量子力学的核心
XNUMX世纪最伟大的物理学家之一理查德·费曼认为，理解量子力学的关键是“双缝实验”。 今天进行的这个概念上简单的实验继续产生惊人的发现。 他们展示了量子力学与常识是多么不相容，最终导致了过去五十年来最重要的发明。
他第一次进行了双缝实验。 托马斯·杨 (1) 十九世纪初的英国。
杨氏实验
如前所述，该实验用于表明光具有波浪性质而不是微粒性质。 艾萨克牛顿. 杨刚刚证明光服从 干涉 - 最典型的现象（无论波的类型及其传播的介质如何）。 今天，量子力学调和了这两种逻辑上相互矛盾的观点。
让我们回顾一下双缝实验的本质。 像往常一样，我指的是水面上的波浪，它围绕着卵石被抛出的地方同心地传播。
波由从干扰点辐射的连续波峰和波谷形成，同时波峰之间保持恒定的距离，称为波长。 可以在波浪的路径中设置屏障，例如，以带有两个窄槽的板的形式，水可以通过这些狭槽自由流动。 将一块鹅卵石扔进水里，波浪在隔板上停下来——但不完全是。 两个新的同心波 (2) 现在从两个槽传播到隔板的另一侧。 它们相互叠加，或者，正如我们所说，相互干扰，在表面上形成特征图案。 在一个波峰与另一个波峰相遇的地方，水的隆起加剧，而在凹陷与山谷相遇的地方，凹陷加深。
2. 来自两个槽的波的干扰。
在 Young 的实验中，从点光源发出的单色光穿过一个有两个狭缝的不透明光阑，然后照射到它们后面的屏幕上（今天我们更喜欢使用激光和 CCD）。 在屏幕上以一系列明暗交替的条纹 (3) 的形式观察到光波的干涉图像。 这一结果强化了光是波的信念，在 XNUMX 年代早期的发现表明光也是波之前。 光子通量 是没有静止质量的轻粒子。 后来才知道是神秘的 波粒二象性首次发现的光也适用于其他具有质量的粒子。 它很快成为对世界进行新的量子力学描述的基础。
三、杨氏实验的愿景
粒子也会干扰
1961 年，图宾根大学的克劳斯·琼森（Klaus Jonsson）用电子显微镜证明了大质量粒子——电子的干涉。 十年后，来自博洛尼亚大学的三位意大利物理学家进行了类似的实验 单电子干涉 （使用所谓的双棱镜而不是双缝）。 他们将电子束的强度降低到如此低的值，以至于电子一个接一个地通过双棱镜，一个接一个。 这些电子被记录在荧光屏上。
最初，电子轨迹随机分布在屏幕上，但随着时间的推移，它们形成了干涉条纹的明显干涉图像。 两个在不同时间相继通过狭缝的电子似乎不可能相互干扰。 因此，我们必须承认 一个电子干扰自己！ 但随后电子必须同时通过两个狭缝。
看看电子实际通过的孔可能很诱人。 稍后我们将看到如何在不干扰电子运动的情况下进行这样的观察。 事实证明，如果我们得到关于电子接收到什么的信息，那么干扰……就会消失！ “如何”信息破坏干扰。 这是否意味着有意识的观察者的存在会影响物理过程的进程？
在谈论双缝实验更令人惊讶的结果之前，我将稍微离题一下干涉物体的大小。 质量物体的量子干涉首先是针对电子发现的，然后是针对质量不断增加的粒子：中子、质子、原子，最后是大型化学分子。
2011年打破了物体大小的记录，证明了量子干涉现象。 该实验由当时的一名博士生在维也纳大学进行。 桑德拉·艾本伯格 和她的同事。 实验选择了一个包含约 5 个质子、5 个中子和 5 个电子的复杂有机分子，有两个断裂！ 在一个非常复杂的实验中，观察到了这种巨大分子的量子干涉。
这证实了这样的信念 量子力学定律不仅服从基本粒子，而且服从每一个物质对象。 只是物体越复杂，它与环境的相互作用就越多，这违反了它微妙的量子特性，破坏了干涉效应。.
光的量子纠缠和偏振
双缝实验最令人惊讶的结果来自使用一种特殊的跟踪光子的方法，这种方法不会以任何方式干扰它的运动。 这种方法使用了一种最奇怪的量子现象，即所谓的 量子纠缠. 早在 30 年代，量子力学的主要创造者之一就注意到了这一现象， 欧文·薛定er.
持怀疑态度的爱因斯坦（另见🙂称它们为远处的幽灵作用。然而，仅半个世纪后，这种效应的重要性才被意识到，今天它已成为物理学家特别感兴趣的主题。
这个效果是关于什么的？ 如果在某个时间点彼此靠近的两个粒子相互作用如此强烈，以至于它们形成了一种“孪生关系”，那么即使粒子相隔数百公里，这种关系也会持续存在。 然后粒子表现为一个单一的系统。 这意味着当我们对一个粒子执行操作时，它会立即影响另一个粒子。 但是，通过这种方式，我们无法在一定距离内无时无刻地传输信息。
光子是一种无质量粒子——光的基本部分，它是一种电磁波。 通过相应晶体的板（称为偏振器）后，光变为线偏振，即电磁波的电场矢量在某个平面内振荡。 反过来，通过使线偏振光通过来自另一个特定晶体的一定厚度的板（所谓的四分之一波片），可以将其转换为圆偏振光，其中电场矢量以螺旋（顺时针或逆时针）沿波传播方向运动。 因此，可以说是线性或圆偏振光子。
纠缠光子实验
4a。 非线性 BBO 晶体将氩激光器发射的光子转换为两个纠缠光子，其能量为一半，偏振相互垂直。 这些光子向不同方向散射并被探测器 D1 和 D2 记录，探测器 D2 和 D2 由符合计数器 LK 连接。带有两个狭缝的光阑放置在其中一个光子的路径中。 当两个探测器都记录到两个光子几乎同时到达时，信号被存储在设备的内存中，探测器 DXNUMX 平行于狭缝步进。 如此记录的取决于探测器 DXNUMX 位置的光子数显示在方框中，显示最大值和最小值，表示干扰。
2001年，一群巴西物理学家在贝洛奥里藏特的指导下进行了表演。 斯蒂芬沃尔伯恩 不寻常的实验。 它的作者利用了一种特殊晶体（简称BBO）的特性，将氩激光器发射的光子中的某一部分转换成两个能量一半的光子。 这两个光子相互纠缠； 例如，当其中一个具有水平极化时，另一个具有垂直极化。 这些光子在两个不同的方向上移动，并在所描述的实验中扮演不同的角色。
我们要命名的光子之一 控制, 直接进入光子探测器 D1 (4a)。 探测器通过向称为命中计数器的设备发送电信号来记录其到达。 LK 将对第二个光子进行干涉实验； 我们会打电话给他 信号光子. 在其路径中有一个双缝，然后是第二个光子探测器 D2，它比探测器 D1 离光子源稍远。 每次从命中计数器接收到适当的信号时，该检测器都可以在双槽周围跳跃。 当探测器 D1 记录一个光子时，它会向符合计数器发送一个信号。 如果检测器 D2 也记录了一个光子并向仪表发送信号，那么它会识别出它来自纠缠光子，并且这个事实将存储在设备的内存中。 此过程不包括进入检测器的随机光子的注册。
纠缠的光子持续 400 秒。 此后，探测器 D2 相对于狭缝的位置移动 1 毫米，纠缠光子的计数又需要 400 秒。 然后探测器再次移动 1 mm，该过程重复多次。 事实证明，以这种方式记录的光子数的分布取决于探测器D2的位置，具有对应于杨氏实验（4a）中的明暗和干涉条纹的特征最大值和最小值。
我们再次发现 通过双缝的单光子相互干涉.
怎么会这样呢？
实验的下一步是确定特定光子在不干扰其运动的情况下通过的孔。 此处使用的属性 四分之一波片. 四分之一波片放置在每个狭缝的前面，其中一个将入射光子的线性偏振改变为顺时针圆形，另一个改变为左旋圆偏振（4b）。 经证实，光子偏振的类型不影响计数的光子数。 现在，通过确定光子通过狭缝后的偏振旋转，可以指示光子通过了哪些狭缝。 知道“在哪个方向”会破坏干扰。
4b。 通过在狭缝前面放置四分之一波片（阴影矩形），可以获得“哪条路”信息，干涉图像就会消失。
4c。 在检测器 D1 前面放置一个适当定向的偏振器 P 会消除“方向”信息并恢复干扰。
事实上， 在将四分之一波片正确放置在狭缝前后，先前观察到的计数分布（指示干扰）消失了。 最奇怪的是，这是在没有能够进行适当测量的有意识观察者参与的情况下发生的！ 仅仅放置四分之一波片就会产生干扰消除效果。. 那么光子是如何知道插入板子后，我们可以确定它通过的间隙呢？
然而，这并不是怪事的结束。 现在我们可以在不直接影响它的情况下恢复信号光子干扰。 为此，在控制光子到达检测器 D1 的路径中，放置一个偏振器，使其透射具有两个纠缠光子的偏振组合的偏振光 (4c)。 这会立即相应地改变信号光子的极性。 现在不再可能确定入射到狭缝上的光子的偏振是什么，以及光子通过哪个狭缝。 在这种情况下，干扰恢复！
删除延迟的选择信息
上述实验是这样进行的，即在信号光子到达检测器 D1 之前，检测器 D2 记录了控制光子。 通过在信号光子到达检测器 D2 之前改变控制光子的偏振来执行“哪条路径”信息的擦除。 然后可以想象，控制光子已经告诉它的“双胞胎”下一步该做什么：干预或不干预。
现在我们修改实验，使控制光子在信号光子在检测器 D1 处记录后撞击检测器 D2。 为此，请将探测器 D1 移离光子源。 干涉图案看起来和以前一样。 现在让我们在狭缝前面放置四分之一波片，以确定光子经过的路径。 干涉图案消失。 接下来，让我们通过在检测器 D1 前面放置一个适当定向的偏振器来消除“方向”信息。 干涉纹又出现了！ 然而，擦除是在探测器 D2 记录到信号光子之后完成的。 这怎么可能？ 光子必须在任何有关它的信息到达它之前意识到极性变化。
5. 激光束实验。
事件的自然顺序在这里颠倒了； 果先于因！ 这一结果破坏了我们周围现实中的因果关系原则。 或者，当涉及到纠缠粒子时，时间可能并不重要？ 量子纠缠违反了经典物理学中的局部性原理，根据该原理，物体只能受到其直接环境的影响。
自巴西实验以来，已经进行了许多类似的实验，这充分证实了这里提出的结果。 最后，读者想清楚地解释这些意想不到的现象的奥秘。 不幸的是，这是无法做到的。 量子力学的逻辑不同于我们日常所见世界的逻辑。 我们必须谦虚地接受这一点，并为量子力学定律准确地描述微观世界中发生的现象而感到高兴，这些现象在更先进的技术设备中得到了有用的应用。
