в уравнении Шрёдингера. Она становится более «интенсивной» в той области пространства, в которой можно надеяться встретить электрон. По мере того как мы удаляемся от этой области, волновая функция ослабевает, но она никогда не исчезает, именно поэтому всегда есть вероятность встретить электрон в определенной зоне пространства.

Когда электрон обнаруживается, волновая функция «быстро исчезает», и тогда мы тотчас и точно узнаем о его местоположении. Но в момент, когда мы прекращаем наблюдение, «волновая функция распространяется заново по всему пространству и взаимодействуете волновыми функциями других электронов, и даже, при определенных условиях, с самой собой», — по словам британского физика Джона Гриббина.

Эрвин Шрёдингер.

Волновая механика, созданная Эрвином Шрёдингером (1887-1961), основывается на решении этого уравнения для различных физических ситуаций.

Что же произойдет, если мы воспроизведем то же самое с электронами? Если мы закрываем одну из щелей, то наблюдаем тот же самый результат, что и во время опыта с пулями. Однако самое странное возникает тогда, когда мы открываем вторую щель: в таком случае мы видим, как на экране формируется картина интерференции, полученная в ходе опыта со светом! Именно такой вывод и сделал Дэвиссон в 1927 году: электроны ведут себя как волны в бассейне.

Мы могли бы подумать, что испускаемые электроны одновременно проходят через щели и, взаимодействуя, накладываются друг на друга, как и положено волнам материи, о которых писал де Бройль. Для проверки сократим частоту выстрелов электронов, чтобы они выходили в меньшем количестве за один раз. Наш экран подсоединен к счетчикам Гейгера, подающим сигнал («клик») каждый раз, когда их касается один электрон (не будем забывать, что счетчики Гейгера обнаруживают частицы, а не волны). Мы начинаем выстреливать электроны по одному таким образом, что наша пушка выбрасывает следующий электрон только тогда, когда раздается сигнал, означающий попадание предыдущего электрона в экран. Через определенный срок, будучи уверенными в том, что выпустили достаточное количество электронов, мы начинаем изучать распределение попаданий в экран и видим, опять же, волновую картину интерференции! Как это возможно? Электрон взаимодействует сам с собой? Похоже, эксперимент указывает именно на это. Но если он ведет себя как волна, тогда почему счетчики Гейгера реагировали на него, сообщая, что в экран попала частица? Иными словами: картина интерференции говорит нам о том, что электрон пересекает две щели в одно и то же время, затем взаимодействует сам с собой и ведет себя при этом как волна. Но в то же время счетчик Гейгера обнаруживает его на экране, и следовательно, он — частица. Это просто безумие!

Действительно ли электрон проходит через две щели? Вот что легко доказать. Давайте поставим перед одной из щелей детектор, регистрирующий событие прохождения электрона сквозь нее, и повторим опыт. Нас ждет новый сюрприз: электроны перестают вести себя как волны и начинают вести себя как классические частицы, пролетая либо через первую, либо через вторую щель, но не через две одновременно, образуя на экране только две полосы напротив каждой из щелей. Как только детектор выключали, восстанавливалась прежняя интерференционная картина.

В заключение можно сказать, что в микромире наш повседневный опыт ничего не стоит. Существует фундаментальная неопределенность в природе, мешающая нам, например, одновременно точно измерить скорость и расположение одной частицы или энергию и продолжительность данного процесса. Объяснение заключается в невозможности отделить явление от процесса наблюдения. Наблюдая, мы изменяем мир тем, что постигаем его именно таким способом, а не каким-либо иным. И каким мы увидим электрон — как волну или как частицу — зависит от того, что мы хотим видеть. И еще одно: мы не можем утверждать, что электрон перемещается из одной точки в другую по определенной траектории; нам необходимо отбросить понятие «пути». Электроны не следуют по определенным траекториям, как это делают пули станкового пулемета. Когда атом поглощает фотон и электрон поднимается на более высокую орбиту, то он достигает ее мгновенно, не пересекая промежуточное пространство. Электрон перестает существовать в одном месте, чтобы одновременно появиться в другом: в этом и состоит удивительный и невероятный квантовый скачок.

Все это наглядно показывает, каким запутанным делом может быть изучение физики — науки, с которой Ричард Фейнман связал свою жизнь.

Эффект наблюдателя: что это, эксперименты и критика

Зная, что за ними наблюдают, люди начинают вести себя не так, как обычно. То же самое происходит с электронами. Рассказываем, как работает эффект наблюдателя

Что такое эффект наблюдателя

Эффект наблюдателя — это теория, что наблюдение за явлением изменяет свойства этого явления.

Рассматривая любой объект в мире вокруг нас, мы знаем, что этот объект остается одним и тем же — независимо от того, где, когда и как мы на него смотрим. Заявление о том, что время и способ, которым мы смотрим на предмет, меняют внешний вид или свойства предмета, звучит абсурдно в повседневной жизни. Но не для науки.

Эффект наблюдателя хорошо известен в квантовой механике: в зависимости от присутствия или отсутствия наблюдателя, электроны ведут себя двояко — как частицы или как волны. Проявления эффекта можно найти и в других областях, таких как социология, психология, лингвистика и компьютерные науки. Тем не менее, самые известные случаи относятся именно к физике. В других науках феномен менее изучен.

То, как наблюдатель влияет на ситуацию, важно не только для фундаментальных исследований, но для практического применения: например, в ситуационном менеджменте при учете влияния каждой конкретной ситуации на всю систему. Или в психологии, а также в любой деятельности, где важна связь между процессом наблюдения и наблюдателем.

Но иногда эффект наблюдателя — это просто следствие некорректного применения измерительных приборов или ошибок исследователя. Он исчезает, если использовать более эффективные инструменты или изменить методы наблюдения.

Эффект наблюдателя в квантовой физике

В квантовой механике «наблюдателем» является измерительный прибор, который фиксирует явление. Самые известные примеры «эффекта наблюдателя» в физике — мысленный эксперимент с котом Шредингера и опыт с двумя щелями Томаса Юнга.

Эксперимент с двумя щелями

Опыт с двумя щелями был проведен английским ученым Томасом Юнгом (Thomas Young) впервые в 1803 году. Он продемонстрировал его как подтверждение, что свет — это волна, а не поток частиц (корпускул). Впоследствии эксперимент Юнга повторяли другие ученые с разными объектами: электронами, отдельными фотонами и молекулами. Сейчас опыт Юнга — классическое доказательство того, что свет и материя в целом могут проявлять характеристики как волны, так и частицы.

Как действует «эффект наблюдателя» в эксперименте Юнга: если наблюдателя нет, то электроны, проходя сразу через две щели, ведут себя как волны. Когда наблюдатель возникает и пытается определить, через какую именно из щелей пролетели электроны, то они начинают вести себя как частицы

(Фото: futurita.ru )

Вопрос, как электрон «узнает», что за ним наблюдают, и почему изменяет свое «поведение», кажется одним из самых трудных для понимания в квантовой механике.

Кирилл Половников, кандидат физико-математических наук, популяризатор науки:

«Квантовые частицы (электроны, атомы или молекулы) настолько малы, что любые измерительные приборы неизбежно оказывают на них влияние. И это не техническая проблема, а принципиальная — природа так устроена, что мы никак не можем устранить это влияние. Самим фактом измерения мы меняем состояние квантового объекта.

Чтобы пронаблюдать электрон, мы вынуждены его «подсветить», т.е. направить на него поток фотонов — частиц света. Это самое малое воздействие, которому мы можем подвергнуть частицу. Фотоны взаимодействуют с ним и неизбежно изменяют его характеристики. Причем это изменение будет тем больше, чем точнее наше измерение, т.е. чем сильнее было наше воздействие. Именно поэтому после наблюдения электроны начинают вести себя иначе».

Ученые института Вейцмана (Weizmann Institute of Science), повторяя эксперимент, обнаружили: если они меняют параметры прибора-наблюдателя, заставляя его «видеть» больше или меньше электронов, то меняется и поведение этих электронов. В микромире любая попытка наблюдения или измерения меняет всю квантовую систему.

Мысленный эксперимент с котом Шредингера

Мысленный эксперимент с котом предложил в 1935 году австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер. Очень упрощенно он звучит так: в стальном ящике заперта кошка — вместе со смертельным механизмом, который активируется при распаде радиоактивного атома внутри него. Если атом распадется в течение часа, механизм сработает и кошка умрет. Но есть 50%-ная вероятность, что через час атом не распадется, и тогда кошка останется жива.

Кот Шредингера в закрытом ящике в ожидании своей участи

(Фото: dreamstime.com)

Мы узнаем, жива кошка или нет, только тогда, когда откроем ящик. До этого момента кошка, также как и радиоактивный атом, существует сразу в обоих состояниях: она и жива и мертва одновременно. С бытовой точки зрения звучит парадоксально, но в квантовой механике это обычное явление, когда физическая система находится одновременно в нескольких квантовых состояниях.

Такие состояния называются суперпозицией: в отсутствии наблюдателя кошка, сидящая в ящике, находится в суперпозиции состояния-1 «жива» и состояния-2 «мертва». Точно также как электрон из двухщелевого эксперимента, описанного выше, может проходить сразу через обе щели. Но если наблюдатель вмешается, т.е. физически воздействует на систему, то и кот, и электрон перейдут в какое-то одно состояние. Таким образом, на микроуровне сам факт измерения «заставляет» объект выбрать конкретное состояние.

Эффект наблюдателя в психологии

Одним из самых первых проявлений эффекта наблюдателя в социальной психологии считается эксперимент на фабрике Western Electric в США. Группа ученых во главе с психологом Джорджем Элтоном Мэйо (George Elton Mayo) меняла условия труда на фабрике, пытаясь понять, какие именно из них оказывают наибольшее влияние на производительность. Эксперимент проводился в несколько этапов и длился в общей сложности 8 лет.

Даже в тех случаях, когда условия труда были тяжелыми и непривычными, рабочие фабрики сохранили производительность, а в некоторых случаях даже стали работать эффективнее. Исследователи пришли к выводу, что на поведение рабочих положительно повлияло присутствие наблюдателей и понимание, что они участвуют в важном эксперименте. Иными словами, люди изменяли свое поведение, потому что за ними наблюдали. Это феномен был позже назван «эффектом Хоторна» (Hawthorne effect).

У исследователей пока нет о нем единого мнения. Они до сих пор задаются, вопросами, при каких условиях он возникает и какого размаха может достичь. В 2013 году ученые рассмотрели 19 исследований с данными о феномене. Они указали, что, хотя проявления эффекта Хоторна действительно существуют, собранных материалов недостаточно, чтобы сделать однозначные выводы.

Но эксперимент на фабрике помог психологу Мэйо сформулировать свою доктрину человеческих отношений. Один из главных ее принципов — важность сотрудничества между руководством и работниками. Мейо полагал, что межличностные отношения напрямую влияют на процесс производства и производительность. Сейчас доктрину человеческих отношений преподают в качестве учебной дисциплины в бизнес-школах и школах менеджмента.

Эффект наблюдателя в социологии

Гораздо менее приятное проявление эффекта наблюдателя — это «паноптикум» или, в современной трактовке, «общество наблюдения» (surveillance society).

В XVIII веке английский философ Иеремия Бентам предложил утопическое сооружение «паноптикум» (с греч. — «всевидящий»), предназначенное для исправления нарушителей — по сути проект идеальной тюрьмы. По его замыслу, заключенные находятся в круглом здании в полностью прозрачных камерах. При этом они не могут видеть охранников и не знают, наблюдают за ними или нет. Ощущение постоянного контроля создается за счет полной открытости и башни надсмотрщика, расположенной точно в центре круга. Бентам был уверен: если человек думает, что за ним постоянно наблюдают, он меняет свое поведение в лучшую сторону.

Проект идеальной тюрьмы Бентама был воплощен во множестве тюрем Старого и Нового Света. На фото тюрьма Пресидио-Модело, Куба

(Фото: flickr. com)

Современные исследования не полностью подтверждают идею Бентама: например, компании, установившие на рабочих местах устройства для контроля сотрудников, замечают впоследствии резкий рост текучки кадров, а не улучшение рабочего климата. А студенты, уверенные, что их посты и чаты мониторят сотрудники учебных заведений, меняют при общении в соцсетях стиль письма и круг обсуждаемых тем.

Технологические составляющие «общества наблюдения»: программы лояльности в розничной торговле, cookies на сайтах, национальные схемы идентификации, плановые медицинские осмотры и т.д., не вызывают у большинства резкой негативной реакции. Но их влияние на поведение людей недостаточно изучено, чтобы говорить о позитивном эффекте, в который верил Бентам.

Эффект наблюдателя в работе с данными

Еще одно интересное проявление феномена — так называемый вторичный эффект наблюдателя.

Когда разные исследователи отбирают и обрабатывают данные, каждый из них использует свои собственные методы. Но даже относительно безобидные различия на этапе отбора могут привести к разным результатам анализа одних и тех же данных. Такой эффект создают сами исследователи — прямо или косвенно. Например, в банке данных сведения за один период были ошибочно включены в другой и опубликованы в открытом доступе, а исследователь не обратил на это внимание или не перепроверил информацию по другим источникам. Похожим образом разные программы, которые используют один и тот же метод анализа, могут давать небольшие, но значимые отклонения.

При сборе и анализе данных ученые предлагают непременно принимать по внимание этот эффект: даже при небольших отклонениях в результатах последствия могут быть значительными

Эффект наблюдателя в лингвистике

В социолингвистике термин «парадокс наблюдателя» (observer’s paradox) был введен лингвистом Уильямом Лабовым (William Labov). Он заметил, что носители языка, общаясь с учеными-лингвистами и зная, что их речь будет использоваться в исследованиях, неосознанно искажают ее: начинают разговаривать формально и неестественно. Но именно естественная неискаженная речь нужна исследователю. Таким образом, **наблюдатель влияет на полученные данные: если бы он не присутствовал, говорящий использовал бы обычный народный язык.

Чтобы свести искажения к минимуму и обойти «парадокс наблюдателя», ученые используют особые приемы: например, наблюдают скрыто или называют носителям языка ложные цели исследования.

Критика эффекта наблюдателя

Влияние наблюдателя на результаты экспериментов до сих пор вызывает споры. Ученые критикуют и сам термин «наблюдатель» (ведь речь не всегда идет о человеке-наблюдателе, часто «наблюдатель» — это инструмент или прибор), и понятие «воздействие», под которым иногда подразумевается чуть ли не телепатическое влияние. Так, почему эксперимент с двумя щелями не доказывает, что эффект наблюдателя существует.

Кирилл Половников:

«Австрийские физики провели двухщелевой эксперимент с молекулярным соединением фуллереном. Молекула фуллерена имеет ту же двойственную природу, что и электрон. И чтобы ее проявить, фуллерену не потребовалось присутствия «наблюдателя». Изначально молекулы фуллерена вели себя как волны, проявляя только одну из своих характеристик. А потом их начали понемногу нагревать и они начинали вести себя уже как частицы. Это происходит потому, что нагретые молекулы начинают испускать инфракрасное излучение, по которому в принципе оказывается возможным определить, через какую именно щель пролетела та или иная эта молекула. Получается, что переход от волновых свойств к корпускулярным не требует присутствия наблюдателя.

Прежде чем пытаться ввести в физику наблюдателя и объявить, что он как-то влияет на результаты экспериментов, нужно обязательно указать, каким образом он осуществляет это влияние. Если наблюдатель будет сидеть в соседней комнате и просто думать «через какую щель пролетела частица?», мысленно представлять себе полет этой частицы или даже медитировать на нее, то на поведение частицы это не повлияет никак. А вот если наш наблюдатель попытается измерить ее состояния при помощи какого-то прибора, то есть окажет на нее хоть и малое, но реальное физическое воздействие, то частица будет вести себя иначе».

Эффект влияния экспериментатора на изучаемое явление (например, на поведение человека на рабочем месте) подтверждается научными данными. Но исследований пока недостаточно, чтобы сделать точные выводы о причинах и объеме этого влияния. Вполне возможно, что как и в случае с плацебо и ноцебо, эффект наблюдателя — это не однородный феномен, а несколько взаимосвязанных явлений.

Что на самом деле показывает новый двухщелевой эксперимент?

Квантовая механика — одна из самых успешных теорий во всей науке; в то же время, это одна из самых сложных для понимания и одна из тех, о которых написано много чепухи. Тем не менее, статья журнала Science под названием «Наблюдение за средними траекториями одиночных фотонов в двухщелевом интерферометре» дает надежду на то, что мы сможем приблизиться к пониманию того, как природа работает в мельчайших масштабах. Авторы — Саша Кочиш, Борис Браверман, Сильвен Раветс, Мартин Дж. Стивенс, Ричард П. Мирин, Л. Кристер Шалм и Эфраим М. Стейнберг — измерили как траекторию, так и интерференционную картину фотонов. наименее, и один с интересными последствиями. (В журнале Scientific American также есть короткая статья об этом эксперименте, перепечатанная в журнале Nature.)

  Слева: схема типичного эксперимента с двумя щелями, показывающая, как генерируется интерференционная картина. изображение Мэтью Фрэнсиса. Справа: смоделированная интерференционная картина с двумя щелями, показывающая «зернистость» из-за того, что отдельные фотоны попадают на экран обнаружения. Изображение Мэтью Фрэнсиса.

Легко переоценить сложность квантовой механики: в конце концов, это одна из самых успешных теорий в истории науки, что было бы невозможно без определенного уровня понимания. Однако во многих отношениях самый трудный для понимания эксперимент — один из самых простых: так называемый эксперимент с «двумя щелями», в котором экспериментатор освещает барьер с двумя узкими отверстиями и изучает интерференцию. рисунок, который он создает на экране.

Известно, что свет имеет две природы: он волнообразен и мешает друг другу так же, как водная рябь пересекает друг друга; он также подобен частице, несущей свою энергию в виде дискретных пучков, известных как фотоны. Если эксперимент достаточно чувствителен, интерференционная картина выглядит зернистой, когда на экране появляется отдельный фотон, как вы можете видеть на показанной смоделированной проекционной картине. Другими словами, одиночные фотоны путешествуют так, как будто они мешают другим фотонам, но сами по себе неделимы. Материя также имеет этот двойной характер; интерференция электронов и атомов наблюдалась экспериментально. Все это подтверждено годами работы.

Главной трудностью квантовой механики является ее интерпретация. Стандартная копенгагенская интерпретация (названная в честь родного города Нильса Бора, который первым сформулировал ее) придерживается простой позиции: причина, по которой фотоны иногда кажутся частицами, а иногда волнами, заключается в том, что наши эксперименты определяют то, что мы видим. С этой точки зрения фотоны — это продукты наших экспериментов, лишенные независимой реальности, поэтому, если нас беспокоят кажущиеся противоречивыми представления о свойствах волн и частиц, это потому, что мы ожидаем чего-то неразумного от Вселенной.

Копенгагенская интерпретация была крайне неудовлетворительной для нескольких выдающихся физиков того времени (самым известным инакомыслящим, конечно, был Эйнштейн), да и для многих, работающих сейчас в этой области. За прошедшие годы другие ученые предложили множество альтернативных интерпретаций, некоторые из которых более жизнеспособны, чем другие; многие не проходят тест бритвы Оккама, поскольку не дают эмпирических отличий от копенгагенской интерпретации, но с ними труднее работать.

Квантовая механика без боровского материала

Слева: физик Эрвин Шредингер в 1933 году, демонстрирующий модный вкус, который ученые могли сойти с рук уже тогда.

Квантовая механика печально известна тем, что путает умы людей. Часть проблемы заключается в сложной математической формулировке: в типичной американской учебной программе по физике серьезное изучение квантовой механики появляется на третьем или четвертом курсе и имеет большое количество предварительных условий как на физическом, так и на математическом факультетах. Известные физики, такие как Ричард Фейнман, дошли до того, что заявили, что никто на самом деле не понимает квантовую механику, и многие профессора, когда они преподают этот предмет, уверяют своих студентов, что он работает, даже если интерпретация ускользает от них.

Многие (возможно, даже большинство) физиков рассматривают всю теорию как черный ящик, что-то, что дает очень хорошие предсказания, но это приведет к безумию, если вы попытаетесь понять, почему это работает именно так. Однако нам стоит пройтись по структуре квантовой механики, чтобы понять, почему последний эксперимент потенциально очень важен.

Центральным уравнением квантовой механики является волновое уравнение, известное как уравнение Шредингера (названное в честь его первооткрывателя Эрвина Шредингера, известного благодаря печально известному коту). Как и в любом другом математическом уравнении, относящемся к физике, вы вводите различные параметры, чтобы охарактеризовать конкретную физическую ситуацию и решить ее; в этом случае решения известны как волновые функции. Данная волновая функция представляет собой состояние системы, которая может состоять из одного или нескольких фотонов, электронов, атомов или любого количества других объектов. Само состояние описывает вероятность того, что система имеет конкретное положение, импульс, вращение и т. д.

Помимо квантовой механики, статистика и вероятности обычно наиболее полезны при описании большого количества вещей: какова вероятность того, что выпадет конкретная рука в покере, или сколько людей проголосует за кандидата в президенты на основе демографической информации. Один человек голосует определенным образом без какой-либо неопределенности (не считая президентских выборов 2000 года), поэтому статистика, которую вы видите в данных опроса, основана на большом населении. Волновая функция присваивает статистическую информацию отдельной системе: каковы будут возможные результаты измерения, даже если эксперимент проводится с одним фотоном.

Одним из аспектов является неопределенность. Все эксперименты связаны с неопределенностью просто потому, что нет идеального оборудования. Квантовая механика отличается тем, что говорит, что даже при совершенном оборудовании будет существовать фундаментальный предел того, насколько хорошо можно выполнить измерение. Эта неопределенность напрямую связана с волнообразным характером материи и света: если у вас есть водная волна, бегущая по океану, каково точное положение волны? Как быстро он движется?

Ответ не так ясен, просто потому, что волна занимает ограниченное пространство и может перекрываться другими волнами таким образом, что определить, какая волна какая, слишком сложно; кроме того, разные части волны могут двигаться с разной скоростью. Поэтому положение и моментум лучше всего описываются средним значением и разбросом значений вокруг этого среднего, что носит название неопределенности — не в смысле сомнения, а в смысле неопределенности. Существует неотъемлемый предел нашей способности описывать эти физические величины без необходимости переоценки ценностей со стороны ученых.

Принцип неопределенности Гейзенберга говорит нам, какой должна быть минимальная неопределенность для квантовых волн: чем меньше неопределенность положения, тем больше неопределенность импульса — и наоборот. Возвращаясь к эксперименту с двумя щелями, длина волны (другими словами, размер волны) зависит от импульса, поэтому вся интерференционная картина фактически является измерением импульса.

Однако это означает, что определение того, через какую щель прошел фотон, то есть измерение положения, имеет повышенную неопределенность. Хотя зернистость интерференционной картины указывает, где приземляется отдельный фотон, определить, какой путь он прошел, чтобы попасть в это место, как правило, невозможно.

Так что же все это значит?

Введите эксперимент Кочиса и др.: уменьшив разрешение измерений, экспериментаторы увеличили неопределенность импульса, что позволило лучше определить траектории ансамбля фотонов. Другими словами, принцип неопределенности Гейзенберга остается в силе и является неотъемлемой частью этого эксперимента (что бы ни говорили некоторые заголовки).

Сложность этого измерения не следует переоценивать! В конце концов, квантовая механика существует уже почти 100 лет, и, судя по разногласиям, связанным с копенгагенской интерпретацией, если бы это было легко, наверняка кто-то уже попытался бы это сделать.

Эксперимент включает в себя создание отдельных фотонов из квантовой точки и косвенное измерение их импульса через поляризацию каждого фотона. Поскольку поляризация коррелирует с импульсом, но не с точно такой же величиной, измерение одного не сильно влияет на другое, довольно хорошо сохраняя состояние системы. Окончательное положение фотона измеряется с помощью устройства с зарядовой связью (ПЗС), похожего на то, что вы найдете в обычных цифровых камерах или устройствах формирования изображения телескопа.

Повторяя эксперимент для большого числа отдельных фотонов и перемещая аппаратуру для измерения поляризации в различных точках траекторий, исследователи смогли реконструировать траектории не отдельных фотонов, а полного ансамбля всех фотонов — но из-за статистической природы квантовой механики информацию об отдельных фотонах в системе все еще можно вывести.

Одна из возможных интерпретаций эксперимента соответствует модели пилотной волны, сформулированной Луи де Бройлем с более поздними дополнениями Дэвида Бома. С этой точки зрения волновая функция описывает статистическое распределение, которое говорит о том, какими физическими свойствами, вероятно, будет обладать точечная частица, в то время как сами частицы могут следовать точным траекториям, даже если их очень трудно отследить. Это, безусловно, согласуется с тем, что мы видим в детекторах, хотя можно задаться вопросом, можно ли когда-либо непосредственно наблюдать сами пилотные волны, а если нет, то можно ли их назвать «настоящими».

Очевидно, подробное обсуждение этой идеи слишком много для одного поста, поэтому я не буду пытаться. Однако, если полную траекторию фотона можно каким-то образом наблюдать и его интерференционная картина все еще существует, это указывает на то, что действительно возможен взгляд на квантовую физику, согласующийся с точкой зрения реалистов (удары по камням совершенно необязательны).

Копенгагенская интерпретация упала? Подтвердилась ли интерпретация пилотной волны? Осторожный научный ответ должен быть «еще нет». В конце концов, в этом эксперименте нет ничего, что не было бы полностью совместимо с математическими предсказаниями квантовой механики, поэтому любая правильная интерпретация, включая копенгагенскую интерпретацию, будет описывать его результаты.

Однако такие измерения затрудняют самодовольное заявление о том, что фотоны не следуют какой-либо конкретной траектории и что ожидать этого неразумно. Я, например, с нетерпением жду новых экспериментов в этом направлении.

Благодарности: Спасибо Артуру Косовски и Нурии Ройо за ресурсы и комментарии к предыдущим черновикам этого поста.

Об авторе: Мэтью Фрэнсис — приглашенный профессор физики в колледже Рэндольф-Мейкон, независимый научный писатель и искатель странностей в космосе. Он ведет блог в Galileo’s Pendulum и пишет в Твиттере на @DrMRFrancis; его мнение принадлежит ему самому.

Выраженные взгляды принадлежат автору и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.

Выраженные взгляды принадлежат автору (авторам) и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.

ОБ АВТОРАХ

Об авторе: Мэтью Фрэнсис — физик-теоретик (имеется в виду, что он теоретически занимается физикой), независимый научный писатель и искатель странностей в космосе. Он ведет блог в Galileo’s Pendulum и пишет в Твиттере на @DrMRFrancis; его мнение принадлежит ему самому. Следите за Мэтью Фрэнсисом в Твиттере

Последние статьи Мэтью Фрэнсиса

• Что мы знаем о черных дырах

Эксперимент с двумя щелями: свет — это волна или частица?

Эксперимент с двумя щелями — один из самых странных экспериментов, когда-либо проводившихся.
(Изображение предоставлено: Петрович9 через Getty Images)

Эксперимент с двумя щелями — один из самых известных экспериментов в физике и, безусловно, один из самых странных. Это демонстрирует, что материя и энергия (например, свет) могут проявлять как волновые, так и корпускулярные характеристики — известные как корпускулярно-волновой дуализм материи — в зависимости от сценария, согласно научному коммуникационному сайту «Интересная инженерия» (открывается в новой вкладке).

По данным Университета Сассекса , американский физик Ричард Фейнман назвал этот парадокс центральной загадкой квантовой механики.

Мы знаем, что квантовый мир странен, но эксперимент с двумя щелями выводит его на совершенно новый уровень. Эксперимент ставил ученых в тупик более 200 лет, с тех пор как первая версия была впервые проведена британским ученым Томасом Янгом в 1801 году.0003

Как работает эксперимент с двумя щелями?

Кристиан Гюйгенс был первым, кто описал свет как движение волнами, в то время как Исаак Ньютон считал, что свет состоит из крошечных частиц, согласно данным обсерватории Лас-Кумбрес . Но кто прав? Британский эрудит Томас Янг разработал эксперимент с двумя щелями, чтобы проверить эти теории.

Чтобы оценить поистине причудливую природу эксперимента с двойным разделением, нам сначала нужно понять, как действуют волны и частицы при прохождении через две щели.

Интерференционные картины волн

Когда Янг впервые провел эксперимент с двойным расщеплением в 1801 году, он обнаружил, что свет ведет себя как волна.

Во-первых, если бы мы направили свет на стену с двумя параллельными щелями — и для простоты предположим, что этот свет имеет только одну длину волны.

Когда свет проходит через щели, каждая из них, в свою очередь, становится почти как новый источник света. На дальней стороне перегородки свет от каждой щели дифрагирует и накладывается на свет от другой щели, интерферируя друг с другом.

Интерференционная картина, создаваемая светом с одной длиной волны на экране сенсора, свидетельствует о том, что свет представляет собой волну. Томас Янг обнаружил это в 1801 году, когда впервые провел свой эксперимент с двумя щелями. (Изображение предоставлено: Будущее)

(открывается в новой вкладке)

По данным Университета Стоуни-Брук (открывается в новой вкладке), любая волна может создавать интерференционную картину, будь то звуковая волна, световая волна или волны, пересекающие тело вода. Когда гребень волны сталкивается с впадиной волны, они компенсируют друг друга — это называется деструктивной интерференцией — и появляются в виде темной полосы. Когда гребень сталкивается с гребнем, они усиливают друг друга — это называется конструктивной интерференцией — и появляются в виде яркой полосы. Комбинация темных и ярких полос известна как интерференционная картина, и ее можно увидеть на экране датчика напротив щелей.

Эта интерференционная картина была доказательством, необходимым Юнгу, чтобы определить, что свет является волной, а не частицей, как предполагал Ньютон.

Но это еще не все. Свет немного сложнее, и чтобы понять, насколько он на самом деле странен, нам также нужно понять, какой узор частица будет создавать в сенсорном поле.

Образцы частиц

Если бы вы провели тот же эксперимент и пропустили через щели песчинки или другие частицы, вы бы получили другой рисунок на экране сенсора. Каждая частица пройдет через щель и окажется на линии примерно в одном и том же месте (с небольшим разбросом в зависимости от угла, под которым частица проходит через щель).

Частицы создают на экране датчика рисунок, сильно отличающийся от интерференционного рисунка волн. Здесь каждая частица проходит через щель и выстраивается в линию примерно в одном и том же месте. (Изображение предоставлено: Будущее)

(открывается в новой вкладке)

Очевидно, что волны и частицы создают совершенно разные узоры, поэтому их должно быть легко различить, верно? Ну, вот где эксперимент с двумя щелями становится немного странным, когда мы пытаемся провести тот же эксперимент, но с крошечными частицами света, называемыми фотонами. Войдите в мир квантовой механики.

Эксперимент с двумя щелями: квантовая механика

Наименьшая составляющая света — субатомные частицы, называемые фотонами. Используя фотоны вместо песчинок, мы можем провести эксперимент с двумя щелями в атомном масштабе.

Если вы закроете одну из щелей, так что это будет просто эксперимент с одной щелью, и направите фотоны на сенсорный экран, фотоны появятся в виде точек на сенсорном экране, имитируя узоры частиц, создаваемые песком в предыдущий пример. Исходя из этого свидетельства, мы можем предположить, что фотоны являются частицами.

Если вы закроете одну из щелей и направите фотоны на сенсорный экран, они появятся в виде уколов, имитирующих рисунок, связанный с частицами. (Изображение предоставлено: Future)

(открывается в новой вкладке)

Теперь все начинает становиться странным.

Если вы разблокируете щель и направите фотоны через обе щели, вы начнете видеть нечто очень похожее на интерференционную картину, создаваемую волнами в примере со светом. Фотоны, кажется, прошли через пару щелей, действующих как волны.

Но что, если вы запускаете фотоны один за другим, оставляя между ними достаточно времени, чтобы они не мешали друг другу, будут ли они вести себя как частицы или волны?

Сначала фотоны появляются на экране в случайном порядке, но по мере того, как вы запускаете их все больше и больше, начинает появляться интерференционная картина. Кажется, что каждый фотон сам по себе вносит свой вклад в общее волнообразное поведение, которое проявляется в виде интерференционной картины на экране — даже если они запускались по одному, так что интерференция между ними была невозможна.

Если вы запускаете фотоны через обе щели, все сразу или по одному, они появляются на экране сенсора в виде волнообразной интерференционной картины. (Изображение предоставлено: Будущее)

(открывается в новой вкладке)

Как будто каждый фотон «знает», что доступны две щели. Как? Разделяется ли он на две части, а затем воссоединяется после щели, а затем попадает в датчик? Чтобы исследовать это, ученые установили детектор, который может определить, через какую щель проходит фотон.

Опять же, мы запускаем фотоны по одному в щели, как делали в предыдущем примере. Детектор обнаруживает, что около 50 % фотонов прошли через верхнюю щель и около 50 % — через нижнюю, и подтверждает, что каждый фотон проходит через ту или иную щель. Ничего особо необычного там нет.

Но когда мы смотрим на экран датчика в этом эксперименте, возникает другая картина.

Когда детектор включен, фотоны создают на экране сенсора узор, похожий на частицу. (Изображение предоставлено: Будущее)

(откроется в новой вкладке)

Этот шаблон соответствует тому, который мы видели, когда запускали частицы через щели. Похоже, что наблюдение за фотонами заставляет их переключаться с интерференционной картины, создаваемой волнами, на картину, создаваемую частицами.

Если обнаружение фотонов через щели явно влияет на рисунок на экране сенсора, что произойдет, если мы оставим детектор на месте, но выключим его? (Тссс, не говорите фотонам, что мы больше не шпионим за ними!)

Здесь все становится очень, очень странным.

Те же щели, те же фотоны, тот же детектор, только что выключенный. Увидим ли мы тот же самый частицеподобный паттерн?

Нет. Частицы снова образуют волнообразную интерференционную картину на экране сенсора.

При выключенном детекторе фотоны создают волнообразную интерференционную картину на экране сенсора. (Изображение предоставлено: Future)

(открывается в новой вкладке)

Атомы кажутся волнами, когда вы на них не смотрите, и частицами, когда вы смотрите. Как? Что ж, если вы сможете ответить на этот вопрос, вас ждет Нобелевская премия.

В 1930-х годах ученые предположили, что человеческое сознание может влиять на квантовую механику. Математик Джон фон Нейман впервые постулировал это в 1932 году в своей книге «Математические основы квантовой механики». В 1960-х годах физик-теоретик Юджин Вигнер задумал мысленный эксперимент под названием «Друг Вигнера» — парадокс в квантовой физике, описывающий состояния двух людей, проводящего эксперимент и наблюдателя от первого лица, согласно научному журналу «Популярная механика». Идея о том, что сознание человека, проводящего эксперимент, может повлиять на результат, известна как интерпретация фон Неймана-Вигнера.

Хотя некоторые люди, в том числе писатель и сторонник альтернативной медицины Дипак Чопра, все еще верят в духовное объяснение поведения квантовой механики, большая часть научного сообщества долгое время игнорировала его.

Что касается более правдоподобной теории, ученые в тупике.

Более того — и, возможно, это даже более удивительно — если вы поставите эксперимент с двумя щелями, чтобы определить, через какую щель прошел фотон после того, как фотон уже попал на экран сенсора, вы все равно получите на сенсоре рисунок, напоминающий частицу. экран, хотя фотон еще не был обнаружен, когда попал на экран. Этот результат предполагает, что обнаружение фотона в будущем влияет на рисунок, созданный фотоном на экране сенсора в прошлом. Этот эксперимент известен как эксперимент с квантовым ластиком и более подробно объясняется в этом информативном видео от Fermilab (откроется в новой вкладке).

Мы до сих пор не до конца понимаем, как именно работает корпускулярно-волновой дуализм материи, поэтому он считается одной из величайших загадок квантовой механики.

История эксперимента с двумя щелями

Британский эрудит Томас Янг впервые провел эксперимент с двумя щелями в 1801 году. -щелевой эксперимент был проведен в 1801 году британским эрудитом Томасом Янгом, по данным Американского физического общества (APS). Его эксперимент продемонстрировал интерференцию световых волн и предоставил доказательства того, что свет — это волна, а не частица.

Янг также использовал данные своих экспериментов для расчета длин волн различных цветов света и подошел очень близко к современным значениям.

Несмотря на его убедительный эксперимент о том, что свет — это волна, те, кто не хотел признать, что Исаак Ньютон мог ошибаться в чем-то, критиковали Янга. (Ньютон предложил корпускулярную теорию, согласно которой свет состоит из потока мельчайших частиц, которые он назвал корпускулами.)

Согласно APS, Янг написал в ответ одному из критиков: Поэтому я не обязан верить, что он был непогрешим».

С появлением квантовой механики физики признают, что свет является одновременно и частицей, и волной.

Дополнительные ресурсы

Более подробно изучите эксперимент с двумя щелями в этой статье Кембриджского университета , которая включает изображения электронных узоров в эксперименте с двумя щелями. Откройте для себя истинную природу света с помощью Canon Science Lab (откроется в новой вкладке). Читайте об фрагментах энергии, которые не являются волнами или частицами, но могут быть фундаментальными строительными блоками Вселенной, в этой статье из «Беседы» (открывается в новой вкладке). Погрузитесь глубже в эксперимент с двумя щелями в этой статье, опубликованной в журнале Nature .

Библиография

Гранжье, Филипп, Жерар Роже и Ален Аспект. «Экспериментальные доказательства эффекта антикорреляции фотонов в светоделителе: новый взгляд на однофотонные интерференции (открывается в новой вкладке)» EPL (Europhysics Letters) 1.4 (1986): 173.

Торн, Дж. Дж., и др. «Наблюдение за квантовым поведением света в студенческой лаборатории (открывается в новой вкладке)» American Journal of Physics 72.9 (2004): 1210-1219.

Гхош, Партха. «Центральная загадка квантовой механики. (открывается в новой вкладке)» препринт arXiv arXiv:0906.0898 (2009).

Ааронов Якир и др. «Наконец-то смысл эксперимента с двумя щелями (открывается в новой вкладке)» Proceedings of the National Academy of Sciences 114.25 (2017): 6480-6485.

Пэн, Хуэй. «Наблюдения за экспериментами с двумя щелями (открывается в новой вкладке)» International Journal of Physics 8.2 (2020): 39-41.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Дейзи Добриевич присоединилась к Space.com в феврале 2022 года в качестве справочного автора, ранее работавшего штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space. Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой. В 2021 году Дейзи защитила докторскую диссертацию по физиологии растений, а также имеет степень магистра наук об окружающей среде.