Al centro della meccanica quantistica

Richard Feynman, uno dei più grandi fisici del XNUMX° secolo, ha affermato che la chiave per comprendere la meccanica quantistica è "l'esperimento della doppia fenditura". Questo esperimento concettualmente semplice, condotto oggi, continua a produrre scoperte sorprendenti. Mostrano quanto sia incompatibile con il buon senso la meccanica quantistica, che alla fine ha portato alle invenzioni più importanti degli ultimi cinquant'anni.

Per la prima volta ha condotto un esperimento a doppia fenditura. Tommaso Giovani (1) in Inghilterra all'inizio del XIX secolo.

L'esperimento di Young

L'esperimento è stato utilizzato per dimostrare che la luce è di natura ondulatoria e non corpuscolare, come affermato in precedenza. Isaac Newton. Young ha appena dimostrato che la luce obbedisce intervento - un fenomeno che è la caratteristica più caratteristica (indipendentemente dal tipo di onda e dal mezzo in cui si propaga). Oggi la meccanica quantistica riconcilia queste due visioni logicamente contraddittorie.

Ricordiamo l'essenza dell'esperimento della doppia fenditura. Come al solito, intendo un'onda sulla superficie dell'acqua che si diffonde concentricamente attorno al luogo in cui è stato lanciato il sassolino. 

Un'onda è formata da creste e depressioni successive che si irradiano dal punto di disturbo, pur mantenendo una distanza costante tra le creste, che è chiamata lunghezza d'onda. Una barriera può essere posizionata nel percorso dell'onda, ad esempio, sotto forma di una tavola con due fessure strette attraverso le quali l'acqua può fluire liberamente. Lanciando un sassolino nell'acqua, l'onda si ferma sulla parete divisoria, ma non del tutto. Due nuove onde concentriche (2) ora si propagano sull'altro lato della partizione da entrambi gli slot. Sono sovrapposti l'uno all'altro o, come diciamo, interferiscono l'uno con l'altro, creando un motivo caratteristico sulla superficie. Nei punti in cui la cresta di un'onda incontra la cresta di un'altra, il rigonfiamento dell'acqua si intensifica e dove la conca incontra la valle, la depressione si approfondisce.

2. Interferenza delle onde che emergono da due slot.

Nell'esperimento di Young, la luce monocolore emessa da una sorgente puntiforme passa attraverso un diaframma opaco con due fenditure e colpisce lo schermo dietro di esse (oggi preferiremmo usare la luce laser e un CCD). Sullo schermo viene osservata un'immagine di interferenza di un'onda luminosa sotto forma di una serie di strisce chiare e scure alternate (3). Questo risultato ha rafforzato la convinzione che la luce fosse un'onda, prima che le scoperte all'inizio del XNUMX mostrassero che anche la luce era un'onda. flusso di fotoni sono particelle leggere che non hanno massa a riposo. Più tardi si è scoperto che il misterioso dualità onda-particellascoperto per la prima volta per la luce si applica anche ad altre particelle dotate di massa. Presto divenne la base per una nuova descrizione quantomeccanica del mondo.

3. Visione dell'esperimento di Young

Anche le particelle interferiscono

Nel 1961, Klaus Jonsson dell'Università di Tubinga dimostrò l'interferenza di particelle massicce - elettroni usando un microscopio elettronico. Dieci anni dopo, tre fisici italiani dell'Università di Bologna eseguirono un esperimento simile con interferenza di un singolo elettrone (usando un cosiddetto biprisma invece di una doppia fenditura). Hanno ridotto l'intensità del fascio di elettroni a un valore così basso che gli elettroni sono passati attraverso il biprisma uno dopo l'altro, uno dopo l'altro. Questi elettroni sono stati registrati su uno schermo fluorescente.

Inizialmente, le scie di elettroni erano distribuite casualmente sullo schermo, ma nel tempo hanno formato un'immagine di interferenza distinta delle frange di interferenza. Sembra impossibile che due elettroni che passano attraverso le fenditure in successione in momenti diversi possano interferire tra loro. Pertanto, dobbiamo riconoscerlo un elettrone interferisce con se stesso! Ma poi l'elettrone dovrebbe passare attraverso entrambe le fenditure contemporaneamente.

Potrebbe essere allettante guardare il buco attraverso il quale l'elettrone è effettivamente passato. Più avanti vedremo come fare una tale osservazione senza disturbare il moto dell'elettrone. Si scopre che se otteniamo informazioni su ciò che l'elettrone ha ricevuto, l'interferenza ... scomparirà! Le informazioni sul "come" distruggono le interferenze. Questo significa che la presenza di un osservatore cosciente influenza il corso del processo fisico?

Prima di parlare dei risultati ancora più sorprendenti degli esperimenti con la doppia fenditura, farò una piccola digressione sulle dimensioni degli oggetti che interferiscono. L'interferenza quantistica degli oggetti di massa è stata scoperta prima per gli elettroni, poi per le particelle con massa crescente: neutroni, protoni, atomi e infine per le grandi molecole chimiche.

Nel 2011 è stato battuto il record per la dimensione di un oggetto, su cui è stato dimostrato il fenomeno dell'interferenza quantistica. L'esperimento fu condotto all'Università di Vienna da un dottorando dell'epoca. Sandra Eibenberger e i suoi soci. Una complessa molecola organica contenente circa 5 protoni, 5mila neutroni e 5mila elettroni è stata scelta per l'esperimento con due rotture! In un esperimento molto complesso, è stata osservata l'interferenza quantistica di questa enorme molecola.

Ciò ha confermato la convinzione che Le leggi della meccanica quantistica obbediscono non solo alle particelle elementari, ma anche a ogni oggetto materiale. Solo che più l'oggetto è complesso, più interagisce con l'ambiente, che viola le sue sottili proprietà quantistiche e distrugge gli effetti di interferenza..

Entanglement quantistico e polarizzazione della luce

I risultati più sorprendenti degli esperimenti della doppia fenditura sono venuti dall'uso di un metodo speciale per tracciare il fotone, che non ha disturbato in alcun modo il suo movimento. Questo metodo utilizza uno dei fenomeni quantistici più strani, il cosiddetto entanglement quantistico. Questo fenomeno è stato notato già negli anni '30 da uno dei principali creatori della meccanica quantistica, Erwin Schrödinger.

Lo scettico Einstein (vedi anche 🙂 li chiamava azione spettrale a distanza. Tuttavia, solo mezzo secolo dopo si capì il significato di questo effetto, e oggi è diventato un argomento di particolare interesse per i fisici.

In cosa consiste questo effetto? Se due particelle vicine l'una all'altra in un determinato momento interagiscono così fortemente l'una con l'altra da formare una sorta di "relazione gemella", la relazione persiste anche quando le particelle sono distanti centinaia di chilometri. Quindi le particelle si comportano come un unico sistema. Ciò significa che quando eseguiamo un'azione su una particella, questa influisce immediatamente su un'altra particella. Tuttavia, in questo modo non possiamo trasmettere informazioni a distanza senza tempo.

Un fotone è una particella priva di massa, una parte elementare della luce, che è un'onda elettromagnetica. Dopo essere passata attraverso una lastra del cristallo corrispondente (chiamato polarizzatore), la luce diventa polarizzata linearmente, cioè il vettore del campo elettrico di un'onda elettromagnetica oscilla su un certo piano. A sua volta, facendo passare la luce polarizzata linearmente attraverso una lastra di un certo spessore proveniente da un altro particolare cristallo (la cosiddetta lastra a quarto d'onda), può essere convertita in luce polarizzata circolarmente, in cui il vettore del campo elettrico si muove ad elica ( in senso orario o antiorario) lungo la direzione di propagazione dell'onda. Di conseguenza, si può parlare di fotoni polarizzati linearmente o circolarmente.

Esperimenti con fotoni entangled

4a. Un cristallo BBO non lineare converte un fotone emesso da un laser ad argon in due fotoni entangled con metà dell'energia e polarizzazione reciprocamente perpendicolare. Questi fotoni si diffondono in direzioni diverse e sono registrati dai rivelatori D1 e D2, collegati da un contatore di coincidenza LK Un diaframma con due fenditure è posto nel percorso di uno dei fotoni. Quando entrambi i rivelatori registrano l'arrivo quasi simultaneo di entrambi i fotoni, il segnale viene memorizzato nella memoria del dispositivo e il rivelatore D2 procede parallelamente alle fenditure. Il numero di fotoni in funzione della posizione del rivelatore D2, così registrato, è riportato nel riquadro, mostrando i massimi e minimi, indicando l'interferenza.

Nel 2001, un gruppo di fisici brasiliani a Belo Horizonte si è esibito sotto la guida di Stefano Walborn insolito esperimento. I suoi autori hanno utilizzato le proprietà di un cristallo speciale (abbreviato in BBO), che converte una certa parte dei fotoni emessi da un laser ad argon in due fotoni con metà dell'energia. Questi due fotoni sono in entanglement l'uno con l'altro; quando uno di essi ha, ad esempio, polarizzazione orizzontale, l'altro ha polarizzazione verticale. Questi fotoni si muovono in due direzioni diverse e svolgono ruoli diversi nell'esperimento descritto.

Uno dei fotoni che nomineremo controllare, va direttamente al rivelatore di fotoni D1 (4a). Il rilevatore registra il suo arrivo inviando un segnale elettrico a un dispositivo chiamato contatore di colpi. LK Verrà effettuato un esperimento di interferenza sul secondo fotone; lo chiameremo segnale fotone. C'è una doppia fenditura nel suo percorso, seguita da un secondo rivelatore di fotoni, D2, leggermente più lontano dalla sorgente di fotoni rispetto al rivelatore D1. Questo rilevatore può saltare intorno al doppio slot ogni volta che riceve il segnale appropriato dal contatore dei colpi. Quando il rivelatore D1 registra un fotone, invia un segnale al contatore di coincidenza. Se in un attimo il rivelatore D2 registra anche un fotone e invia un segnale al misuratore, riconoscerà che proviene da fotoni entangled e questo fatto verrà archiviato nella memoria del dispositivo. Questa procedura esclude la registrazione di fotoni casuali che entrano nel rivelatore.

I fotoni entangled persistono per 400 secondi. Trascorso questo tempo, il rivelatore D2 viene spostato di 1 mm rispetto alla posizione delle fenditure e il conteggio dei fotoni entangled richiede altri 400 secondi. Quindi il rivelatore viene nuovamente spostato di 1 mm e la procedura viene ripetuta più volte. Risulta che la distribuzione del numero di fotoni registrati in questo modo in funzione della posizione del rivelatore D2 ha massimi e minimi caratteristici corrispondenti a chiaro e scuro e frange di interferenza nell'esperimento di Young (4a).

Lo scopriamo di nuovo singoli fotoni che passano attraverso la doppia fenditura interferiscono tra loro.

In che senso?

Il passo successivo dell'esperimento è stato quello di determinare il buco attraverso il quale è passato un particolare fotone senza disturbarne il movimento. Proprietà utilizzate qui piastra a quarto d'onda. Una piastra a quarto d'onda è stata posta davanti a ciascuna fenditura, una delle quali ha cambiato la polarizzazione lineare del fotone incidente in circolare in senso orario e l'altra in polarizzazione circolare di sinistra (4b). È stato verificato che il tipo di polarizzazione dei fotoni non ha influenzato il numero di fotoni contati. Ora, determinando la rotazione della polarizzazione di un fotone dopo che è passato attraverso le fenditure, è possibile indicare attraverso quale di esse è passato il fotone. Sapere "in quale direzione" distrugge le interferenze.

4b. Posizionando piastre a quarto d'onda (rettangoli ombreggiati) davanti alle fenditure, è possibile ottenere informazioni su "quale percorso" e l'immagine di interferenza scomparirà.

4c. Posizionando un polarizzatore P opportunamente orientato davanti al rivelatore D1 si cancella l'informazione "da che parte" e si ripristina l'interferenza.

Infatti, dopo il corretto posizionamento delle placche a quarto d'onda davanti alle fenditure, la distribuzione dei conteggi precedentemente osservata, indicativa di interferenza, scompare. La cosa più strana è che ciò accade senza la partecipazione di un osservatore consapevole che può effettuare le misurazioni appropriate! Il semplice posizionamento di piastre a quarto d'onda produce un effetto di cancellazione dell'interferenza.. Quindi, come fa il fotone a sapere che dopo aver inserito le piastre, possiamo determinare lo spazio attraverso il quale è passato?

Tuttavia, questa non è la fine della stranezza. Ora possiamo ripristinare l'interferenza del fotone del segnale senza influenzarla direttamente. Per fare ciò, nel percorso del fotone di controllo che raggiunge il rivelatore D1, posizionare un polarizzatore in modo tale che trasmetta luce con una polarizzazione che è una combinazione delle polarizzazioni di entrambi i fotoni entangled (4c). Questo cambia immediatamente la polarità del fotone segnale di conseguenza. Ora non è più possibile determinare con certezza quale sia la polarizzazione di un fotone incidente sulle fenditure, e attraverso quale fenditura sia passato il fotone. In questo caso, l'interferenza viene ripristinata!

Cancella le informazioni sulla selezione ritardata

Gli esperimenti sopra descritti sono stati condotti in modo tale che il fotone di controllo fosse registrato dal rivelatore D1 prima che il fotone segnale raggiungesse il rivelatore D2. La cancellazione dell'informazione "quale percorso" è stata eseguita modificando la polarizzazione del fotone di controllo prima che il fotone segnale raggiungesse il rivelatore D2. Quindi si può immaginare che il fotone di controllo abbia già detto al suo "gemello" cosa fare dopo: intervenire o meno.

Ora modifichiamo l'esperimento in modo tale che il fotone di controllo colpisca il rivelatore D1 dopo che il fotone segnale è stato registrato al rivelatore D2. Per fare ciò, allontanare il rivelatore D1 dalla sorgente di fotoni. Il modello di interferenza ha lo stesso aspetto di prima. Ora mettiamo le placche a quarto d'onda davanti alle fenditure per determinare quale percorso ha preso il fotone. Il modello di interferenza scompare. Quindi, cancelliamo le informazioni "in che direzione" posizionando un polarizzatore opportunamente orientato davanti al rivelatore D1. Lo schema di interferenza appare di nuovo! Tuttavia, la cancellazione è stata eseguita dopo che il fotone segnale era stato registrato dal rivelatore D2. Com'è possibile? Il fotone doveva essere consapevole del cambiamento di polarità prima che qualsiasi informazione su di esso potesse raggiungerlo.

5. Esperimenti con un raggio laser.

La sequenza naturale degli eventi è qui invertita; l'effetto precede la causa! Questo risultato mina il principio di causalità nella realtà che ci circonda. O forse il tempo non ha importanza quando si tratta di particelle aggrovigliate? L'entanglement quantistico viola il principio di località nella fisica classica, secondo il quale un oggetto può essere influenzato solo dal suo ambiente immediato.

Dall'esperimento brasiliano sono stati condotti molti esperimenti simili, che confermano pienamente i risultati qui presentati. Alla fine, il lettore vorrebbe spiegare chiaramente il mistero di questi fenomeni inaspettati. Sfortunatamente, questo non può essere fatto. La logica della meccanica quantistica è diversa dalla logica del mondo che vediamo ogni giorno. Dobbiamo accettarlo umilmente e rallegrarci del fatto che le leggi della meccanica quantistica descrivono accuratamente i fenomeni che si verificano nel microcosmo, che vengono utilmente utilizzati in dispositivi tecnici sempre più avanzati.