Hauv plawv ntawm quantum mechanics

Richard Feynman, yog ib tus kws tshaj lij physicists ntawm lub xyoo pua XNUMXth, tau sib cav hais tias tus yuam sij rau kev nkag siab txog quantum mechanics yog "kev sim ob npaug". Qhov kev sim yooj yim no, ua rau niaj hnub no, tseem ua rau muaj txiaj ntsig zoo tshaj plaws. Lawv qhia tias qhov tsis sib haum xeeb nrog kev nkag siab zoo li cas yog quantum mechanics, uas nws thiaj li coj mus rau qhov tseem ceeb tshaj plaws inventions ntawm tsib caug xyoo dhau los.

Thawj zaug nws tau ua qhov kev sim ob npaug. Thomas Young (1) nyob rau hauv teb chaws Askiv nyob rau hauv thaum ntxov XIX caug xyoo.

Young txoj kev sim

Qhov kev sim tau siv los qhia tias lub teeb yog qhov xwm txheej yoj thiab tsis yog lub cev, raws li tau hais dhau los. Isaac Newton. Hluas nyuam qhuav pom tias lub teeb ua raws li kev cuam tshuam - ib qho tshwm sim uas yog tus yam ntxwv tshaj plaws (tsis hais hom yoj thiab qhov nruab nrab uas nws nthuav tawm). Niaj hnub no, quantum mechanics reconciles ob qho tib si ntawm cov kev xav tsis sib haum xeeb no.

Cia peb nco qab qhov tseem ceeb ntawm qhov kev sim ob-slit. Raws li ib txwm muaj, kuv txhais tau hais tias nthwv dej ntawm cov dej uas nthuav dav nyob ib puag ncig ntawm qhov chaw uas pebble tau pov tseg. 

Ib nthwv dej yog tsim los ntawm kev ua tiav cov crests thiab troughs radiating los ntawm qhov chaw ntawm kev cuam tshuam, thaum tuav qhov kev ncua deb ntawm cov crests, uas yog hu ua lub wavelength. Ib qho barrier tuaj yeem muab tso rau hauv txoj hauv kev ntawm nthwv dej, piv txwv li, hauv daim ntawv ntawm lub rooj tsavxwm nrog ob lub qhov nqaim hlais uas cov dej tuaj yeem ntws tau dawb. Npog ib lub pob zeb rau hauv dej, nthwv dej nres ntawm qhov muab faib - tab sis tsis heev. Ob tug tshiab concentric nthwv dej (2) tam sim no propagated mus rau lwm sab ntawm muab faib los ntawm ob lub qhov. Lawv yog superimposed rau ib leeg, los yog, raws li peb hais, cuam tshuam rau ib leeg, tsim ib tug yam ntxwv qauv ntawm qhov chaw. Nyob rau hauv qhov chaw uas lub crest ntawm ib tug nthwv dej ntsib lub crest ntawm lwm tus, cov dej bulge intensifies, thiab qhov twg lub hollow ntsib lub hav, kev nyuaj siab tob.

2. Kev cuam tshuam ntawm nthwv dej tawm ntawm ob lub qhov.

Hauv Young qhov kev sim, ib lub teeb xim ib leeg tawm ntawm qhov chaw hla dhau los ntawm cov opaque diaphragm nrog ob txoj hlua thiab tsoo lub vijtsam tom qab lawv (hnub no peb xav siv lub teeb laser thiab CCD). Ib daim duab cuam tshuam ntawm lub teeb nthwv dej tau pom ntawm qhov screen hauv daim ntawv ntawm cov kab sib hloov ntawm lub teeb thiab tsaus nti (3). Qhov txiaj ntsig no txhawb kev ntseeg tias lub teeb yog nthwv dej, ua ntej kev tshawb pom thaum ntxov xyoo XNUMX tau pom tias lub teeb kuj yog nthwv dej. photon flux - lub teeb particles uas tsis muaj qhov chaw so. Tom qab ntawd nws muab tawm hais tias lub mysterious yoj-particle dualthawj zaug pom rau lub teeb kuj tseem siv tau rau lwm cov khoom uas muaj txiaj ntsig nrog huab hwm coj. Tsis ntev nws dhau los ua lub hauv paus rau qhov tshiab quantum mechanical piav qhia ntawm lub ntiaj teb.

3. Lub zeem muag ntawm Young qhov kev sim

Cov khoom kuj cuam tshuam

Xyoo 1961, Klaus Jonsson los ntawm University of Tübingen tau qhia txog kev cuam tshuam ntawm cov khoom loj heev - cov khoom siv hluav taws xob siv lub tshuab ntsuas hluav taws xob. Kaum xyoo tom qab, peb tus kws kho mob Italian los ntawm University of Bologna tau ua qhov kev sim zoo sib xws nrog ib leeg electron cuam tshuam (siv lub npe hu ua biprism es tsis txhob muab ob npaug rau). Lawv txo qhov kev siv ntawm cov hluav taws xob hluav taws xob mus rau qhov tsis tshua muaj nqi uas cov electrons dhau los ntawm biprism ib tom qab, ib qho tom qab. Cov electrons no tau sau npe rau ntawm lub vijtsam fluorescent.

Thaum pib, cov kab hluav taws xob tau muab faib ua ntu zus ntawm qhov screen, tab sis dhau sij hawm lawv tsim cov duab cuam tshuam sib txawv ntawm kev cuam tshuam fringes. Nws zoo nkaus li tsis yooj yim sua tias ob lub tshuab hluav taws xob dhau los ntawm kev sib txuas ua ke ntawm lub sijhawm sib txawv tuaj yeem cuam tshuam rau ib leeg. Yog li ntawd, peb yuav tsum lees paub qhov ntawd ib tug electron cuam tshuam nrog nws tus kheej! Tab sis tom qab ntawd cov hluav taws xob yuav tsum dhau los ntawm ob qho tib si tib lub sijhawm.

Tej zaum nws yuav ntxias kom saib ntawm lub qhov uas cov hluav taws xob tau dhau mus. Tom qab ntawd peb yuav pom yuav ua li cas ua qhov kev soj ntsuam zoo li no yam tsis muaj kev cuam tshuam kev txav ntawm lub tshuab hluav taws xob. Nws hloov tawm tias yog tias peb tau txais cov ntaub ntawv hais txog dab tsi cov hluav taws xob tau txais, ces qhov cuam tshuam ... yuav ploj mus! Cov ntaub ntawv "yuav ua li cas" rhuav tshem kev cuam tshuam. Puas yog qhov no txhais tau hais tias muaj tus neeg saib xyuas kev nco qab cuam tshuam rau txoj haujlwm ntawm lub cev?

Ua ntej tham txog qhov tseem ceeb tshaj qhov tshwm sim ntawm kev sim ob npaug, kuv yuav ua rau me me digression txog qhov ntau thiab tsawg ntawm cov khoom cuam tshuam. Quantum cuam tshuam ntawm cov khoom loj tau tshawb pom thawj zaug rau cov khoom siv hluav taws xob, tom qab ntawd rau cov khoom uas muaj cov khoom loj: neutrons, protons, atoms, thiab thaum kawg rau cov tshuaj molecules loj.

Hauv xyoo 2011, cov ntaub ntawv rau qhov loj ntawm ib qho khoom tawg, uas tshwm sim ntawm quantum cuam tshuam. Qhov kev sim tau ua tiav hauv University of Vienna los ntawm tus kws kho mob cov tub ntxhais kawm ntawm lub sijhawm. Sandra Eibenberger thiab nws cov neeg koom tes. Lub complex organic molecule uas muaj txog 5 protons, 5 txhiab neutrons thiab 5 txhiab electrons raug xaiv rau qhov kev sim nrog ob so! Nyob rau hauv ib qho kev sim nyuaj heev, qhov kev cuam tshuam quantum ntawm no loj molecule tau pom.

Qhov no tau lees paub qhov kev ntseeg ntawd Cov kev cai ntawm quantum mechanics ua raws tsis yog cov khoom siv hauv tsev xwb, tab sis kuj yog txhua yam khoom siv. Tsuas yog tias qhov nyuaj ntawm cov khoom, qhov ntau nws cuam tshuam nrog ib puag ncig, uas ua txhaum nws cov khoom siv quantum maj mam thiab rhuav tshem cov teebmeem cuam tshuam..

Quantum entanglement thiab polarization ntawm lub teeb

Cov txiaj ntsig xav tsis thoob tshaj plaws ntawm kev sim ob-slit yog los ntawm kev siv ib txoj hauv kev tshwj xeeb ntawm kev taug qab cov photon, uas tsis cuam tshuam nws cov lus tsa suab hauv txhua txoj kev. Txoj kev no siv ib qho ntawm qhov txawv tshaj plaws quantum phenomena, hu ua quantum entanglement. Qhov tshwm sim no tau pom rov qab rau hauv 30s los ntawm ib qho ntawm cov neeg tsim khoom tseem ceeb ntawm quantum mechanics, Erwin Schrödinger.

Cov tsis ntseeg Einstein (saib kuj 🙂 hu lawv ua dab tsi nyob deb. Txawm li cas los xij, tsuas yog ib nrab xyoo tom qab qhov tseem ceeb ntawm cov nyhuv no tau pom, thiab niaj hnub no nws tau dhau los ua ib qho kev nyiam tshwj xeeb rau cov kws kho mob.

Qhov no cuam tshuam li cas? Yog hais tias ob lub ntsiab lus uas nyob ze rau ib leeg ntawm qee lub sijhawm hauv lub sijhawm sib cuam tshuam nrog kev sib raug zoo uas lawv tsim ib hom "kev sib raug zoo ntxaib", ces kev sib raug zoo txuas mus ntxiv txawm tias cov khoom muaj ntau pua mais sib nrug. Tom qab ntawd cov khoom coj los ua ib qho system. Qhov no txhais tau hais tias thaum peb ua ib qho kev txiav txim ntawm ib qho, nws tam sim ntawd cuam tshuam rau lwm qhov. Txawm li cas los xij, nyob rau hauv txoj kev no peb tsis tuaj yeem xa cov ntaub ntawv tsis pub dhau mus.

Ib tug photon yog ib tug massless particle - ib feem ntawm lub teeb, uas yog ib tug electromagnetic yoj. Tom qab dhau los ntawm ib lub phaj ntawm cov khoom siv lead ua (hu ua polarizer), lub teeb ua linearly polarized, i.e. lub vector ntawm hluav taws xob teb ntawm electromagnetic yoj oscillates hauv ib lub dav hlau. Nyob rau hauv lem, los ntawm kev hla lub teeb linearly polarized los ntawm ib lub phaj ntawm ib tug tej thickness los ntawm lwm yam siv lead ua (lub thiaj li hu ua lub quarter-wave phaj), nws muaj peev xwm hloov mus rau hauv ib ncig lub teeb polarized, nyob rau hauv uas lub hluav taws xob teb vector tsiv nyob rau hauv ib tug helical ( clockwise los yog counterclockwise) txav raws kev taw qhia ntawm yoj propagation. Yog li ntawd, ib tug yuav hais tau ntawm linearly los yog ncig polarized photons.

Kev sim nrog entangled photons

4 ib a. Ib tug non-linear BBO siv lead ua hloov ib photon emission los ntawm ib tug argon laser mus rau hauv ob entangled photons nrog ib nrab ntawm lub zog thiab ob leeg perpendicular polarization. Cov photons tawg mus rau hauv cov lus qhia sib txawv thiab raug kaw los ntawm cov cuab yeej D1 thiab D2, txuas nrog lub rooj sib txoos LK. Ib lub diaphragm nrog ob qhov slits tau muab tso rau hauv txoj kev ntawm ib qho ntawm cov photons. Thaum ob lub detectors sau npe yuav luag ib txhij tuaj txog ntawm ob qho tib si photons, lub teeb liab tau muab khaws cia rau hauv lub cim xeeb ntawm lub cuab yeej, thiab tus ntes D2 cov kauj ruam sib npaug rau cov slits. Tus naj npawb ntawm photons nyob ntawm txoj hauj lwm ntawm lub ntes D2, yog li kaw, yog qhia nyob rau hauv lub thawv, qhia qhov maxima thiab minima, qhia txog kev cuam tshuam.

Nyob rau hauv 2001, ib pab pawg neeg ntawm Brazilian physicists nyob rau hauv Belo Horizonte ua nyob rau hauv cov kev taw qhia ntawm Stephen Walborn txawv txawv sim. Nws cov kws sau ntawv tau siv cov khoom ntawm cov siv lead ua tshwj xeeb (cov ntawv luv BBO), uas hloov qee qhov ntawm cov photons tawm los ntawm argon laser rau hauv ob lub photons nrog ib nrab ntawm lub zog. Ob lub photons no yog entangled nrog ib leeg; thaum ib tug ntawm lawv muaj, piv txwv li, kab rov tav polarization, lwm yam muaj ntsug polarization. Cov photons no txav mus rau hauv ob txoj kev sib txawv thiab ua lub luag haujlwm sib txawv hauv qhov kev sim tau piav qhia.

Ib tug ntawm cov photons peb yuav mus rau npe tswj, mus ncaj qha mus rau photon ntes D1 (4a). Lub tshuab ntes tau sau npe nws tuaj txog los ntawm kev xa hluav taws xob teeb liab mus rau lub cuab yeej hu ua hit counter. LK Ib qho kev sim cuam tshuam yuav ua rau ntawm lub thib ob photon; peb yuav hu nws teeb liab photon. Muaj ob txoj hlua khi rau hauv nws txoj kev, ua raws li tus thib ob photon detector, D2, me ntsis ntxiv los ntawm qhov chaw photon tshaj li tus ntes D1. Qhov ntsuas no tuaj yeem dhia ncig ntawm ob lub qhov rooj txhua zaus nws tau txais cov teeb liab tsim nyog los ntawm lub txee ntaus. Thaum kuaj pom D1 sau npe rau photon, nws xa cov teeb liab mus rau lub rooj sib txoos. Yog hais tias nyob rau hauv ib lub sij hawm lub detector D2 kuj sau npe ib tug photon thiab xa ib lub teeb liab mus rau lub 'meter', ces nws yuav paub hais tias nws los ntawm entangled photons, thiab qhov tseeb no yuav muab khaws cia rau hauv lub cim xeeb ntawm lub ntaus ntawv. Cov txheej txheem no tsis suav nrog kev sau npe ntawm random photons nkag mus rau hauv lub ntes.

Entangled photons nyob twj ywm rau 400 vib nas this. Tom qab lub sij hawm no, lub D2 ntes tau txav los ntawm 1 hli nrog rau txoj hauj lwm ntawm cov slits, thiab suav cov entangled photons yuav siv sij hawm ntxiv 400 vib nas this. Tom qab ntawd tus ntes tau rov txav los ntawm 1 hli thiab cov txheej txheem rov qab ntau zaus. Nws hloov tawm hais tias qhov kev faib tawm ntawm cov xov tooj ntawm photons tau sau tseg nyob rau hauv txoj haujlwm no nyob ntawm txoj haujlwm ntawm lub tshuab ntes D2 muaj cov yam ntxwv maxima thiab minima sib haum rau lub teeb thiab tsaus ntuj thiab cuam tshuam fringes hauv Young txoj kev sim (4a).

Peb pom dua qhov ntawd ib qho photons dhau los ntawm ob qhov slit cuam tshuam rau ib leeg.

Yuav ua li cas?

Cov kauj ruam tom ntej hauv kev sim yog txiav txim siab lub qhov uas ib qho photon dhau los tsis cuam tshuam nws txoj kev txav. Cov cuab yeej siv no quarter wave phaj. Ib lub quarter-yoj phaj tau muab tso rau pem hauv ntej ntawm txhua qhov slit, ib qho ntawm cov uas hloov cov kab polarization ntawm qhov xwm txheej photon mus rau lub voj voog voj voog, thiab lwm qhov mus rau sab laug tes ncig polarization (4b). Nws tau raug txheeb xyuas tias hom photon polarization tsis cuam tshuam rau tus naj npawb ntawm photons suav. Tam sim no, los ntawm kev txiav txim siab kev sib hloov ntawm lub polarization ntawm photon tom qab nws tau dhau los ntawm cov slits, nws muaj peev xwm qhia tau los ntawm qhov twg ntawm lawv cov photon tau dhau mus. Paub "nyob rau hauv qhov kev taw qhia" rhuav tshem kev cuam tshuam.

4b ib. Los ntawm kev muab cov phiaj xwm lub quarter-wave (shaded duab plaub) nyob rau hauv pem hauv ntej ntawm cov slits, "txoj kev twg" cov ntaub ntawv tuaj yeem tau thiab cov duab cuam tshuam yuav ploj mus.

4c ib. Muab ib qho kev taw qhia kom zoo polarizer P nyob rau hauv pem hauv ntej ntawm lub tshuab ntes D1 tshem tawm cov ntaub ntawv "txoj kev twg" thiab rov ua qhov cuam tshuam.

Tiag tiag, Tom qab qhov tseeb qhov chaw ntawm lub quarter-yoj daim hlau nyob rau hauv pem hauv ntej ntawm lub slits, yav tas los soj ntsuam kev faib ntawm suav, qhia txog kev cuam tshuam, ploj. Qhov txawv tshaj plaws yog qhov no tshwm sim yam tsis muaj kev koom tes ntawm tus neeg saib xyuas uas muaj peev xwm ua tau qhov kev ntsuas tsim nyog! Qhov tsuas yog qhov chaw ntawm lub quarter-yoj daim hlau ua rau muaj kev cuam tshuam kev cuam tshuam.. Yog li ua li cas cov photon paub tias tom qab tso cov phiaj, peb tuaj yeem txiav txim siab qhov sib txawv ntawm qhov nws dhau mus?

Txawm li cas los xij, qhov no tsis yog qhov kawg ntawm qhov weirdness. Tam sim no peb tuaj yeem kho cov teeb liab photon cuam tshuam yam tsis cuam tshuam nws ncaj qha. Ua li no, nyob rau hauv txoj kev ntawm tus tswj photon ncav cuag ntes D1, tso ib tug polarizer nyob rau hauv xws li ib txoj kev uas nws kis lub teeb nrog ib tug polarization uas yog ib tug ua ke ntawm cov polarizations ntawm ob entangled photons (4c). Qhov no tam sim ntawd hloov lub polarity ntawm lub teeb liab photon raws li. Tam sim no nws tsis tuaj yeem txiav txim siab qhov tseeb tias qhov polarization ntawm photon teeb meem ntawm cov slits yog dab tsi, thiab los ntawm qhov uas hlais lub photon dhau. Hauv qhov no, kev cuam tshuam rov qab los!

Tshem tawm cov ntaub ntawv xaiv ncua sij hawm

Cov kev sim tau piav qhia saum toj no tau ua raws li txoj hauv kev uas tus tswj photon tau sau npe los ntawm tus ntes D1 ua ntej lub teeb liab photon mus txog lub ntes D2. Kev tshem tawm ntawm "txoj kev twg" cov ntaub ntawv tau ua los ntawm kev hloov cov polarization ntawm cov tswj photon ua ntej lub teeb liab photon mus txog lub ntes D2. Tom qab ntawd ib tus tuaj yeem xav txog tias kev tswj hwm photon twb tau hais rau nws "ntib" yuav ua li cas ntxiv: txhawm rau cuam tshuam lossis tsis ua.

Tam sim no peb hloov kho qhov kev sim nyob rau hauv ib txoj kev uas tus tswj photon hits detector D1 tom qab lub teeb liab photon tau sau npe ntawm detector D2. Txhawm rau ua qhov no, txav lub ntsuas D1 tawm ntawm qhov chaw photon. Tus qauv cuam tshuam zoo ib yam li ua ntej. Tam sim no cia peb muab cov phiaj xwm lub quarter-yoj rau pem hauv ntej ntawm cov slits los txiav txim seb txoj kev twg photon tau coj mus. Tus qauv cuam tshuam ploj mus. Tom ntej no, cia peb tshem tawm "txoj kev twg" cov ntaub ntawv los ntawm kev tso cov polarizer kom tsim nyog rau pem hauv ntej ntawm lub ntsuas D1. Tus qauv cuam tshuam rov tshwm sim dua! Txawm li cas los xij, qhov kev tshem tawm tau ua tiav tom qab lub teeb liab photon tau sau npe los ntawm tus ntes D2. Qhov no ua tau li cas? Lub photon yuav tsum paub txog qhov hloov pauv ntawm polarity ua ntej cov ntaub ntawv hais txog nws tuaj yeem ncav cuag nws.

5. Kev sim nrog lub teeb laser.

Cov xwm txheej ntuj tshwm sim yog thim rov qab ntawm no; effect precedes ua! Qhov tshwm sim no cuam tshuam lub hauv paus ntsiab lus ntawm causality nyob rau hauv kev muaj tiag nyob ib ncig ntawm peb. Los yog tej zaum lub sij hawm tsis muaj teeb meem thaum nws los txog rau entangled hais? Quantum entanglement ua txhaum lub hauv paus ntsiab lus ntawm thaj chaw nyob rau hauv classical physics, raws li cov khoom tsuas yog cuam tshuam los ntawm nws ib puag ncig tam sim ntawd.

Txij li thaum Brazilian kev sim, ntau qhov kev sim zoo sib xws tau ua tiav, uas tau lees paub tag nrho cov txiaj ntsig tau nthuav tawm ntawm no. Thaum kawg, tus nyeem ntawv xav kom piav qhia meej txog qhov paub tsis meej ntawm cov xwm txheej tsis tau xav txog. Hmoov tsis, qhov no ua tsis tau. Lub logic ntawm quantum mechanics txawv ntawm lub logic ntawm lub ntiaj teb peb pom txhua hnub. Peb yuav tsum txo hwj chim lees txais qhov no thiab zoo siab rau qhov tseeb tias cov kev cai ntawm quantum mechanics qhia meej txog qhov tshwm sim tshwm sim hauv microcosm, uas yog siv tau zoo nyob rau hauv cov cuab yeej tshaj lij tshaj plaws.