Меню

Квантовая природа света эксперимент



Эксперимент с двойной щелью: создает ли сознание реальность?

Может ли реальность быть иллюзией, которую создает наше сознание? Создает ли сознание материальный мир? Прежде чем ответить на этот вопрос, важно отметить, что «реальность» не просто состоит из крошечных физических кусочков. Молекулы состоят из атомов, атомы — из субатомных частиц вроде протона и электрона, которые на 99,99999 % представляют собой пустое место. Они, в свою очередь, состоят из кварков, которые, по всей видимости, являются частью поля суперструн, которые состоят из вибрирующих струн энергии.

Мы взаимодействуем с миром физических объектов, но на самом деле это просто электрические сигналы, которые интерпретирует наш мозг. В самых мелких пределах и на фундаментальных масштабах природы идеи «физической реальности» не существует. Как говорил нобелевский лауреат, отец квантовой механики Нильс Бор, «все, что мы называем реальным, состоит из вещей, которые нельзя рассматривать как реальные. Если квантовая механика вас еще не шокировала окончательно, вы плохо ее понимаете».

Когда вы хлопаете в ладоши, на самом деле пустое пространство просто соприкасается с еще более пустым пространством с легкой примесью энергетического спина крохотных частиц. Составляющие вещество частицы не имеют абсолютно никакой физической структуры.

Это важно понять, потому что если мы думаем о мире квантовой физики как о мире шаров для боулинга и планет, идея о том, что сознание создает реальность, не имеет никакого смысла. Но если понять, что реальность представляет собой космический суп из нелокализованной энергии и простого пространства, становится очевидно, что наши мысли и сигналы, которые регистрирует мозг, обладают такими же свойствами в своих масштабах.

Сознание представляет собой одну из самых сложных задач науки. Нет никакой возможности объяснить, как нечто вроде материала, химических и физических процессов приводят к чему-то настолько нематериальному, как опыт. Нет никакого объяснения тому, почему вообще существует субъективный опыт и почему развилась чувствительность. Природа будет так же хорошо себя ощущать и без субъективности, а когда мы начинаем научно исследовать происхождение и физику сознания, мы приходим к тому, что возможно сознание и реальность не разделены настолько, насколько полагает наука о материи.

Вот несколько принципов квантовой механики из книги «The Self-Aware Universe» («Самоосознающая Вселенная»), написанная бывшим профессором теоретической физики, который 30 лет преподавал в Орегонском университете, доктором Амитом Гозвами:

  • квантовый объект (вроде электрона) может быть более чем в одном месте в одно время. Он может быть измерен как волна, размазанная в пространстве, и может располагаться в нескольких различных точках по всей волне. Это называется свойство волны.
  • квантовый объект перестает существовать здесь и спонтанно возникает там без перемещения в пространстве. Это известно как квантовый переход. По сути это телепорт.
  • проявление одного квантового объекта, вызванное нашими наблюдениями, спонтанно влияет на связанный с ним объект-близнец, вне зависимости от того, как далеко тот находится. Выбейте электрон и протон из атома. Что бы ни случилось с электроном, то же произойдет с протоном. Это называется «квантовое действие на расстоянии».
  • квантовый объект не может проявиться в обычном пространстве-времени, пока мы не будем наблюдать его как частицу. Сознание разрушает волновую функцию частицы.

Последний пункт интересен тем, что без осознанного наблюдателя, который заставляет волну коллапсировать, она будет оставаться без физического проявления. Наблюдение не только беспокоит измеряемый объект, оно вызывает эффект. Это было проверено так называемым двухщелевым экспериментом, когда присутствие сознательного наблюдателя изменяет поведение электрона, превращая его из волны в частицу. Так называемый эффект наблюдателя полностью потрясает то, что мы знаем о реальном мире. Вот, кстати, мультфильм, в котором все наглядно показано.

Результаты этого эксперимента были опубликованы в журнале Nature. По сути, все сводится к тому, что система измерения, которая используется для обнаружения активности частицы, определяет поведение этой частицы.

Как отмечал ученый Дин Радин, «мы заставляем электрон занимать определенную позицию. Мы сами производим результаты измерения». Теперь же полагают, что «это не мы измеряем электрон, а машина, которая стоит за наблюдением». Но машина просто дополняет наше сознание. Это все равно что сказать «это не я смотрю на того, кто переплывает озеро, это бинокль». Машина сама по себе видит не больше, чем компьютер, который может «слушать» песни, интерпретируя звуковой сигнал.

Некоторые ученые предполагают, что без сознания вселенная будет существовать неопределенно, как море квантового потенциала. Другими словами, физическая реальность не может существовать без субъективности. Без сознания нет физической материи. Это замечание известно как «антропный принцип», и его впервые вывел физик Джон Уилер. По сути, любая возможная вселенная, которую мы можем представить без сознательного наблюдателя, уже будет с ним. Сознание представляет собой основу бытия в таком случае и существовало, возможно, до возникновения физической вселенной. Сознание буквально создает физический мир.

Эти выводы гарантируют огромные последствия тому, как мы понимаем свою взаимосвязь с внешним миром, и какого рода отношения могут быть у нас со Вселенной. Как живые существа, мы обладаем прямым доступом ко всему сущему и фундаменту всего физически существующего. Это нам позволяет сознание. «Мы создаем реальность» означает в данном контексте то, что наши мысли создают перспективу того, что мы есть в нашем мире, но если разобраться, нам важно точное понимание этого процесса. Мы порождаем физическую вселенную своей субъективностью. Ткань вселенной — это сознание, а мы — просто рябь на море вселенной. Получается, нам повезло испытать чудо такой жизни, а Вселенная продолжает вливать в нас часть своего самосознания.

«Я считаю сознание фундаментальным. Я считаю материю производным от сознания. Мы не можем оставаться без сознания. Все, о чем мы говорим, все, что мы видим как существующее, постулирует сознание». — Макс Планк, лауреат Нобелевской премии и пионер квантовой теории.

Источник

Двухщелевой эксперимент — Double-slit experiment

В современной физике эксперимент с двумя щелями — это демонстрация того, что свет и материя могут отображать характеристики как волн, так и частиц, определенных классическим образом; более того, он показывает фундаментально вероятностную природу квантово-механических явлений. Этот тип экспериментов был впервые проведен с использованием света Томасом Янгом в 1801 году для демонстрации волнового поведения света. В то время считалось, что свет состоит либо из волн, либо из частиц. С появлением современной физики, примерно сто лет спустя, стало ясно, что свет может показывать поведение, характерное как для волн, так и для частиц. В 1927 году Дэвиссон и Гермер продемонстрировали, что электроны демонстрируют такое же поведение, которое позже было распространено на атомы и молекулы. Эксперимент Томаса Янга со светом был частью классической физики задолго до квантовой механики и концепции дуальности волна-частица . Он считал, что это продемонстрировало правильность волновой теории света , и его эксперимент иногда называют экспериментом Юнга или щелями Юнга.

Эксперимент принадлежит к общему классу экспериментов по «двойному пути», в которых волна разбивается на две отдельные волны, которые позже объединяются в единую волну. Изменение длины пути обеих волн приводит к фазовому сдвигу , создавая интерференционную картину . Другой вариант — интерферометр Маха – Цендера , разделяющий пучок светоделителем .

Часть серии по
Квантовая механика
я ℏ ∂ ∂ т | ψ ( т ) ⟩ знак равно ЧАС ^ | ψ ( т ) ⟩ <\ displaystyle i \ hbar <\ frac <\ partial><\ partial t>> | \ psi (t) \ rangle = <\ hat > | \ psi (t) \ rangle>

В базовой версии этого эксперимента источник когерентного света , например лазерный луч, освещает пластину, пронизанную двумя параллельными щелями, и свет, проходящий через щели, наблюдается на экране позади пластины. Волновая природа света заставляет световые волны, проходящие через две щели, интерферировать , создавая яркие и темные полосы на экране — результат, которого нельзя было бы ожидать, если бы свет состоял из классических частиц. Однако всегда обнаруживается, что свет поглощается экраном в дискретных точках в виде отдельных частиц (а не волн); картина интерференции проявляется в различной плотности попадания этих частиц на экран. Более того, версии эксперимента, включающие детекторы на щелях, обнаруживают, что каждый детектируемый фотон проходит через одну щель (как классическая частица), а не через обе щели (как волна). Однако такие эксперименты демонстрируют, что частицы не образуют интерференционной картины, если определить, через какую щель они проходят. Эти результаты демонстрируют принцип дуальности волна-частица .

Было обнаружено, что другие объекты атомного масштаба, такие как электроны , демонстрируют такое же поведение при попадании в двойную щель. Кроме того, обнаружение отдельных дискретных ударов по своей природе является вероятностным, что необъяснимо с использованием классической механики .

Эксперимент может быть проведен с объектами, намного крупнее электронов и фотонов, хотя с увеличением размера это становится труднее. Самыми крупными объектами, для которых был проведен эксперимент с двойной щелью, были молекулы , каждая из которых состояла из 810 атомов (общая масса которых превышала 10 000 атомных единиц массы ).

Эксперимент с двумя щелями (и его варианты) стал классическим мысленным экспериментом из- за его ясности в выражении центральных загадок квантовой механики. Поскольку это демонстрирует фундаментальное ограничение способности наблюдателя предсказывать экспериментальные результаты, Ричард Фейнман назвал это «феноменом, который невозможно […] объяснить каким-либо классическим способом , и в котором лежит суть квантовой механики. , в нем заключена единственная загадка [квантовой механики] ».

Содержание

Обзор

Если бы свет состоял строго из обычных или классических частиц, и эти частицы выстреливали по прямой линии через щель и позволяли им падать на экран с другой стороны, мы бы ожидали увидеть узор, соответствующий размеру и форме щели. Однако, когда фактически проводится этот «эксперимент с одной щелью», узор на экране представляет собой дифракционный узор, в котором рассеивается свет. Чем меньше щель, тем больше угол раскрытия. Верхняя часть изображения показывает центральную часть рисунка, образующегося, когда красный лазер освещает щель и, если внимательно присмотреться, две слабые боковые полосы. На более совершенном аппарате можно увидеть больше полос. Дифракция объясняет, что картина является результатом интерференции световых волн из щели.

Если осветить две параллельные щели, свет из двух щелей снова будет мешать. Здесь интерференция представляет собой более выраженную картину с чередующимися светлыми и темными полосами. Ширина полос — это свойство частоты освещающего света. (См. Нижнюю фотографию справа.) Когда Томас Янг (1773–1829) впервые продемонстрировал это явление, он указал, что свет состоит из волн, поскольку распределение яркости можно объяснить попеременно аддитивной и вычитающей интерференцией волновых фронтов . Эксперимент Юнга, проведенный в начале 1800-х годов, сыграл решающую роль в понимании волновой теории света, победив корпускулярную теорию света, предложенную Исааком Ньютоном , которая была общепринятой моделью распространения света в 17 и 18 веках. Однако более позднее открытие фотоэлектрического эффекта продемонстрировало, что при различных обстоятельствах свет может вести себя так, как будто он состоит из дискретных частиц. Эти, казалось бы, противоречивые открытия заставили выйти за рамки классической физики и принять во внимание квантовую природу света.

Фейнман любил говорить, что всю квантовую механику можно почерпнуть из тщательного обдумывания последствий этого единственного эксперимента. Он также предположил (в качестве мысленного эксперимента), что если детекторы располагать перед каждой щелью, интерференционная картина исчезнет.

Соотношение двойственности Энглерта – Гринбергера обеспечивает детальное рассмотрение математики двухщелевой интерференции в контексте квантовой механики.

Эксперимент с двойной щелью низкой интенсивности был впервые проведен Дж. И. Тейлором в 1909 году путем снижения уровня падающего света до тех пор, пока события испускания / поглощения фотонов не стали в основном не перекрываться. Эксперимент двухщелевой не была выполнена ни с чем другим , чем свет до 1961 года, когда Клаус Йонссон из университета Тюбингена осуществляется его электронными пучками. В 1974 году итальянские физики Пьер Джорджио Мерли, Джан Франко Миссироли и Джулио Поцци повторили эксперимент, используя одиночные электроны и бипризму (вместо щелей), показывая, что каждый электрон интерферирует сам с собой, как предсказывает квантовая теория. В 2002 году одноэлектронная версия эксперимента была признана читателями Physics World «самым красивым экспериментом» .

В 2012 году Стефано Фраббони и его сотрудники в конечном итоге провели эксперимент с двумя щелями с электронами и настоящими щелями, следуя оригинальной схеме, предложенной Фейнманом. Они отправляли одиночные электроны на щели, изготовленные из нанотехнологий (шириной около 100 нм), и, собирая прошедшие электроны с помощью одноэлектронного детектора, они могли показать нарастание интерференционной картины с двумя щелями.

В 2019 году Марко Джаммарчи и его коллеги продемонстрировали интерференцию отдельных частиц для антивещества.

Варианты эксперимента

Интерференция отдельных частиц

Важная версия этого эксперимента включает одиночные частицы. Отправка частиц через устройство с двойной щелью по одной приводит к появлению на экране отдельных частиц, как и ожидалось. Примечательно, однако, что картина интерференции возникает, когда этим частицам позволяют собираться одна за другой (см. Соседнее изображение). Это демонстрирует дуальность волна-частица , которая утверждает, что вся материя проявляет свойства как волны, так и частицы: частица измеряется как отдельный импульс в одном месте, а волна описывает вероятность поглощения частицы в определенном месте на экране. . Было показано, что это явление происходит с фотонами, электронами, атомами и даже с некоторыми молекулами, включая бакиболы .

Вероятность обнаружения равна квадрату амплитуды волны и может быть рассчитана с использованием классических волн (см. Ниже ). С момента зарождения квантовой механики некоторые теоретики искали способы включения дополнительных детерминант или « скрытых переменных », которые, если бы они стали известны, могли бы объяснить местоположение каждого отдельного столкновения с целью.

Интерферометр Маха-Цендера

Интерферометр Маха – Цендера можно рассматривать как упрощенную версию эксперимента с двумя щелями. Вместо того, чтобы распространяться через свободное пространство после двух щелей и попадать в любую точку расширенного экрана, в интерферометре фотоны могут распространяться только по двум путям и попадать в два дискретных фотодетектора. Это позволяет описывать его с помощью простой линейной алгебры в размерности 2, а не дифференциальных уравнений.

Фотон, испускаемый лазером, попадает в первый светоделитель и затем оказывается в суперпозиции между двумя возможными траекториями. Во втором светоделителе эти пути интерферируют, в результате чего фотон попадает в фотодетектор справа с вероятностью единица и фотодетектор внизу с вероятностью ноль. Интересно рассмотреть, что бы произошло, если бы фотон определенно находился на любом из путей между светоделителями. Этого можно добиться, заблокировав один из путей или, что то же самое, обнаружив там присутствие фотона. В обоих случаях больше не будет интерференции между путями, и оба фотодетектора будут поражены с вероятностью 1/2. Из этого мы можем сделать вывод, что фотон не идет по тому или иному пути после первого светоделителя, а, скорее, находится в подлинной квантовой суперпозиции двух путей.

Эксперименты «в какую-то сторону» и принцип дополнительности

Хорошо известный мысленный эксперимент предсказывает, что если детекторы частиц расположены в щелях, показывая, через какую щель проходит фотон, интерференционная картина исчезнет. Этот эксперимент в разные стороны иллюстрирует принцип дополнительности, согласно которому фотоны могут вести себя как частицы или как волны, но не могут наблюдаться как оба одновременно. Несмотря на важность этого мысленного эксперимента в истории квантовой механики (например, см. Обсуждение версии этого эксперимента Эйнштейном ), технически осуществимые реализации этого эксперимента не предлагались до 1970-х годов. (Простые реализации эксперимента по учебнику gedanken невозможны, потому что фотоны не могут быть обнаружены без поглощения фотона.) В настоящее время было выполнено множество экспериментов, иллюстрирующих различные аспекты комплементарности.

Эксперимент, проведенный в 1987 году, дал результаты, которые продемонстрировали, что можно получить информацию о том, по какому пути пошла частица, без полного устранения помех. Это показало эффект измерений, который в меньшей степени возмущал частицы при прохождении и тем самым влиял на картину интерференции только в сопоставимой степени. Другими словами, если кто-то не настаивает на том, чтобы метод, используемый для определения, через какую щель проходит каждый фотон, был полностью надежным, он все равно может обнаружить (ухудшенную) интерференционную картину.

Варианты отложенного выбора и квантового ластика

Эксперименты Уиллера с отложенным выбором демонстрируют, что извлечение информации о том, «какой путь» после того, как частица проходит через щели, может задним числом изменить ее предыдущее поведение на щелях.

Эксперименты с квантовым ластиком демонстрируют, что волновое поведение можно восстановить, удалив или иным образом сделав навсегда недоступной информацию «какой путь».

Простая иллюстрация феномена квантового ластика «сделай это дома» была дана в статье в Scientific American . Если установить поляризаторы перед каждой щелью с их осями, ортогональными друг другу, интерференционная картина будет устранена. Поляризаторы можно рассматривать как вводящие информацию о пути для каждого луча. Размещение третьего поляризатора перед детектором с осью 45 ° относительно других поляризаторов «стирает» эту информацию, позволяя вновь появиться интерференционной картине. Это также можно объяснить, рассматривая свет как классическую волну, а также при использовании круговых поляризаторов и одиночных фотонов. Реализации поляризаторов с использованием запутанных пар фотонов не имеют классического объяснения.

Слабое измерение

В ходе получившего широкую огласку эксперимента в 2012 году исследователи заявили, что определили путь, по которому прошла каждая частица, без каких-либо неблагоприятных последствий для интерференционной картины, создаваемой частицами. Для этого они использовали такую ​​установку, что частицы приходили на экран не из точечного источника, а из источника с двумя максимумами интенсивности. Однако комментаторы, такие как Свенссон, отметили, что на самом деле нет противоречия между слабыми измерениями, выполненными в этом варианте эксперимента с двумя щелями, и принципом неопределенности Гейзенберга . Слабые измерения с последующим последующим отбором не позволяли одновременно измерять положение и импульс для каждой отдельной частицы, но, скорее, позволяли измерять среднюю траекторию частиц, прибывших в разные положения. Другими словами, экспериментаторы создавали статистическую карту ландшафта полной траектории.

Другие варианты

В 1967 году Пфлегор и Мандель продемонстрировали интерференцию двух источников, используя два отдельных лазера в качестве источников света.

В 1972 году экспериментально было показано, что в системе с двумя щелями, где в любой момент времени была открыта только одна щель, тем не менее наблюдалась интерференция при условии, что разница в пути была такой, что обнаруженный фотон мог исходить из любой щели. Условия эксперимента были таковы, что плотность фотонов в системе была намного меньше единицы.

В 1999 г. был успешно проведен эксперимент с двумя щелями с молекулами бакибола (каждая из которых содержит 60 атомов углерода). Букиболл достаточно велик (диаметр около 0,7 нм , что почти в полмиллиона раз больше, чем протон), чтобы его можно было увидеть в электронный микроскоп .

В 2005 году Э. Р. Элиэль представил экспериментальное и теоретическое исследование оптического пропускания тонкого металлического экрана, перфорированного двумя субволновыми щелями, разделенными многими длинами оптических волн. Показано, что общая интенсивность диаграммы с двумя щелями в дальней зоне уменьшается или увеличивается в зависимости от длины волны падающего светового луча.

В 2012 году исследователи из Университета Небраски – Линкольна выполнили эксперимент с двумя щелями с электронами, как описано Ричардом Фейнманом , с использованием новых инструментов, которые позволяли контролировать пропускание двух щелей и отслеживать события обнаружения одноэлектронных сигналов. Электроны запускались электронной пушкой и проходили через одну или две щели 62 нм шириной и высотой 4 мкм.

В 2013 году эксперимент с двумя щелями был успешно проведен с молекулами, каждая из которых состояла из 810 атомов (общая масса которых превышала 10 000 атомных единиц массы ). Рекорд был поднят до 2000 атомов (25000 а.е.м.) в 2019 году.

Гидродинамические аналоги пилотной волны

Были разработаны гидродинамические аналоги , которые могут воссоздать различные аспекты квантово-механических систем, включая интерференцию одиночных частиц через двойную щель. Капля силиконового масла, отскакивая от поверхности жидкости, самодвижется за счет резонансного взаимодействия с собственным волновым полем. Капля мягко разбрызгивает жидкость при каждом отскоке. В то же время рябь от прошлых отскоков влияет на его курс. Взаимодействие капли с ее собственными волнами, которые образуют так называемую пилотную волну , заставляет ее проявлять поведение, которое ранее считалось характерным для элементарных частиц, включая поведение, обычно принимаемое как свидетельство того, что элементарные частицы распространяются в пространстве, как волны, без каких-либо конкретное место, пока они не будут измерены.

Поведение, имитируемое с помощью этой гидродинамической системы пилотных волн, включает квантовую дифракцию отдельных частиц, туннелирование, квантованные орбиты, расщепление орбитальных уровней, спин и мультимодальную статистику. Также можно вывести отношения неопределенности и принципы исключения. Доступны видеоролики, иллюстрирующие различные функции этой системы. (См. Внешние ссылки.)

Однако более сложные системы, которые включают две или более частицы в суперпозиции, не поддаются такому простому, классически интуитивному объяснению. Соответственно, гидродинамический аналог запутывания не разработан. Тем не менее возможны оптические аналоги.

Формулировка классической волновой оптики

Большая часть поведения света может быть смоделирована с помощью классической теории волн. Принцип Гюйгенса – Френеля — одна из таких моделей; в нем говорится, что каждая точка на волновом фронте генерирует вторичный вейвлет, и что возмущение в любой последующей точке можно найти, суммируя вклады отдельных вейвлетов в этой точке. Это суммирование должно учитывать фазу, а также амплитуду отдельных вейвлетов. Можно измерить только интенсивность светового поля — она ​​пропорциональна квадрату амплитуды.

В эксперименте с двумя щелями две щели освещаются одним лазерным лучом. Если ширина прорезей достаточно мала (меньше длины волны лазерного света), прорези рассеивают свет на цилиндрические волны. Эти два цилиндрических волновых фронта накладываются друг на друга, и амплитуда, а следовательно, и интенсивность в любой точке объединенных волновых фронтов зависит как от величины, так и от фазы двух волновых фронтов. Разница в фазах между двумя волнами определяется разницей в расстоянии, пройденном двумя волнами.

Если расстояние просмотра велико по сравнению с расстоянием между щелями ( дальнее поле ), разность фаз можно найти, используя геометрию, показанную на рисунке внизу справа. Разница в пути между двумя волнами, бегущими под углом θ , определяется как:

d грех ⁡ θ ≈ d θ <\ Displaystyle д \ грех \ тета \ приблизительно д \ тета>

Где d — расстояние между двумя прорезями. Когда две волны находятся в фазе, то есть разность хода равна целому числу длин волн, суммарная амплитуда и, следовательно, суммарная интенсивность максимальны, а когда они находятся в противофазе, то есть разность хода равна половине длина волны, полторы длины волны и т. д., тогда две волны гасятся и суммарная интенсивность равна нулю. Этот эффект известен как интерференция . Максимумы интерференционных полос возникают при углах

d θ п знак равно п λ , п знак равно 0 , 1 , 2 , … <\ Displaystyle

д \ тета _ <п>= п \ лямбда,

п = 0,1,2, \ ldots>

где λ — длина волны света. Угловое расстояние между полосами θ f определяется выражением

θ ж ≈ λ / d <\ displaystyle \ theta _ \ приблизительно \ lambda / d>

Расстояние между полосами на расстоянии z от щелей определяется выражением

ш знак равно z θ ж знак равно z λ / d <\ Displaystyle

вес = г \ тета _ <е>= г \ лямбда / д>

Например, если две щели разделены на 0,5 мм ( d ) и освещаются лазером с длиной волны 0,6 мкм ( λ ), то на расстоянии 1 м ( z ) расстояние между полосами будет 1,2 мм.

Если ширина щелей b больше, чем длина волны, уравнение дифракции Фраунгофера дает интенсивность дифрагированного света как:

\ mathrm < sinc>^ <2>\ left [ <\ frac <\ pi b \ sin \ theta><\ lambda>> \ right] \ end <выровнено>>>

Где функция sinc определяется как sinc ( x ) = sin ( x ) / x для x ≠ 0 и sinc (0) = 1.

Это проиллюстрировано на рисунке выше, где первая диаграмма представляет собой дифракционную картину одной щели, заданную функцией sinc в этом уравнении, а вторая фигура показывает объединенную интенсивность света, дифрагированного от двух щелей, где cos Функция представляет собой тонкую структуру, а более грубая структура представляет дифракцию на отдельных прорезях, как описано функцией sinc .

Аналогичные расчеты для ближнего поля могут быть выполнены с использованием уравнения дифракции Френеля . По мере того, как плоскость наблюдения приближается к плоскости, в которой расположены щели, дифракционные картины, связанные с каждой щелью, уменьшаются в размере, так что область, в которой возникает интерференция, уменьшается, и может полностью исчезнуть, когда нет перекрытия в две дифрагированные картины.

Интерпретации эксперимента

Подобно мысленному эксперименту с котом Шрёдингера, эксперимент с двойной щелью часто используется для того, чтобы подчеркнуть различия и сходства между различными интерпретациями квантовой механики .

Копенгагенская интерпретация

Копенгагенская интерпретация , выдвинутая некоторыми из пионеров в области квантовой механики, утверждает , что это нежелательно постулировать все , что выходит за рамками математических формул и видов физической аппаратуры и реакций , которые дают нам возможность получить некоторые знания о том , что идет в атомном масштабе. Одна из математических конструкций, которая позволяет экспериментаторам очень точно предсказать определенные экспериментальные результаты, иногда называется волной вероятности. По своей математической форме это аналогично описанию физической волны, но ее «гребни» и «впадины» указывают уровни вероятности возникновения определенных явлений (например, искры света в определенной точке на экране детектора) что можно наблюдать в макромире обычного человеческого опыта.

О вероятности «волны» можно сказать, что она «проходит через пространство», потому что значения вероятности, которые можно вычислить из ее математического представления, зависят от времени. Нельзя говорить о местонахождении какой-либо частицы, такой как фотон, между моментом его испускания и моментом его обнаружения просто потому, что для того, чтобы сказать, что что-то находится где-то в определенное время, нужно это обнаружить. Требование для возможного появления интерференционной картины состоит в том, чтобы частицы испускались и имелся экран, по крайней мере, с двумя различными путями, по которым частица должна пройти от излучателя к экрану обнаружения. Эксперименты ничего не наблюдают между моментом испускания частицы и ее прибытием на экран обнаружения. Если затем трассировка лучей выполняется так, как если бы световая волна (как это понимается в классической физике) была достаточно широкой, чтобы пройти оба пути, то эта трассировка лучей будет точно предсказывать появление максимумов и минимумов на экране детектора, когда много частиц проходят через аппарат и постепенно «раскрашиваем» ожидаемую интерференционную картину.

Формулировка интеграла по путям

Копенгагенская интерпретация похожа на формулировку интеграла по путям квантовой механики, предложенную Фейнманом. Формулировка интеграла по путям заменяет классическое понятие единой уникальной траектории системы суммой по всем возможным траекториям. Траектории складываются с помощью функционального интегрирования .

Каждый путь считается равновероятным и, следовательно, вносит одинаковую сумму. Однако фаза этого вклада в любой заданной точке пути определяется действием на пути:

А путь ( Икс , у , z , т ) знак равно е я S ( Икс , у , z , т ) <\ displaystyle A _ <\ text > (x, y, z, t) = e ^ >

Затем все эти вклады складываются, и величина окончательного результата возводится в квадрат , чтобы получить распределение вероятностей для положения частицы:

п ( Икс , у , z , т ) ∝ | ∫ все пути е я S ( Икс , у , z , т ) | 2 <\ displaystyle p (x, y, z, t) \ propto \ left \ vert \ int _ <\ text <все пути>> e ^ \ right \ vert ^ < 2>>

Как всегда бывает при вычислении вероятности , результаты должны быть затем нормализованы путем наложения:

∭ все пространство п ( Икс , у , z , т ) d V знак равно 1 <\ displaystyle \ iiint _ <\ text <все пространство>> p (x, y, z, t) \, \ mathrm V = 1>

Подводя итог, можно сказать, что распределение вероятности результата представляет собой нормированный квадрат нормы суперпозиции по всем путям от исходной точки до конечной точки волн, распространяющихся пропорционально действию на каждом пути. Различия в кумулятивном действии на разных путях (и, следовательно, в относительных фазах вкладов) создают интерференционную картину, наблюдаемую в эксперименте с двумя щелями. Фейнман подчеркнул, что его формулировка — это просто математическое описание, а не попытка описать реальный процесс, который мы можем измерить.

Реляционная интерпретация

Согласно реляционной интерпретации квантовой механики , впервые предложенной Карло Ровелли , наблюдения, подобные наблюдениям в эксперименте с двумя щелями, являются результатом взаимодействия между наблюдателем (измерительным устройством) и наблюдаемым объектом (с которым происходит физическое взаимодействие), а не каким-либо абсолютная собственность объекта. В случае электрона, если он изначально «наблюдается» на определенной щели, то взаимодействие наблюдателя с частицей (фотон-электрон) включает информацию о положении электрона. Это частично ограничивает возможное расположение частицы на экране. Если он «наблюдается» (измеряется с помощью фотона) не в конкретной щели, а, скорее, на экране, то в процессе взаимодействия отсутствует информация о «каком пути», поэтому определяется «наблюдаемое» положение электрона на экране. строго по функции вероятности. Это делает результирующий узор на экране таким же, как если бы каждый отдельный электрон прошел через обе щели. Также высказывалось предположение, что пространство и расстояние сами по себе являются относительными, и что электрон может казаться «одновременно в двух местах» — например, в обеих щелях, — потому что его пространственные отношения к определенным точкам на экране остаются идентичными в обоих случаях. места прорези.

Интерпретация многих миров

Физик Дэвид Дойч в своей книге «Ткань реальности» утверждает, что эксперимент с двумя щелями является доказательством многомировой интерпретации . Однако, поскольку любая интерпретация квантовой механики эмпирически неразличима, некоторые ученые скептически относятся к этому утверждению.

Теория де Бройля – Бома

Альтернатива стандартному пониманию квантовой механики, теория Де Бройля – Бома утверждает, что частицы всегда имеют точное местоположение и что на их скорости влияет волновая функция. Таким образом, хотя отдельная частица будет проходить через одну конкретную щель в эксперименте с двумя щелями, так называемая «пилотная волна», которая влияет на нее, будет проходить через обе. Две щелевые траектории де Бройля-Бома были впервые рассчитаны Крисом Дьюдни во время работы с Крисом Филиппидисом и Бэзилом Хили в колледже Биркбек (Лондон). Теория де Бройля-Бома дает те же статистические результаты, что и стандартная квантовая механика, но обходится без многих ее концептуальных трудностей.

Источник

Читайте также:  Частицы двигаются быстрее скорости света

Свет и его значения © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.