Благодарение на технологичния напредък важен принцип на квантовата механика е потвърден чрез вариант на мисловен експеримент, предложен от Айнщайн. Изследователите предоставят доказателства за квантовата суперпозиция, използвайки отделни частици, а не статистически техники.
Група учени извършва експеримента с двойния процеп, използвайки неутрони, добавяйки оборудване за измерване на спина, за да изследва траекторията, по която минава всеки неутрон с точност, която предишните поколения физици не са си и представяли.
В списанието Physical Review Research авторите докладват резултат, който показва, че са измерили неутроните, преминаващи и през двата процепа, без измерването да унищожи характерната картина на интерференция.
Д-р Щефан Шпонар (Stephan Sponar) от Атомния институт към Технологичния университет във Виена (TU Wien) и колеги използват стандартен разделител на лъча, така че неутроните да могат да минават по два възможни пътя. Те прилагат магнитно поле само върху единия път и след това измерват ефекта върху спина на всеки неутрон.
„Резултатите показват, че отделните частици изпитват специфична част от магнитното поле, приложено в един от пътищата, което показва, че част от частицата е присъствала на пътя, преди да бъде регистрирана интерференцията на двата пътя“, пишат изследователите в статията. „Полученото присъствие на пътя [...] не е статистическа средна стойност, а се отнася за всеки отделен неутрон.“
Работата потвърждава твърдението на физиците от почти век, но чрез метод, който мнозина смятат за невъзможен.
Въведението в курсовете по квантова физика обикновено включва експеримента с два процепа, при който светлината осветява две тесни пролуки в панел, преди да стигне екран отзад. Знаем, че водата, преминаваща през два процепа като този, създава интерференчен модел, създаден от взаимодействието на двете вълни. Междувременно твърди предмети, като топчета, ще преминат през единия или другия процеп и няма да интерферират едно с друго след това.
Светлината и субатомните частици комбинират и двете поведения - на топчета, и на вълна.
„В класическия експеримент с двоен процеп се създава интерференчен модел зад двойния процеп“, разказва Шпонар. "Частиците се движат като вълна през двата отвора едновременно и двете частични вълни след това интерферират една с друга. На някои места те се подсилват, на други места взаимно се гасят."
 Експериментът с двойния процеп демонстрира един от основните принципи на квантовата физика - че точковите частици също са вълни. В стандартната версия на експеримента, частиците преминават през два процепа в непроницаема бариера. На екрана от другата страна се появява интерференчна картина, типична за вълните. Гребенитe и падините, излизащи от всеки прорез, взаимно се подсилват или гасят, докато се припокриват като създават на екрана редуващи се ленти с висока и ниска плътност на частиците. |
 Илюстрацията от fr.wikipedia показва промяната на вълновата функция на електрона при преминаването му през двата процепа. Степента на сивото представя плътността на вероятността на присъствието на електрона. Действителният размер на електрона всъщност много по-малък от областта на вероятността от присъствието му. Вижда се ясно, че електронът “интерферира със себе си”: интерференчните ленти са ясно забележими при преминаването през двата процепа както след преградата, така и преди нея. |
Това е демонстрация как на квантово ниво обектите могат да бъдат както частици, така и вълни.
Физиците демонстрират този ефект в продължение на десетилетия, намалявайки светлината, излъчвана от източник до толкова ниско ниво, че само единичен фотон достига панела с процепите. Когато това се случи, фотонът интерферира сам със себе си, сякаш има множество фотони, някои преминаващи през единия процеп, а други през другия, доказвайки своята двойнствена природа. Фотонът, преминаващ през двата процепа едновременно, е пример за квантова суперпозиция - един обект е на две места едновременно.
Тези неща не са толкова трудни за разбиране, но има друга странност. Ако се измери преминаването на фотона, суперпозицията се губи. Актът на наблюдение променя резултата. За да се избегне това и да се разкрие суперпозицията в действие, бе необходимо да се използва статистически анализ на това къде на екрана попадат фотоните.
Вероятността за измерване на частицата зад двойния процеп на много специфично място зависи от този модел на интерференция: когато квантовата вълна се усилва, вероятността за измерване на частицата е висока. Там, където квантовата вълна е анулирана, вероятността е малка. Разбира се, това разпределение на вълните не може да се види, като се разглежда една частица. Само когато експериментът се повтаря многократно, моделът на вълната става все по-разпознаваем точка по точка и частица по частица.
„И така, поведението на отделните частици се обяснява въз основа на резултати, които стават видими само чрез статистическото изследване на много частици“, разказва Холгер Хофман (Holger Hofmann) от Университета в Хирошима, който разработва теорията зад експеримента. "Разбира се, това не е напълно задоволително. Затова обмислихме как феноменът на двупроцепната интерференция може да бъде доказан въз основа на детектирането на една отделна частица."
Експериментът
Сега изследователите заменят фотона с неутрон и твърдят, че са измервали неутроните, без измерването да унищожи суперпозицията.
Неутроните се изпращат към кристал, който разделя квантовата вълна на неутрона на две частични вълни, много подобни на класическият експеримент с двоен процеп. Двете частични неутронни вълни се движат по два различни пътя и се рекомбинират отново. Те интерферират и след това се измерват.
Освен това обаче се използва още едно свойство на неутрона: спинът му - ъгловият импулс на частицата. Той може да бъде повлиян от магнитни полета, така че ъгловият импулс на неутрона след това да сочи в различна посока. Ако спинът на неутрона сочи определената за един от двата пътя посокка, е възможно да се определи след това кой път е поел. След това обаче интерференчният модел също би трябвало да изчезне като следствие от "колапса на вълновата функция" според Копенхагенската интерпретация на квантовата механика.
„Затова завъртаме спина на неутрона само малко“, обяснява Хартмут Лемел (Hartmut Lemmel), водещ автор на настоящата публикация. "Тогава моделът на интерференция остава, защото може да се получи макар и малко информация за пътя. За да се получи все пак точна информация за пътя, това "слабо" измерване се повтаря много пъти в конвенционалните експерименти. Тогава обаче получаваме само статистически резултат за целия ансамбъл от неутрони и може да каже малко за всеки отделен неутрон."
Схема на експеримента. Стандартен експеримент с два процепа, но с неутрони, а не протони и магнитно поле на един път, за да се промени спинът на неутрона. Кредит: Lemmel et al./Physical Review Research
Обръщане на въртенето
Ситуацията е различна, ако след сливането на двете вълни на неутронните частици се използва друго магнитно поле, за да върне спина обратно. Чрез проба и грешка се определя ъгълът на въртене, който е необходим, за да се върне спинът на насложеното състояние обратно в първоначалната посока. Силата на това завъртане е мярка за това колко силно е присъствал неутронът във всяка от траекториите. Ако е поел само пътя, по който спинът е завъртян, щеше да е необходим пълният ъгъл на въртене, за да го завърти обратно. Ако е поел само по другия път, изобщо нямаше да е необходимо обратно въртене. В експеримента, проведен с помощта на специален асиметричен лъчев разделител, ше показано, че неутроните присъстват до една трета в единия път и до две трети в другия.
Чрез подробни изчисления екипът успява да покаже: Тук не се открива само средна стойност за съвкупността от всички измерени неутрони, а твърдението се отнася за всеки отделен неутрон. Необходими са много неутрони, за да се определи оптималният ъгъл на въртене, но веднага щом е зададен, присъствието на пътя, определено от него, се прилага за всеки един регистриран неутрон.
Следователно усъвършенстваното оборудване на авторите успява да определи колко се е промененил спинът на всеки неутрон от магнитното поле, без да се изкривяват резултатите.
„При измерване на една частица нашият експеримент показва, че тя би трябвало да е минала по два пътя едновременно. Експериментът ни количествено определя недвусмислено съответните пропорции“, разказва Спонар. Експериментът, ако бъде потвърден, ще сложи край на опитите за обяснение на резултатите от предишни експерименти с двоен процеп, без да се прибягва до суперпозиция."
Справка: Quantifying the presence of a neutron in the paths of an interferometer
Hartmut Lemmel, Niels Geerits, Armin Danner, Holger F. Hofmann, and Stephan Sponar
Phys. Rev. Research 4, 023075 – Published 27 April 2022, DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.023075
Източници:
One particle on two paths: Quantum physics is right, Vienna University of Technology
Neutrons In The Double-Slit Experiment Really Do Individually Take Both Paths, IFL Scienc
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари