Im Herzen der Quantenmechanik

Richard Feynman, einer der größten Physiker des XNUMX. Jahrhunderts, argumentierte, dass der Schlüssel zum Verständnis der Quantenmechanik das „Doppelspaltexperiment“ sei. Dieses konzeptionell einfache Experiment, das heute durchgeführt wird, bringt weiterhin erstaunliche Entdeckungen. Sie zeigen, wie unvereinbar die Quantenmechanik mit dem gesunden Menschenverstand ist, was schließlich zu den wichtigsten Erfindungen der letzten fünfzig Jahre führte.

Zum ersten Mal führte er ein Doppelspaltexperiment durch. Thomas Jung (1) in England im frühen neunzehnten Jahrhundert.

Experimentieren Sie mit Yang

Mit dem Experiment konnte gezeigt werden, dass Licht Wellencharakter und nicht, wie bereits erwähnt, Korpuskularcharakter hat. Isaac Newton. Young hat gerade gezeigt, dass Licht gehorcht Intervention - ein Phänomen, das das charakteristischste Merkmal ist (unabhängig von der Art der Welle und dem Medium, in dem sie sich ausbreitet). Heute bringt die Quantenmechanik diese beiden logisch widersprüchlichen Ansichten in Einklang.

Erinnern wir uns an das Wesentliche des Doppelspaltexperiments. Wie üblich meine ich eine Welle auf der Wasseroberfläche, die sich konzentrisch um die Stelle ausbreitet, an die der Kieselstein geworfen wurde. 

Eine Welle entsteht durch aufeinanderfolgende Wellenberge und Wellentäler, die vom Störungspunkt ausstrahlen, wobei zwischen den Wellenbergen ein konstanter Abstand, die sogenannte Wellenlänge, eingehalten wird. Im Weg der Welle kann eine Barriere angebracht werden, beispielsweise in Form eines Brettes mit zwei schmalen Schlitzen, durch die das Wasser ungehindert fließen kann. Als wir einen Kieselstein ins Wasser werfen, stoppt die Welle an der Trennwand – aber nicht ganz. Von beiden Schlitzen aus breiten sich nun zwei neue konzentrische Wellen (2) auf die andere Seite der Trennwand aus. Sie überlagern sich oder überlagern sich, wie wir sagen, und erzeugen ein charakteristisches Muster auf der Oberfläche. An Stellen, an denen der Kamm einer Welle auf den Kamm einer anderen trifft, verstärkt sich die Wasserwölbung, und dort, wo die Mulde auf das Tal trifft, vertieft sich die Senke.

2. Interferenz von Wellen, die aus zwei Schlitzen austreten.

In Youngs Experiment passiert einfarbiges Licht, das von einer Punktquelle emittiert wird, eine undurchsichtige Membran mit zwei Schlitzen und trifft auf den dahinter liegenden Bildschirm (heute würden wir lieber Laserlicht und ein CCD-Array verwenden). Auf dem Bildschirm wird ein Interferenzbild einer Lichtwelle in Form einer Reihe abwechselnd heller und dunkler Streifen beobachtet (3). Dieses Ergebnis bestärkte die Annahme, dass Licht eine Welle sei, bevor Entdeckungen im frühen XNUMX. Jahrhundert zeigten, dass auch Licht eine Welle sei. Photonenfluss sind leichte Teilchen, die keine Ruhemasse haben. Später stellte sich heraus, dass das Geheimnisvolle Welle-Teilchen-DualitätWas zuerst für Licht entdeckt wurde, gilt auch für andere Teilchen mit Masse. Es wurde bald zur Grundlage für eine neue quantenmechanische Beschreibung der Welt.

3. Vision von Youngs Experiment

Auch die Partikel stören

1961 wies Klaus Jonsson von der Universität Tübingen die Interferenz massiver Teilchen – Elektronen – mit einem Elektronenmikroskop nach. Zehn Jahre später führten drei italienische Physiker der Universität Bologna ein ähnliches Experiment mit durch Einzelelektroneninterferenz (unter Verwendung eines sogenannten Biprismas anstelle eines Doppelspalts). Sie reduzierten die Intensität des Elektronenstrahls auf einen so geringen Wert, dass die Elektronen nacheinander, einer nach dem anderen, das Biprisma passierten. Diese Elektronen wurden auf einem Fluoreszenzschirm registriert.

Anfangs waren die Elektronenspuren zufällig über den Bildschirm verteilt, doch mit der Zeit bildeten sie ein deutliches Interferenzbild der Interferenzstreifen. Es scheint unmöglich, dass zwei Elektronen, die zu unterschiedlichen Zeiten nacheinander durch die Spalte laufen, sich gegenseitig stören könnten. Deshalb müssen wir das anerkennen Ein Elektron interferiert mit sich selbst! Dann müsste das Elektron aber beide Spalte gleichzeitig passieren.

Es mag verlockend sein, einen Blick auf das Loch zu werfen, durch das das Elektron tatsächlich gelangt ist. Später werden wir sehen, wie man eine solche Beobachtung machen kann, ohne die Bewegung des Elektrons zu stören. Es stellt sich heraus, dass die Interferenz ... verschwinden wird, wenn wir Informationen darüber erhalten, was das Elektron empfangen hat! Die „Wie“-Information zerstört Störungen. Bedeutet dies, dass die Anwesenheit eines bewussten Beobachters den Ablauf des physikalischen Prozesses beeinflusst?

Bevor ich über die noch überraschenderen Ergebnisse von Doppelspaltexperimenten spreche, werde ich einen kleinen Exkurs über die Größe interferierender Objekte machen. Quanteninterferenz von Massenobjekten wurde zunächst für Elektronen entdeckt, dann für Teilchen mit zunehmender Masse: Neutronen, Protonen, Atome und schließlich für große chemische Moleküle.

Im Jahr 2011 wurde der Größenrekord eines Objekts gebrochen, an dem das Phänomen der Quanteninterferenz nachgewiesen wurde. Das Experiment wurde an der Universität Wien von einem damaligen Doktoranden durchgeführt. Sandra Eibenberger und ihre Mitarbeiter. Für das Experiment mit zwei Pausen wurde ein komplexes organisches Molekül ausgewählt, das etwa 5 Protonen, 5 Neutronen und 5 Elektronen enthält! In einem sehr aufwendigen Experiment wurde die Quanteninterferenz dieses riesigen Moleküls beobachtet.

Dies bestätigte die Annahme, dass Die Gesetze der Quantenmechanik gelten nicht nur für Elementarteilchen, sondern für jedes materielle Objekt. Nur: Je komplexer das Objekt ist, desto mehr interagiert es mit der Umgebung, was seine subtilen Quanteneigenschaften verletzt und Interferenzeffekte zerstört..

Quantenverschränkung und Polarisation von Licht

Die überraschendsten Ergebnisse der Doppelspaltexperimente resultierten aus der Verwendung einer speziellen Methode zur Verfolgung des Photons, die seine Bewegung in keiner Weise störte. Diese Methode nutzt eines der seltsamsten Quantenphänomene, das sogenannte Quantenverschränkung. Dieses Phänomen wurde bereits in den 30er Jahren von einem der Hauptbegründer der Quantenmechanik bemerkt, Erwin Schrödinger.

Der skeptische Einstein (siehe auch 🙂) nannte sie eine gespenstische Fernwirkung. Doch erst ein halbes Jahrhundert später wurde die Bedeutung dieses Effekts erkannt, und heute ist er für Physiker zu einem Thema von besonderem Interesse geworden.

Worum geht es bei diesem Effekt? Wenn zwei Teilchen, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt nahe beieinander befinden, so stark miteinander interagieren, dass sie eine Art „Zwillingsbeziehung“ eingehen, dann bleibt die Beziehung auch dann bestehen, wenn die Teilchen Hunderte von Kilometern voneinander entfernt sind. Dann verhalten sich die Teilchen wie ein einziges System. Das heißt, wenn wir eine Aktion an einem Partikel ausführen, wirkt sich diese sofort auf ein anderes Partikel aus. Allerdings können wir auf diese Weise Informationen nicht zeitlos über eine Distanz übertragen.

Ein Photon ist ein masseloses Teilchen – ein elementarer Teil des Lichts, das eine elektromagnetische Welle ist. Nach dem Durchgang durch eine Platte des entsprechenden Kristalls (Polarisator genannt) wird das Licht linear polarisiert, d. h. Der Vektor des elektrischen Feldes einer elektromagnetischen Welle schwingt in einer bestimmten Ebene. Indem man wiederum linear polarisiertes Licht durch eine Platte einer bestimmten Dicke von einem anderen bestimmten Kristall (der sogenannten Viertelwellenplatte) leitet, kann es in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt werden, in dem sich der elektrische Feldvektor spiralförmig bewegt ( (im oder gegen den Uhrzeigersinn) Bewegung entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle. Demnach kann man von linear oder zirkular polarisierten Photonen sprechen.

Experimente mit verschränkten Photonen

4a. Ein nichtlinearer BBO-Kristall wandelt ein von einem Argonlaser emittiertes Photon in zwei verschränkte Photonen mit halber Energie und zueinander senkrechter Polarisation um. Diese Photonen streuen in verschiedene Richtungen und werden von den Detektoren D1 und D2 registriert, die über einen Koinzidenzzähler LK verbunden sind. Eine Blende mit zwei Schlitzen wird in den Weg eines der Photonen gelegt. Wenn beide Detektoren das nahezu gleichzeitige Eintreffen beider Photonen registrieren, wird das Signal im Speicher des Geräts gespeichert und der Detektor D2 bewegt sich parallel zu den Schlitzen. Die Anzahl der so erfassten Photonen in Abhängigkeit von der Position des Detektors D2 wird im Kasten angezeigt, wobei die Maxima und Minima angezeigt werden, die auf Interferenz hinweisen.

Im Jahr 2001 führte eine Gruppe brasilianischer Physiker in Belo Horizonte unter der Leitung von durch Stephen Walborn ungewöhnliches Experiment. Seine Autoren nutzten die Eigenschaften eines speziellen Kristalls (kurz BBO), der einen bestimmten Teil der von einem Argonlaser emittierten Photonen in zwei Photonen mit halber Energie umwandelt. Diese beiden Photonen sind miteinander verschränkt; wenn einer von ihnen beispielsweise eine horizontale Polarisation hat, hat der andere eine vertikale Polarisation. Diese Photonen bewegen sich in zwei verschiedene Richtungen und spielen in dem beschriebenen Experiment unterschiedliche Rollen.

Eines der Photonen, die wir benennen werden steuern, geht direkt zum Photonendetektor D1 (4a). Der Detektor registriert sein Eintreffen, indem er ein elektrisches Signal an ein Gerät sendet, das als Trefferzähler bezeichnet wird. LK Mit dem zweiten Photon wird ein Interferenzexperiment durchgeführt; wir rufen ihn an Signalphoton. Auf seinem Weg befindet sich ein Doppelspalt, gefolgt von einem zweiten Photonendetektor, D2, der etwas weiter von der Photonenquelle entfernt ist als Detektor D1. Dieser Detektor kann jedes Mal, wenn er das entsprechende Signal vom Trefferzähler empfängt, um den Dual-Slot herumspringen. Wenn Detektor D1 ein Photon registriert, sendet er ein Signal an den Koinzidenzzähler. Wenn in einem Moment auch der Detektor D2 ein Photon registriert und ein Signal an das Messgerät sendet, erkennt er, dass es sich um verschränkte Photonen handelt, und speichert diese Tatsache im Speicher des Geräts. Dieses Verfahren schließt die Registrierung zufälliger Photonen aus, die in den Detektor gelangen.

Verschränkte Photonen bleiben 400 Sekunden lang bestehen. Nach dieser Zeit wird der D2-Detektor um 1 mm gegenüber der Position der Schlitze verschoben und die Zählung der verschränkten Photonen dauert weitere 400 Sekunden. Anschließend wird der Detektor erneut um 1 mm bewegt und der Vorgang mehrmals wiederholt. Es zeigt sich, dass die Verteilung der Anzahl der so erfassten Photonen in Abhängigkeit von der Position des Detektors D2 charakteristische Maxima und Minima aufweist, die Hell-Dunkel- und Interferenzstreifen im Young-Experiment entsprechen (4a).

Das erfahren wir noch einmal Einzelne Photonen, die den Doppelspalt passieren, interferieren miteinander.

Wie so?

Der nächste Schritt des Experiments bestand darin, das Loch zu bestimmen, durch das ein bestimmtes Photon ging, ohne seine Bewegung zu stören. Hier verwendete Eigenschaften Viertelwellenplatte. Vor jedem Spalt wurde eine Viertelwellenplatte platziert, von der eine die lineare Polarisation des einfallenden Photons in eine kreisförmige Polarisation im Uhrzeigersinn und die andere in eine linksdrehende Polarisation änderte (4b). Es wurde bestätigt, dass die Art der Photonenpolarisation keinen Einfluss auf die Anzahl der gezählten Photonen hatte. Indem nun die Rotation der Polarisation eines Photons bestimmt wird, nachdem es durch die Schlitze gegangen ist, kann man angeben, durch welchen von ihnen das Photon gegangen ist. Zu wissen „in welche Richtung“ zerstört Störungen.

4b. Durch die Platzierung von Viertelwellenplatten (schattierte Rechtecke) vor den Schlitzen können Informationen über den „Weg“ gewonnen werden und das Interferenzbild verschwindet.

4c. Durch Platzieren eines entsprechend ausgerichteten Polarisators P vor dem Detektor D1 werden die „Welche Richtung“-Informationen gelöscht und die Interferenz wiederhergestellt.

Tatsächlich Nach korrekter Platzierung der Viertelwellenplatten vor den Schlitzen verschwindet die zuvor beobachtete Verteilung der Zählimpulse, die auf Interferenzen hinweist. Das Seltsamste ist, dass dies ohne die Beteiligung eines bewussten Beobachters geschieht, der die entsprechenden Messungen durchführen kann! Die bloße Platzierung von Viertelwellenplatten erzeugt einen Interferenzunterdrückungseffekt.. Woher weiß das Photon also, dass wir nach dem Einsetzen der Platten den Spalt bestimmen können, durch den es gegangen ist?

Dies ist jedoch nicht das Ende der Verrücktheit. Jetzt können wir Signalphotoneninterferenzen wiederherstellen, ohne sie direkt zu beeinflussen. Platzieren Sie dazu im Weg des Kontrollphotons, das Detektor D1 erreicht, einen Polarisator, sodass er Licht mit einer Polarisation durchlässt, die eine Kombination der Polarisationen beider verschränkter Photonen ist (4c). Dadurch ändert sich sofort die Polarität des Signalphotons entsprechend. Jetzt ist es nicht mehr möglich, mit Sicherheit zu bestimmen, welche Polarisation ein auf die Spalten einfallendes Photon hat und durch welchen Spalt das Photon gegangen ist. In diesem Fall ist die Störung wiederhergestellt!

Informationen zur verzögerten Auswahl löschen

Die oben beschriebenen Experimente wurden so durchgeführt, dass das Kontrollphoton vom Detektor D1 registriert wurde, bevor das Signalphoton den Detektor D2 erreichte. Die Löschung der „Welcher Pfad“-Information erfolgte durch Änderung der Polarisation des Kontrollphotons, bevor das Signalphoton den Detektor D2 erreichte. Dann kann man sich vorstellen, dass das kontrollierende Photon seinem „Zwilling“ bereits gesagt hat, was er als nächstes tun soll: eingreifen oder nicht.

Nun modifizieren wir das Experiment so, dass das Kontrollphoton auf Detektor D1 trifft, nachdem das Signalphoton auf Detektor D2 registriert wurde. Bewegen Sie dazu den Detektor D1 von der Photonenquelle weg. Das Interferenzmuster sieht genauso aus wie zuvor. Platzieren wir nun Viertelwellenplatten vor den Schlitzen, um festzustellen, welchen Weg das Photon genommen hat. Das Interferenzmuster verschwindet. Als nächstes löschen wir die „Welche Richtung“-Information, indem wir einen entsprechend ausgerichteten Polarisator vor Detektor D1 platzieren. Das Interferenzmuster erscheint erneut! Die Löschung erfolgte jedoch, nachdem das Signalphoton vom Detektor D2 registriert worden war. Wie ist das möglich? Das Photon musste sich der Polaritätsänderung bewusst sein, bevor Informationen darüber es erreichen konnten.

5. Experimente mit einem Laserstrahl.

Der natürliche Ablauf ist hier umgekehrt; Wirkung geht der Ursache voraus! Dieses Ergebnis untergräbt das Prinzip der Kausalität in der Realität um uns herum. Oder spielt die Zeit vielleicht keine Rolle, wenn es um verschränkte Teilchen geht? Die Quantenverschränkung verstößt gegen das Lokalitätsprinzip der klassischen Physik, wonach ein Objekt nur durch seine unmittelbare Umgebung beeinflusst werden kann.

Seit dem brasilianischen Experiment wurden viele ähnliche Experimente durchgeführt, die die hier vorgestellten Ergebnisse voll und ganz bestätigen. Abschließend möchte der Leser das Geheimnis dieser unerwarteten Phänomene anschaulich erklären. Leider ist dies nicht möglich. Die Logik der Quantenmechanik unterscheidet sich von der Logik der Welt, die wir jeden Tag sehen. Wir müssen dies demütig akzeptieren und uns darüber freuen, dass die Gesetze der Quantenmechanik die im Mikrokosmos auftretenden Phänomene genau beschreiben und in immer fortschrittlicheren technischen Geräten sinnvoll genutzt werden.