Ipilẹ ti kuatomu mekaniki

Richard Feynman, ọ̀kan lára ​​àwọn onímọ̀ sáyẹ́ǹsì tó tóbi jù lọ ní ọ̀rúndún kọkàndínlógún, sọ pé kọ́kọ́rọ́ láti lóye àwọn ẹ̀rọ atúpalẹ̀ ni “àdánwò slit ìlọ́po méjì.” Idanwo ti o rọrun ni imọran, ti a ṣe loni, tẹsiwaju lati mu awọn awari iyalẹnu jade. Wọn ṣe afihan bii awọn ẹrọ imọ-ẹrọ kuatomu ti ko ni ibamu pẹlu oye ti o wọpọ, eyiti o yorisi nikẹhin si awọn iṣelọpọ pataki julọ ti awọn ọdun aadọta to kọja.

Ti ṣe idanwo ni ilopo-meji fun igba akọkọ. Thomas Young (1) ní England ní ìbẹ̀rẹ̀ ọ̀rúndún kọkàndínlógún.

ṣàdánwò to Yang

A lo idanwo naa lati fihan pe ina jẹ ti iseda igbi kii ṣe ti ẹda patiku, gẹgẹ bi a ti sọ tẹlẹ. Isaac Newton. Ọdọmọde kan ṣe afihan pe imọlẹ ngbọran ilowosi - iṣẹlẹ ti o jẹ ẹya ti o jẹ ẹya ti o dara julọ (laibikita iru igbi ati alabọde ninu eyiti o tan). Loni, awọn mekaniki kuatomu ṣe ilaja mejeeji ti awọn iwoye ilodisi ọgbọn wọnyi.

Jẹ ki a ranti pataki ti idanwo-pipin meji. Gẹ́gẹ́ bí ó ti sábà máa ń ṣe, mo ń tọ́ka sí ìgbì kan tí ó wà lórí omi tí ó ń rin ìrìn-àjò lọ́pọ̀ yanturu ní àyíká ibi tí wọ́n ti ju òkúta náà sí. 

A igbi ti wa ni akoso nipa itẹlera crests ati awọn troughs radiating jade lati awọn ipo ti idamu, nigba ti mimu kan ibakan aaye laarin awọn crests, ti a npe ni wefulenti. Ni ọna ti igbi, o le fi idena kan, fun apẹẹrẹ, ni irisi igbimọ pẹlu awọn slits dín meji ti a ge nipasẹ eyiti omi le ṣan larọwọto. Lehin ti o ti sọ okuta kekere kan sinu omi, igbi naa duro lori ipin - ṣugbọn kii ṣe oyimbo. Awọn igbi concentric tuntun meji (2) ni bayi tan si apa keji ti ipin lati awọn slit mejeeji. Wọn ni lqkan kọọkan miiran, tabi, bi a ti sọ, dabaru pẹlu kọọkan miiran, ṣiṣẹda kan ti iwa Àpẹẹrẹ lori dada. Ní àwọn ibi tí ìsoríkọ́ ìgbì kan bá pàdé ìsàlẹ̀ òmíràn, ìsokọ́ra omi náà ń pọ̀ sí i, àti níbi tí kòtò kan bá pàdé àfonífojì kan, ìsoríkọ́ náà yóò jinlẹ̀ sí i.

2. kikọlu awọn igbi ti o nyoju lati awọn slits meji.

Ninu idanwo Ọdọmọkunrin, ina-awọ kan ti o jade nipasẹ orisun aaye kan kọja nipasẹ diaphragm akomo kan pẹlu awọn slits meji ati lu iboju kan lẹhin wọn (loni a fẹ lati lo ina laser ati CCD kan). Aworan kikọlu ti igbi ina ni a ṣe akiyesi loju iboju ni irisi lẹsẹsẹ ina aropo ati awọn ila dudu (3). Abajade yii fun igbagbọ lokun pe ina jẹ igbi, ṣaaju ki awọn awari ni ibẹrẹ awọn ọdun XNUMX fihan pe ina tun jẹ igbi. photon ṣiṣan - awọn patikulu ina ti ko ni ibi-isinmi. O nigbamii wa ni jade wipe ohun to igbi-patiku mejiti a ṣe awari ni akọkọ fun ina, tun kan si awọn patikulu miiran ti a fun ni ibi-pupọ. Laipẹ o di ipilẹ fun ijuwe ẹrọ kuatomu tuntun ti agbaye.

3. Ọdọmọkunrin iran ti awọn ṣàdánwò

Awọn patikulu tun dabaru

Ni ọdun 1961, Klaus Jonsson lati Ile-ẹkọ giga ti Tübingen ṣe afihan kikọlu awọn patikulu nla ti a pe ni elekitironi nipa lilo microscope elekitironi. Ọdun mẹwa nigbamii, mẹta Italian physicists lati University of Bologna waiye a iru ṣàdánwò pẹlu nikan-itanna kikọlu (lilo a ki-npe ni biprism dipo ti a ė slit). Wọn dinku kikankikan ti itanna elekitironi si iru iye kekere ti awọn elekitironi kọja nipasẹ biprism ni ọkọọkan, ọkan lẹhin ekeji. Awọn elekitironi wọnyi ni a gbasilẹ lori iboju Fuluorisenti.

Ni ibẹrẹ, awọn itọpa elekitironi ni a pin kaakiri laileto kọja iboju, ṣugbọn ni akoko diẹ wọn ṣe agbekalẹ aworan kikọlu ti o han gbangba ti awọn ete kikọlu. O dabi pe ko ṣee ṣe pe awọn elekitironi meji ti n kọja ni itẹlera nipasẹ awọn slits ni awọn akoko oriṣiriṣi le dabaru pẹlu ara wọn. Nitorina a gbọdọ gba pe ọkan elekitironi interferes pẹlu ara rẹ! Ṣugbọn lẹhinna itanna yoo ni lati kọja nipasẹ awọn slit mejeeji ni akoko kanna.

O le jẹ idanwo lati ṣe akiyesi iho nipasẹ eyiti elekitironi ti kọja gangan. A yoo rii nigbamii bi a ṣe le ṣe akiyesi yii laisi idamu išipopada elekitironi. O wa ni pe ti a ba gba alaye ti elekitironi ti gba, lẹhinna kikọlu naa ... yoo parẹ! "Bawo ni" alaye imukuro kikọlu. Ṣe eyi tumọ si pe wiwa ti oluwoye ti o ni imọran ni ipa ipa ọna ti ilana ti ara?

Ṣaaju ki o to sọrọ nipa awọn abajade iyalẹnu paapaa diẹ sii ti awọn idanwo ilọpo meji, Emi yoo ṣe digression kukuru kan nipa awọn iwọn ti awọn ohun kikọlu. Awọn kikọlu kuatomu ti awọn nkan ti o pọju ni a ṣe awari ni akọkọ fun awọn elekitironi, lẹhinna fun awọn patikulu pẹlu ibi-pupọ ti o pọ si: neutroni, awọn protons, awọn ọta, ati nikẹhin fun awọn moleku kemikali nla.

Ni 2011, igbasilẹ fun iwọn ohun kan ti o ṣe afihan ifarahan ti kikọlu kuatomu ti fọ. Idanwo naa ni a ṣe ni University of Vienna nipasẹ ọmọ ile-iwe dokita kan ni akoko yẹn. Sandra Eibenberger ati awọn ẹlẹgbẹ rẹ. Fun idanwo isinmi-meji, moleku Organic eka kan ti o ni awọn protons 5, 5 ẹgbẹrun neutroni ati awọn elekitironi 5 ẹgbẹrun ni a yan! Ninu idanwo eka pupọ, kikọlu kuatomu ti moleku nla yii ni a ṣe akiyesi.

Eyi jẹrisi igbagbọ pe Kii ṣe awọn patikulu alakọbẹrẹ nikan, ṣugbọn tun gbogbo ohun elo wa labẹ awọn ofin ti awọn ẹrọ mekaniki. Nikan pe bi ohun kan ba ṣe idiju diẹ sii, diẹ sii ni ibaraenisepo pẹlu agbegbe rẹ, eyiti o rú awọn ohun-ini kuatomu arekereke rẹ ti o si ba awọn ipa kikọlu jẹ..

Kuatomu entanglement ati polarization ti ina

Awọn abajade iyalẹnu julọ ti awọn adanwo-pipin meji wa lati lilo ọna pataki kan ti ipasẹ photon, eyiti ko daru išipopada rẹ ni eyikeyi ọna. Ọna yii nlo ọkan ninu awọn iyalẹnu kuatomu ajeji julọ, eyiti a pe ni kuatomu entanglement. A ṣe akiyesi iṣẹlẹ yii pada ni awọn ọdun 30 nipasẹ ọkan ninu awọn olupilẹṣẹ akọkọ ti awọn ẹrọ kuatomu, Erwin Schrödinger.

Skeptical Einstein (wo tun 🙂) pe wọn ni iṣe iwin ni ijinna, sibẹsibẹ, ni idaji ọgọrun ọdun lẹhinna pataki ti ipa yii ti mọ, ati loni o ti di koko-ọrọ ti iwulo pataki si awọn onimọ-jinlẹ.

Kini ipa yii nipa? Ti awọn patikulu meji ti o sunmo ara wọn ni aaye kan ni akoko ni ajọṣepọ pẹlu ara wọn ni agbara tobẹẹ ti wọn ṣẹda iru “ibasepo ibeji,” lẹhinna ibatan naa di paapaa nigbati awọn patikulu naa jẹ awọn ọgọọgọrun ibuso yato si. Lẹhinna awọn patikulu huwa bi eto ẹyọkan. Eyi tumọ si pe nigba ti a ba ṣe iṣẹ kan lori patiku kan, lẹsẹkẹsẹ yoo ni ipa lori patiku miiran. Sibẹsibẹ, ni ọna yii a ko le tan kaakiri alaye ni ijinna kan laipẹ.

Photon jẹ patiku ti ko ni iwọn - apakan alakọbẹrẹ ti ina, eyiti o jẹ igbi itanna. Lehin ti o ti kọja nipasẹ awo kan ti kristali ti o baamu (ti a npe ni polarizer), ina naa di polarized laini, i.e. itanna aaye fekito ti ohun itanna igbi oscillates ni kan awọn ofurufu. Ni ọna, nipa gbigbe ina polarized laini kọja nipasẹ awo kan ti sisanra kan lati gara miiran pato (eyiti a npe ni awo-igbi-mẹẹdogun), o le yipada si ina polarized iyipo, ninu eyiti fekito aaye ina n gbe ni helical kan ( clockwise tabi counterclockwise) išipopada pẹlú itọsọna ti igbi soju. Gegebi bi, a le soro nipa laini tabi iyika polarized photons.

Awọn idanwo pẹlu awọn photon ti o dipọ

4a. Kristali BBO ti kii ṣe laini ṣe iyipada photon kan ti o jade nipasẹ laser argon si awọn fọto ti o somọ meji pẹlu idaji agbara ati isọpo-papẹndikula ti ara ẹni. Awọn photon wọnyi tuka ni awọn ọna oriṣiriṣi ati pe awọn aṣawari D1 ati D2 ṣe igbasilẹ, ti a ti sopọ nipasẹ counter lasan LC. A diaphragm pẹlu awọn slits meji ni a gbe si ọna ọkan ninu awọn photon. Nigbati awọn aṣawari mejeeji ba rii wiwa dide nigbakanna ti awọn photon mejeeji, ifihan agbara ti wa ni ipamọ sinu iranti ẹrọ, ati aṣawari D2 n gbe ni afiwe si awọn slits. Nọmba awọn fọto bi iṣẹ ti ipo oluwari D2 ti o gbasilẹ ni ọna yii ni a fihan ninu apoti, ti o nfihan maxima ati minima ti o nfihan kikọlu.

Ni 2001, ẹgbẹ kan ti Brazil physicists ni Belo Horizonte mu Stephen Walbourne dani ṣàdánwò. Awọn onkọwe rẹ lo awọn ohun-ini ti kristali pataki kan (BBO ti a pe ni kukuru), eyiti o yi apakan kan ti awọn photon ti o jade nipasẹ laser argon si awọn photon meji pẹlu idaji agbara. Awọn wọnyi meji photons ti wa ni entangled pẹlu kọọkan miiran; nigbati ọkan ninu wọn ni, fun apẹẹrẹ, petele polarization, awọn miiran ni inaro polarization. Awọn fọto wọnyi n gbe ni awọn itọnisọna oriṣiriṣi meji ati ṣe awọn ipa oriṣiriṣi ninu idanwo ti n ṣalaye.

Ọkan ninu awọn photon ti a yoo pe Iṣakoso, lọ taara si oluṣawari photon D1 (4a). Oluwari ṣe iforukọsilẹ dide rẹ nipa fifiranṣẹ ifihan agbara itanna si ẹrọ kan ti a pe ni counter lasan. LK Idanwo kikọlu yoo ṣee ṣe lori photon keji; a máa pè é photon ifihan agbara. Ni ọna rẹ nibẹ ni a meji slit atẹle nipa a keji photon aṣawari D2, die-die siwaju lati awọn photon orisun ju oluwari D1. Oluwari yii le fo ipo rẹ ni ibatan si iho meji ni igbakugba ti o ba gba ifihan ti o baamu lati counter lasan. Nigbati aṣawari D1 ṣe awari photon kan, o fi ifihan agbara ranṣẹ si counter lasan. Ti o ba jẹ pe, ni iṣẹju diẹ lẹhinna, aṣawari D2 tun ṣe awari photon kan ti o fi ami kan ranṣẹ si mita naa, yoo ṣe akiyesi pe o wa lati awọn fọto ti a fi sinu, ati pe otitọ yii yoo wa ni ipamọ sinu iranti ẹrọ naa. Ilana yi imukuro awọn ìforúkọsílẹ ti ID photons titẹ awọn oluwari.

Awọn fọto ti o ni asopọ duro fun awọn aaya 400. Lẹhin akoko yii, aṣawari D2 ti yipada nipasẹ 1 mm ni ibatan si ipo ti awọn slits, ati kika awọn fọto ti a dipọ gba iṣẹju 400 miiran. Oluwari naa yoo tun gbe lẹẹkansi nipasẹ 1 mm ati ilana naa tun ṣe ni igba pupọ. O wa ni jade wipe pinpin nọmba ti photons ti o ti gbasilẹ ni ọna yi da lori awọn ipo ti awọn oluwari D2 ni o ni awọn ti iwa maxima ati minima bamu si imọlẹ ati dudu ati kikọlu fringes ni Young ká ṣàdánwò (4a).

A yoo rii lẹẹkansi pe nikan photons ran nipasẹ awọn ė slit dabaru pẹlu kọọkan miiran.

Bawo ni?

Igbesẹ ti o tẹle ninu idanwo naa ni lati pinnu iho nipasẹ eyiti photon kan yoo kọja laisi wahala išipopada rẹ. Awọn ohun-ini ti a lo nibi idamẹrin igbi awo. Awo igbi-mẹẹdogun ni a gbe si iwaju slit kọọkan, ọkan ninu eyiti o yi iyipada laini ti photon isẹlẹ naa pada si polarization Circlewise clockwise, ati ekeji si polarization ipin ti ọwọ osi (4b). Wọ́n fi ìdí rẹ̀ múlẹ̀ pé irú ìpìlẹ̀ photon kò kan iye àwọn fọ́tò tí a kà. Bayi, nipa ṣiṣe ipinnu yiyi ti polarization ti photon lẹhin ti o ti kọja nipasẹ awọn slits, a le fihan eyi ti photon ti kọja. Mọ "ninu itọsọna wo" yọkuro kikọlu.

4b. Nipa gbigbe awọn awo-igbi-mẹẹdogun (awọn onigun ti ojiji) si iwaju awọn slits, alaye nipa “ọna wo” ni a le gba ati pe aworan kikọlu yoo parẹ.

4c. Gbigbe polarizer ti o yẹ ti o yẹ si iwaju aṣawari D1 nu alaye “ọna wo” ati ki o mu kikọlu naa pada.

Ni otitọ, Ni kete ti awọn awo-igbi-mẹẹdogun ti gbe daradara si iwaju awọn slits, ipinpinpin kika ti a ti ṣakiyesi tẹlẹ ti itọkasi kikọlu yoo sọnu. Ohun ajeji julọ ni pe eyi ṣẹlẹ laisi ikopa ti oluwoye ti o ni oye ti o le ṣe awọn iwọn wiwọn ti o yẹ! Nìkan gbigbe awọn awo-igbi-mẹẹdogun ṣe agbejade ipa idalọwọduro kikọlu kan.. Nitorinaa bawo ni photon ṣe mọ pe lẹhin fifi awọn awo sii, a le pinnu aafo nipasẹ eyiti o kọja?

Sibẹsibẹ, eyi kii ṣe opin ti isokuso. A le ṣe atunṣe kikọlu photon ifihan agbara laisi ni ipa taara. Lati ṣe eyi, gbe polarizer kan si ọna ti oluṣewadii Photon ti o de ọdọ D1 ki o tan imọlẹ pẹlu polarization ti o jẹ apapọ awọn polarizations ti awọn photons ti o dipọ (4c). Eyi lesekese yipada polarity ti photon ifihan agbara ni ibamu. Ni bayi ko ṣee ṣe lati pinnu pẹlu dajudaju kini polarization ti isẹlẹ photon lori awọn slits jẹ, ati nipasẹ eyiti slit photon kọja. Ni idi eyi, kikọlu ti wa ni pada!

Pa alaye ti o da duro kuro

Awọn idanwo ti a ṣalaye loke ni a ṣe ni ọna ti o jẹ pe a rii photon iṣakoso nipasẹ aṣawari D1 ṣaaju ami ifihan photon ti de oluwari D2. Piparẹ alaye “ọna wo” ni a ti ṣe nipasẹ yiyipada polarization ti photon awakọ ṣaaju ami ifihan photon ti de aṣawari D2. Lẹhinna ọkan le fojuinu pe photon iṣakoso ti sọ tẹlẹ “ibeji” rẹ kini lati ṣe atẹle: lati laja tabi rara.

Bayi a ṣe atunṣe idanwo naa ni iru ọna ti photon iṣakoso deba aṣawari D1 lẹhin iforukọsilẹ photon ifihan agbara ni aṣawari D2. Lati ṣe eyi, gbe aṣawari D1 kuro ni orisun photon. Ilana kikọlu naa dabi kanna bi iṣaaju. Bayi jẹ ki a gbe awọn awo-igbi-mẹẹdogun si iwaju awọn slits lati pinnu iru ọna ti photon ti gba. Àpẹẹrẹ kikọlu farasin. Nigbamii, jẹ ki a pa alaye “ọna wo” rẹ nipa gbigbe polarizer ti o ni iṣalaye deede si iwaju aṣawari D1. Ilana kikọlu naa han lẹẹkansi! Sibẹsibẹ erasure naa ti ṣe lẹhin ti a ti rii photon ifihan agbara nipasẹ aṣawari D2. Bawo ni eyi ṣe ṣee ṣe? Photon ni lati mọ nipa iyipada polarity ṣaaju ki alaye eyikeyi nipa rẹ le de ọdọ rẹ.

5. Awọn idanwo pẹlu ina ina lesa.

Awọn adayeba ọkọọkan ti awọn iṣẹlẹ nibi ti wa ni ifasilẹ awọn; ipa ti ṣaju idi naa! Abajade yii npa ilana ti ifarabalẹ ni otitọ ni ayika wa. Tabi boya akoko ko ṣe pataki nigbati o ba de si awọn patikulu ti a ti di? Ijọpọ kuatomu rú ilana ti agbegbe, eyiti o kan ni fisiksi kilasika, ni ibamu si eyiti ohun kan le ni ipa nipasẹ awọn agbegbe lẹsẹkẹsẹ.

Niwon idanwo Brazil, ọpọlọpọ awọn adanwo ti o jọra ni a ti ṣe, eyiti o jẹrisi ni kikun awọn abajade ti a gbekalẹ nibi. Ni ipari, oluka yoo fẹ lati ṣalaye ni kedere ohun ijinlẹ ti awọn iṣẹlẹ airotẹlẹ wọnyi. Laanu, eyi ko le ṣee ṣe. Imọye ti awọn mekaniki kuatomu yatọ si imọran ti agbaye ti a rii ni gbogbo ọjọ. A gbọdọ fi irẹlẹ gba eyi ki a si yọ ni otitọ pe awọn ofin ti awọn ẹrọ mekaniki kuatomu ṣapejuwe deede awọn iyalẹnu ti n waye ninu microcosm, eyiti o wulo ni awọn ẹrọ imọ-ẹrọ ti ilọsiwaju siwaju sii.