Sibprompost.ru

Стройка и ремонт
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Эксперимент с двумя щелями

Эксперимент с двумя щелями. Какой эффект на самом деле вызывает детектор?

Маркус де Брун

Когда квант света попадает в двойную щель, он проходит через обе щели в виде волны и попадает на второй экран с интерференционной картиной одной волны, которая была разделена на две волны, которые затем мешали друг другу.

Если детектор размещен на одной из щелей, а дуальность обнаружена на одной из двух щелей, то обнаруженная двойственность переходит на второй экран и попадает на второй экран в виде фотона / частицы, которая «возникла» из электромагнитной волны.

Следовательно, можно предположить, что обнаружение «вызвало» коллапс волновой части дуальности?

Как обнаружение точно повлияло на дуальность? Кто-нибудь может уточнить?

Бен Кроуэлл

Бен Кроуэлл

Бен Кроуэлл

dmckee ♦

анна v

Когда квант света попадает в двойную щель, он проходит через обе щели в виде волны и попадает на второй экран с интерференционной картиной одной волны, которая была разделена на две волны, которые затем мешали друг другу.

Это не правильно. Фотоны приходят по одному целому, а не расщепляются в пространстве. В любом случае, в квантовой механике колеблется вероятность обнаружения частицы, а не самой частицы.

Вот эксперимент с двумя щелями, показывающий один фотон (квант света) за раз, и то, что происходит, когда накапливается много фотонов.

Однофотонная камера для записи фотонов из двойной щели, освещенной очень слабым лазерным светом. Слева направо: один кадр, суперпозиция 200, 1000 и 500000 кадров.

На крайнем левом кадре видны следы отдельных фотонов. Фотоны не оставляют сигнал повсюду, они попадают в определенное положение (x, y) на расстоянии z, в соответствии с вероятностью решения для установки «фотоны рассеиваются от двух щелей с определенной шириной и расстоянием». Эта вероятность определяется Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ ∗ Ψ Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> * Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ определенной волновой функции, и это выглядит случайным в первом кадре слева.

Накопление фотонов показывает классическую интерференционную картину, которая для квантового уровня означает распределение вероятностей Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ ∗ Ψ Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> * Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ ,

Детектор после одной из щелей, перехватывающих фотон, изменяет граничные условия на другую систему и, таким образом, на другую Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ ∗ Ψ Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> * Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ , Это больше не та же экспериментальная установка. Должно быть очевидно, что если детектирующий прибор после щели поглощает фотон, как это делает экран, только нетронутая щель подаст сигнал на дальнем экране, который не сможет помешать самому себе ( сложный эксперимент с электронами, который пытается минимально продемонстрировав эффект, пришел к выводу, что детектирующий уровень действует как точечный источник для проходящих через него электронов, т.е. Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ ∗ Ψ Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> * Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ для электрона, который больше не является когерентным, чтобы показать интерференционную картину.)

Следовательно, можно предположить, что обнаружение «вызвало» коллапс волновой части дуальности?

Обнаружение на экране выбрало («свернуло») экземпляр (x, y, z) исходной волновой функции и удалило этот фотон с последнего экрана. В общем случае после обнаружения «той щели» фотоны находятся в другой волновой функции с новыми граничными условиями.

Как обнаружение точно повлияло на дуальность? Кто-нибудь может уточнить?

На двойственность не влияет обнаружение, математическая модель, которая описывает вероятности, Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ ∗ Ψ Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> * Ψ ∗ Ψ » role=»presentation» style=»position: relative;»> Ψ , имеет другое значение Ψ, поскольку изменились граничные условия и потеря когерентности, необходимой для отображения помех (согласованность в фазах, описывающих фотоны в пространстве-времени). Опять же, термин дуальность волновой частицы имеет отношение к математике квантово-механических вероятностей. Вероятность представляет собой волну (решение квантово-механической системы), когда частица проявляет себя как точка в (x, y, z, t) при взаимодействии при измерении, при накоплении множества частиц с одинаковыми граничными условиями, вероятность Распределение построено. (Это то же самое, что и бросание кубика. Распределение вероятностей в сравнении с числами 1-6 видно при накоплении множества бросков).

Читайте так же:
Какие документы нужны для ук после поверки счетчиков

Маркус де Брун

Маркус де Брун

анна v

анна v

анна v

Gornemant

Несколько недель назад у меня была статья о том, почему интерференционные картины исчезают, когда вы помещаете детектор, чтобы определить, через какую щель проходит фотон. Это дало мне довольно хорошее представление о том, что происходит, и ответило на некоторые из этих вопросов, которые я сам себе задавал. Поскольку эта статья была на французском языке, я постараюсь как можно лучше обобщить то, что я понял, на английском языке.

Если мы рассмотрим луч света, направленный на 2 щели и на другую сторону щелей, экран, установленный на 2 генераторах (это наш детектор), примерно так:

Сначала давайте рассмотрим, что экран установлен. Вы не производите никаких измерений, так что вы видите простую интерференционную картину с различимыми лучами, и без демонстрации (это займет слишком много времени) мы имеем:

Это явление присуще волнам.

Во-вторых, мы проводим измерения, это означает, что теперь экран может колебаться и информировать нас о импульсе фотона (px):

Итак, чтобы иметь возможность узнать, из какой щели произошел фотон, мы должны знать, соответствует ли он p1x или p2x:

И я уверен, что вы слышали о принципе неопределенности Хайнзенберга, который дает нам следующее неравенство:

Заметим, что дельта X имеет тот же порядок величины, что и расстояние между двумя лучами! Это означает, что мы больше не можем видеть интерференционную картину отчетливо! Зная, что интерференционная картина соответствует волнам, мы можем сказать, что свет больше не обладает свойством волны и ведет себя как частица!

Это называется принципом дополнительности: мы не можем видеть свет, ведущий себя как волна и частица одновременно.

Я надеюсь, что это помогло, не стесняйтесь, если у вас есть какие-либо вопросы 🙂

Корпускулярно-волновой дуализм подтвердили экспериментально. Что это значит?

Иногда вещи, которые на первый взгляд кажутся невероятно простыми, на самом деле оказываются чуть ли не самыми сложными. Взять, к примеру, свет. Древние цивилизации испытывали больше трудностей в понимании его природы, чем в понимании вещества – чего-то, к чему можно прикоснуться. Сегодня мы знаем, что свет – это не только способ переноса энергии от Солнца к Земле, делающей жизнь на нашей планете возможной, но и невидимая сеть из фотонов, которая позволяет электромагнетизму работать на расстоянии. Интересно, что до конца XVII века существовало две противоположные теории света. Так, Ньютон считал, что свет состоит из крошечных частиц, которые он назвал корпускулами. Но другие ученые, включая современников английского физика, полагали, что свет состоит из волн, как рябь, движущаяся по поверхности воды. Многим позже шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу удалось объединить Ньютоновские корпускулы и волновую теорию света, создав теорию, в которой эти явления были хорошо собраны воедино.

Перед вами первый в истории снимок света и как волны, и как частицы. Фото сделано в лаборатории Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) в Федеральной политехнической школе Лозанны

Интересный факт
В работе 1801 года английский физик Томас Юнг описал создание двух узких пучков лучей, идущих от одного и того же источника. Опыт показал, что световые волны интерферируют друг с другом, приводя к появлению на экране темных и светлых полос. Используя пару узких щелей Юнг в конечном итоге заставил свет охватить весь листок бумаги.

Природа света

Сегодня мы знаем, что свет может вести себя как частица и как волна. Но достигнуть этого понимания было непросто. Так, к началу XIX века было известно, что волны света могут интерферировать друг с другом (то есть усиливать или ослаблять друг друга).

Если бросить в воду два камушка, в некоторых точках водной глади волны от этих камней будут одновременно подниматься, усиливая друг друга и порождая интенсивную волну. При этом в других точках они будут колебаться в противоположных направлениях и гасить друг друга. В ходе эксперимента Томас Юнг увидел на листе бумаги светлые и темные полосы – это означает, что световые волны подвергались такому же процессу интерференции.

Интерференция волн. Изображение: Юлия Кузьмина для ПостНауки

Основоположником волновой теории света был Христиан Гюйгенс, развивал ее Опасен-Жен Френель, а Джеймс Клерк Максвелл описал электромагнитное поле и электромагнитное излучение в своих уравнениях, сделав возможным понимание природы света. На основе интерференции можно строить голограммы и объяснить интерференцию и дифракцию.

Однако свет можно также рассматривать как поток частиц – фотонов или квантов света. В основе корпускулярной теории лежат идеи Исаака Ньютона. В ХХ веке эти положения развил Макс Планк. Интересно, что используя представление о свете как о потоке частиц, можно объяснить фотоэффект и теорию излучения. В настоящее время считается, что свет может проявлять себя и как волна и как поток частиц.

Корпускулярно-волновой дуализм

Итак, свет может в любой момент времени вести себя как частица или волна, однако демонстрировать одно из двух состояний одновременно он не может. Если эксперимент требовал от него свойств волны, то свет вел себя как волна – и то же самое для частицы. Позже этот принцип стал известен как корпускулярно-волновой дуализм.

Читайте так же:
Счетчики моточасов для насосов

Эту по-настоящему странную картину в итоге удалось завершить французскому физику Луи де Бройлю в 1924 году. Если свет, который рассматривается как волна, может вести себя как поток частиц, то, возможно, частицы, например электроны, могут вести так, как если бы они были волнами.

Древние греки считали, что свет является формой огня, предполагая, что он направлялся из глаз к объектам, которые человек мог видеть.

По сути, концепция де Бройля иллюстрировала, насколько квантовая физика подрывала старые предположения, ведь составляющими веществами материи были электроны, или вещества, а фотоны образовывали невидимый свет. И тем не менее, при некоторых обстоятельствах они вели себя как волны, а при других – как частицы. Как только квантовый мир ворвался в мир классической физики, прежние различия стали менее определенными.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!

Между тем, идея о том, что электроны могут проявлять волновые свойства, отлично вписывалась в модель атома Нобелевского лауреата Нильса Бора. В ней электрон мог занимать только определенные орбитали вокруг ядра и прыгать между орбиталями в квантовых скачках при потере или получении энергии в виде фотона. Напомню, что структура волны электрона, окружающая ядро атома, также известна под названием «орбиталь».

Квантовая революция

Основоположник современной атомной физики, Нильс Бор, пытался разрешить экзистенциальную дилемму квантовой механики. Он изобрел принцип дополнительности, согласно которому в некоторых экспериментах квантовые объекты будут локализованы и действовать как частицы, а в других различных экспериментах точно такой же квантовый объект будет распространяться и действовать как волна.

В 2018 году исследователи из Университета Рочестера в статье, опубликованной в научном журнале Optica, сообщили, что разрешили эту странную и неизбежную корпускулярно-волновую двойственность, обнаружив тесную связь между двойственностью и другой столь же странной особенностью квантовой механики, а именно квантовой запутанностью. Подробнее о том, что представляет собой это удивительное явление, я рассказывала в этой статье.

Ведущий автор исследования Сяофэн Цянь и его коллеги пришли к выводу, что каждая из особенностей квантовой странности — запутанность и двойственность — точно контролирует другую.

Запутанность – это квантово-механическое поведение двух частиц, в котором ни одна из них не может быть описана отдельно, независимо от описания другой, даже если частицы разделены огромным расстоянием. Это то же самое свойство, которое нобелевский лауреат по физике Эрвин Шредингер использовал для объяснения своего знаменитого мысленного эксперимента с участием кошки, счетчика Гейгера и небольшого количества яда в запечатанной коробке.

Совсем недавно запутанность стала важным элементом в продолжающемся развитии квантовых вычислений и квантовой информатики.

Новое открытие вытекает из открытия о двойственности, сделанного Уильямом Вуттерсом и Войцеком Зуреком, двумя аспирантами-физиками Техасского университета в Остине, когда они размышляли о знаменитом эксперименте по оптике, проведенном Томасом Юнгом. В 1979 году Вуттерс и Зурек предсказали, что в одном и том же эксперименте можно измерить как волнообразное рассеяние, так и частичную локализацию света, но сумма измеренных величин не может быть больше.

Исследователи из Рочестера, однако, отмечают, что эксперимент с двумя щелями Юнга также может привести к тому, что обе меры будут равны нулю, что противоречит принципу дополнительности Бора. Согласно общепринятой интерпретации, это означает, что ни частицы, ни волны нет, но свет все еще можно обнаружить, – говорит Цянь.

Это исследование мало назвать революционным – результатом является первое полное описание взаимодополняемости – недостающей части головоломки квантовой запутанности. Описывая способ учета запутанности, наряду с наличием волн и частиц, работа исследователей из Рочестера означает, что каждый эксперимент Юнга, связанный с двойственностью, даст измеренную сумму с точным значением, которая удовлетворяет условиям, изложенным Бором более девяти десятилетий назад.

Новые особенности

Но вернемся к корпускулярно-волновому дуализму. Для количественной проверки его фундаментального принципа и взаимодополняемости необходима квантовая составная система, которой можно управлять с помощью экспериментальных параметров. После того, как Нильс Бор ввел концепцию «взаимодополняемости» в 1928 году, лишь несколько идей были проверены экспериментально.

Таким образом, концепция дополнительности и корпускулярно-волнового дуализма все еще остается неуловимой и еще не полностью подтверждена экспериментально.

Но эта проблема, как и любая другая, имеет решение. Так, исследовательская группа из Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) воспользовалась результатами опытов в «схеме однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой» (оптическая схема, которую физики использовали для демонстрации однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой, для проверки предсказанных ранее соотношения дополнительности).

Новое, разработанное исследователями устройство – двухлучевой интерферометр – генерирует фотоны когерентного сигнала (кванты), которые используются для измерения квантовых помех. Затем кванты проходят по двум отдельным путям, прежде чем достичь детектора.

Сопряженные «холостые» фотоны используются для получения информации о пути частиц с контролируемой точностью, что позволяет количественно оценивать комплементарность, – пишет портал Phys.org со ссылкой на исследование.

Схема эксперимента. PPLN1 и PPLN2 – это СПР кристаллы, BS1, BS2 и BS3 – светоделители, DA и DB – детекторы холостой моды. PD – фотодетектор, фиксирующий квантовую интерференцию между сигнальными фотонами.
T. H. Yoon / Science Advances, 2021; Перевод N+1

Читайте так же:
Счетчик длины для рулонных материалов

Физики также отмечают, что данные, полученные ими на этой установке ранее, могут быть использованы для исследования связи предсказуемости, видимости и квантовой запутанности. В ходе эксперимента им удалось управлять числом фотонов в «холостых модах» с помощью маломощного лазера и, следовательно, чистотой состояний сигнальных фотонов. Полученные результаты продемонстрировали, что экспериментальные данные довольно точно описываются выведенными соотношениями.

Интересный факт
Как пишет в своей книге «Физика для каждого образованного человека» Спектор Анна Артуровна, фотоэлементы сделали возможным звуковое кино. На кинопленку стали наносить звуковую дорожку – прозрачные окошки различной площади. Свет через них достигал фотоэлемента, затем преобразовывался в электрический сигнал и подавался на громкоговоритель.

В целом, из всего вышеописанного можно сделать вывод, к которому в свое время пришел один из выдающихся исследователей ХХ века, физик Ричард Фейнман. «Решение загадки квантовой механики заключается в понимании эксперимента с двумя щелями», – писал он.

Все потому, что результаты нового исследования, вероятно, будут иметь фундаментальные последствия для лучшего понимания принципа дополнительности и количественного соотношения двойственности волны и частицы. Вообщем, фундаментальные силы природы, кажется, все больше поддаются изучению.

Волновая функция

Математический формализм, с помощью которого устраняется парадокс, ставит в соответствие каждой частице амплитуду вероятности ( x , y , z , t ), которая представляет собой функцию координат и времени. Вероятность обнаружить частицу в произвольный момент времени t в любой точке х , у , z пропорциональна | ( х , у , z , t )| 2 , т.е. интенсивности. Квадрат модуля используют потому, что , вообще говоря, комплексная функция.

Формально она обладает свойствами классических волн , и поэтому ее часто называют волновой функцией .

Если событие может произойти несколькими взаимно исключающими способами (как, скажем, при прохождении частицы через одну из щелей А или В ), то амплитуда вероятности этого события представляет собой сумму амплитуд вероятностей каждого из способов:

= 1 + 2 (принцип суперпозиции).

Это утверждение совпадает с правилом сложения амплитуд волн в оптике. В рассмотренном выше примере 1 описывает волну,

проходящую через щель А , а 2 – через щель В . На экране обе

волновые функции перекрываются и дают классическую интерференционную картину от двух щелей, причем направление на n -й максимум определяется выражением sin n = n / d .

Этот формализм составляет основу квантовой механики.

Интересно выяснить, какой механизм прячется за этим законом? Никому никакого механизма отыскать не удалось. Нет представлений о более фундаментальной механике, из которой можно вывести эти результаты.

Рис. 35. Прохождение пучка электронов через две щели

Пусть в точке Р (рис. 36) находится счетчик Гейгера. Амплитуда волны, прошедшей через щель А и достигшей точки Р , в условных единицах равна А = 2, а в случае щели В мы имеем В = 6. Если

открыта только щель А , то в точке Р ежесекундно регистрируется 100 электронов.

а) Сколько электронов регистрируется ежесекундно, если открыта только щель В .

б) Если открыты обе щели и происходит конструктивная интерференция, то определим число ежесекундно регистрируемых электронов.

в) То же, но в случае деструктивной интерференции.

Отношение интенсивностей волн

2 В / 2 А = 36/4 = 9. Следовательно,

через щель В проходит ежесекундно в 9 раз больше частиц, чем

через щель А , т.е. 900 электронов.

В случае «б» полная амплитуда волны = А + В ,

Поскольку 2 = 16 2 А , то в точке Р будет регистрироваться 1600 электронов в секунду.

В случае «в» А и B должны иметь противоположные знаки, чтобы

ослаблять друг друга. Следовательно, = 2 – 6 = –4. Теперь 2 = 16,

т.е. в 4 раза больше

. 2 А Это соответствует регистрации 400

электронов в секунду.

Рассмотрим распределение интенсивности в интерференционном опыте с двумя щелями, если щель В пропускает в 4 раза больше электронов, чем щель А .

В этом случае 2 В 4 2 А или

В 2 А . Полная интенсивность в

Интенсивность в минимуме

I мин ( А 2 А ) 2

Следовательно, отношение I макс / I мин = 9. Распределение интенсивности описывается выражением I = I А [5 + 4cos k ( r В – r А )], где r А и r В – расстояния от экрана до щелей А и В соответственно.

Изложенный формализм порождает ряд вопросов, требующих дальнейшей физической интерпретации. Допустим, что мы выпускаем по одному электрону. Согласно волновым представлениям, каждому электрону сопоставляется цуг волн, или волновой пакет, расщепляющийся поровну между двумя щелями. Однако поместив за щелью А счетчик Гейгера, камеру Вильсона или иной детектор частиц, мы увидим, что через щель никогда не проходит половины электрона. В этом сущность атомизма, который совместим с гипотезой о том, что интенсивность волны за щелью А характеризует вероятность найти электрон (целиком!) в этом месте. Если детектор поместить за щелью А , то интерференционная картина сгладится и получится классический результат. Наличие детектора изменяет результат, превращая интерференционную

Читайте так же:
Не увеличивается счетчик просмотров

картину (рис. 35) в классическую (рис. 34). Многие физики, включая Эйнштейна, пытались придумать такой опыт, в результате которого можно было бы, не нарушая интерференционной картины, установить, через какую именно щель прошла данная частица; однако все эти попытки потерпели неудачу.

Но что же все-таки представляют собой «волны», отвечающие электронам? На этот вопрос следует ответить так же, как в случае фотонов. Электромагнитные волны свободно распространяются в пустом пространстве. В отличие от механических волн в этом случае не существует среды, совершающей колебательное движение.

Волновая функция не является непосредственно наблюдаемой величиной, и в этом смысле ничто не совершает колебательного движения. Проблемы квантовой механики решаются с математической точки зрения аналогично задаче о волнах в жидкости или другим классическим волновым проблемам. Классические волны и волны, отвечающие частицам, подчиняются математическим уравнениям одного и того же типа. Но в классическом случае амплитуда волны непосредственно наблюдаема, а нет.

В 1926 г. М. Борн так сформулировал вероятностный смысл

волновой функции в квантовой механике :

Квадрат модуля волновой функции ( x , y , z , t ) определяет плотность вероятности W того, что в момент времени t 0

частица может быть обнаружена в точке пространства M = M ( x , y , z ) с координатами x , y и z : 2

Вероятность того, что для заданного квантового состояния частицы в некоторый момент времени мы обнаружим частицу в элементарном объеме dV , окружающем точку M , равна

dP = | | 2 dV = * dV .

Вероятностный смысл волновой функции накладывает ограничения на волновые функции в задачах квантовой механики. Эти стандартные условия часто называют условиями регулярности волновой функции. Они включают в себя:

1. Условие конечности волновой функции . Волновая функция не

может принимать бесконечных значений, таких, что интегралы

Опыт с двумя щелями

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».

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.

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.

Читайте так же:
Как считается срок службы счетчика

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.

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.

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector