क्वांटम मेकॅनिक्सच्या केंद्रस्थानी

XNUMX व्या शतकातील एक महान भौतिकशास्त्रज्ञ रिचर्ड फेनमन यांनी असा युक्तिवाद केला की क्वांटम मेकॅनिक्स समजून घेण्याची गुरुकिल्ली "डबल स्लिट प्रयोग" आहे. आज आयोजित केलेला हा वैचारिकदृष्ट्या सोपा प्रयोग, आश्चर्यकारक शोध देत आहे. ते दर्शवतात की क्वांटम मेकॅनिक्स सामान्य ज्ञानाशी किती विसंगत आहे, ज्यामुळे अखेरीस गेल्या पन्नास वर्षांतील सर्वात महत्त्वाचे शोध लागले.

पहिल्यांदाच त्यांनी डबल स्लिटचा प्रयोग केला. थॉमस यंग (१) एकोणिसाव्या शतकाच्या पूर्वार्धात इंग्लंडमध्ये.

तरुणांचा प्रयोग

आधी म्हटल्याप्रमाणे प्रकाश हा लहरी स्वरूपाचा आहे आणि कॉर्पस्कुलर स्वरूपाचा नाही हे दर्शविण्यासाठी प्रयोगाचा वापर करण्यात आला. आयझॅक न्युटन. तरुणांनी नुकतेच दाखवून दिले की प्रकाश पाळतो हस्तक्षेप - एक इंद्रियगोचर जी सर्वात वैशिष्ट्यपूर्ण वैशिष्ट्य आहे (लहरीच्या प्रकाराकडे दुर्लक्ष करून आणि ते ज्या माध्यमात प्रसारित होते). आज, क्वांटम मेकॅनिक्स या दोन्ही तार्किकदृष्ट्या विरोधाभासी दृश्यांचा समेट करते.

डबल-स्लिट प्रयोगाचे सार आठवा. नेहमीप्रमाणे, माझा अर्थ पाण्याच्या पृष्ठभागावरील एक लाट आहे जी गारगोटी फेकल्या गेलेल्या जागेभोवती केंद्रितपणे पसरते. 

क्रेस्ट्समध्ये सतत अंतर राखून, विस्कळीत बिंदूपासून उत्सर्जित होणाऱ्या क्रेस्ट्स आणि कुंडांमुळे एक लहर तयार होते, ज्याला तरंगलांबी म्हणतात. लाटेच्या मार्गात एक अडथळा ठेवला जाऊ शकतो, उदाहरणार्थ, दोन अरुंद स्लॅट्स असलेल्या बोर्डच्या स्वरूपात, ज्याद्वारे पाणी मुक्तपणे वाहू शकते. पाण्यात एक गारगोटी फेकल्याने, लाट विभाजनावर थांबते - परंतु फारसे नाही. दोन नवीन केंद्रीभूत लहरी (2) आता दोन्ही स्लॅट्समधून विभाजनाच्या दुसऱ्या बाजूला पसरतात. ते एकमेकांवर सुपरइम्पोज केलेले आहेत किंवा, जसे आपण म्हणतो, एकमेकांमध्ये हस्तक्षेप करतात, पृष्ठभागावर एक वैशिष्ट्यपूर्ण नमुना तयार करतात. ज्या ठिकाणी एका लाटेचा शिखर दुसर्‍या लाटेला मिळतो, तेथे पाण्याचा फुगवटा तीव्र होतो आणि जेथे पोकळी दरीला मिळते, तेथे नैराश्य अधिक खोलवर जाते.

2. दोन स्लॅट्समधून बाहेर पडणाऱ्या लहरींचा हस्तक्षेप.

यंगच्या प्रयोगात, एका बिंदूच्या स्रोतातून उत्सर्जित होणारा एक-रंगाचा प्रकाश एका अपारदर्शक डायाफ्राममधून दोन स्लिट्ससह जातो आणि त्यांच्या मागे पडद्यावर आदळतो (आज आपण लेसर प्रकाश आणि सीसीडी वापरण्यास प्राधान्य देऊ). प्रकाश लहरीची एक हस्तक्षेप प्रतिमा पर्यायी प्रकाश आणि गडद पट्ट्यांच्या मालिकेच्या रूपात स्क्रीनवर दिसून येते (3). या परिणामाने XNUMX च्या दशकाच्या सुरुवातीच्या शोधांपूर्वी प्रकाश ही एक लहर होती या विश्वासाला बळकटी दिली. फोटॉन फ्लक्स हे हलके कण असतात ज्यांना बाकीचे वस्तुमान नसते. नंतर कळलं की अनाकलनीय तरंग-कण द्वैतप्रकाशासाठी प्रथम शोधलेले वस्तुमान असलेल्या इतर कणांना देखील लागू होते. तो लवकरच जगाच्या नवीन क्वांटम यांत्रिक वर्णनाचा आधार बनला.

3. यंगच्या प्रयोगाची दृष्टी

कण देखील हस्तक्षेप करतात

1961 मध्ये, ट्युबिंगेन विद्यापीठातील क्लॉस जोन्सन यांनी इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाचा वापर करून प्रचंड कण - इलेक्ट्रॉन्सच्या हस्तक्षेपाचे प्रदर्शन केले. दहा वर्षांनंतर, बोलोग्ना विद्यापीठातील तीन इटालियन भौतिकशास्त्रज्ञांनी असाच प्रयोग केला एकल-इलेक्ट्रॉन हस्तक्षेप (दुहेरी स्लिट ऐवजी तथाकथित बायप्रिझम वापरणे). त्यांनी इलेक्ट्रॉन बीमची तीव्रता इतकी कमी केली की इलेक्ट्रॉन एकामागून एक, एकामागून एक बायप्रिझममधून जात होते. हे इलेक्ट्रॉन फ्लोरोसेंट स्क्रीनवर नोंदणीकृत होते.

सुरुवातीला, इलेक्ट्रॉन ट्रेल्स यादृच्छिकपणे स्क्रीनवर वितरित केले गेले, परंतु कालांतराने त्यांनी हस्तक्षेप किनार्यांची एक वेगळी हस्तक्षेप प्रतिमा तयार केली. वेगवेगळ्या वेळी स्लिट्समधून जाणारे दोन इलेक्ट्रॉन एकमेकांमध्ये व्यत्यय आणू शकतात हे अशक्य दिसते. म्हणून, आपण ते मान्य केले पाहिजे एक इलेक्ट्रॉन स्वतःमध्ये हस्तक्षेप करतो! पण नंतर इलेक्ट्रॉनला एकाच वेळी दोन्ही स्लिट्समधून जावे लागेल.

ज्या छिद्रातून इलेक्ट्रॉन प्रत्यक्षात जातो त्या छिद्राकडे पाहण्याचा मोह होऊ शकतो. इलेक्ट्रॉनच्या गतीला अडथळा न आणता असे निरीक्षण कसे करायचे ते आपण नंतर पाहू. असे दिसून आले की इलेक्ट्रॉनला काय मिळाले आहे याची माहिती मिळाल्यास हस्तक्षेप ... अदृश्य होईल! "कसे" माहिती हस्तक्षेप नष्ट करते. याचा अर्थ असा होतो की जागरूक निरीक्षकाची उपस्थिती शारीरिक प्रक्रियेच्या मार्गावर प्रभाव पाडते?

दुहेरी-स्लिट प्रयोगांच्या आणखी आश्चर्यकारक परिणामांबद्दल बोलण्यापूर्वी, मी हस्तक्षेप करणार्‍या वस्तूंच्या आकारांबद्दल थोडेसे विषयांतर करेन. वस्तुमान वस्तूंचा क्वांटम हस्तक्षेप प्रथम इलेक्ट्रॉनसाठी, नंतर वाढत्या वस्तुमान असलेल्या कणांसाठी: न्यूट्रॉन, प्रोटॉन, अणू आणि शेवटी मोठ्या रासायनिक रेणूंसाठी शोधला गेला.

2011 मध्ये, ऑब्जेक्टच्या आकाराचा विक्रम मोडला गेला, ज्यावर क्वांटम हस्तक्षेपाची घटना दर्शविली गेली. व्हिएन्ना विद्यापीठात त्यावेळच्या डॉक्टरेट विद्यार्थ्याने हा प्रयोग केला होता. सँड्रा इबेनबर्गर आणि तिचे सहकारी. सुमारे 5 प्रोटॉन, 5 हजार न्यूट्रॉन आणि 5 हजार इलेक्ट्रॉन्स असलेला एक जटिल सेंद्रिय रेणू दोन ब्रेकसह प्रयोगासाठी निवडला गेला! एका अतिशय गुंतागुंतीच्या प्रयोगात या प्रचंड रेणूचा क्वांटम इंटरफेरन्स दिसून आला.

यावरून या विश्वासाला पुष्टी मिळाली क्वांटम मेकॅनिक्सचे नियम केवळ प्राथमिक कणच नव्हे तर प्रत्येक भौतिक वस्तूचेही पालन करतात. फक्त एवढंच की वस्तू जितकी अधिक क्लिष्ट असेल तितकी ती पर्यावरणाशी अधिक संवाद साधते, जे त्याच्या सूक्ष्म क्वांटम गुणधर्मांचे उल्लंघन करते आणि हस्तक्षेप प्रभाव नष्ट करते..

प्रकाशाचे क्वांटम अडकणे आणि ध्रुवीकरण

दुहेरी-स्लिट प्रयोगांचे सर्वात आश्चर्यकारक परिणाम फोटॉनचा मागोवा घेण्याची एक विशेष पद्धत वापरून आले, ज्याने त्याच्या हालचालीमध्ये कोणत्याही प्रकारे अडथळा आणला नाही. ही पद्धत सर्वात विचित्र क्वांटम घटनांपैकी एक वापरते, तथाकथित क्वांटम अडकणे. क्वांटम मेकॅनिक्सच्या मुख्य निर्मात्यांपैकी एकाने 30 च्या दशकात ही घटना लक्षात घेतली होती, एर्विन श्रोडिंगर.

संशयवादी आइनस्टाईन (हे देखील पहा 🙂 त्यांना अंतरावर भुताटकीची क्रिया म्हणतात. तथापि, अर्ध्या शतकानंतर या परिणामाचे महत्त्व लक्षात आले आणि आज भौतिकशास्त्रज्ञांच्या विशेष आवडीचा विषय बनला आहे.

हा प्रभाव कशावर आहे? एखाद्या वेळी एकमेकांच्या जवळ असणारे दोन कण एकमेकांशी इतक्या जोरदारपणे संवाद साधतात की ते एक प्रकारचे "जुळे नाते" बनवतात, तर कण एकमेकांपासून शेकडो किलोमीटर अंतरावर असतानाही हे नाते टिकून राहते. मग कण एकल प्रणाली म्हणून वागतात. याचा अर्थ असा की जेव्हा आपण एका कणावर एखादी क्रिया करतो तेव्हा त्याचा लगेच दुसऱ्या कणावर परिणाम होतो. तथापि, अशा प्रकारे आपण कालबाह्यपणे दूरवर माहिती प्रसारित करू शकत नाही.

फोटॉन एक वस्तुमानहीन कण आहे - प्रकाशाचा एक प्राथमिक भाग, जो विद्युत चुंबकीय लहरी आहे. संबंधित क्रिस्टलच्या प्लेटमधून (ज्याला ध्रुवीकरण म्हणतात), प्रकाश रेषीयपणे ध्रुवीकृत होतो, म्हणजे. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक वेव्हच्या इलेक्ट्रिक फील्डचा वेक्टर एका विशिष्ट समतलामध्ये दोलन करतो. याउलट, दुसर्‍या विशिष्ट क्रिस्टल (तथाकथित क्वार्टर-वेव्ह प्लेट) वरून एका विशिष्ट जाडीच्या प्लेटमधून रेखीय ध्रुवीकृत प्रकाश पार करून, त्याचे गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाशात रूपांतर केले जाऊ शकते, ज्यामध्ये इलेक्ट्रिक फील्ड वेक्टर हेलिकलमध्ये फिरतो ( घड्याळाच्या दिशेने किंवा घड्याळाच्या उलट दिशेने) तरंग प्रसाराच्या दिशेने गती. त्यानुसार, कोणीही रेखीय किंवा गोलाकार ध्रुवीकृत फोटॉनबद्दल बोलू शकतो.

अडकलेल्या फोटॉनसह प्रयोग

4अ. एक नॉन-रेखीय BBO क्रिस्टल आर्गॉन लेसरद्वारे उत्सर्जित केलेल्या फोटॉनला अर्ध्या ऊर्जा आणि परस्पर लंब ध्रुवीकरणासह दोन अडकलेल्या फोटॉनमध्ये रूपांतरित करतो. हे फोटॉन वेगवेगळ्या दिशेने विखुरले जातात आणि डिटेक्टर D1 आणि D2 द्वारे रेकॉर्ड केले जातात, एक योगायोग काउंटर LK द्वारे जोडलेले आहेत. फोटॉनपैकी एकाच्या मार्गावर दोन स्लिट्ससह एक डायाफ्राम ठेवलेला आहे. जेव्हा दोन्ही डिटेक्टर दोन्ही फोटॉनचे जवळजवळ एकाच वेळी आगमन नोंदवतात, तेव्हा सिग्नल डिव्हाइसच्या मेमरीमध्ये संग्रहित केला जातो आणि डिटेक्टर D2 स्लिट्सच्या समांतर पावले उचलतो. अशा प्रकारे रेकॉर्ड केलेल्या डिटेक्टर D2 च्या स्थितीवर अवलंबून फोटॉनची संख्या बॉक्समध्ये दर्शविली आहे, मॅक्सिमा आणि मिनिमा दर्शवित आहे, हस्तक्षेप दर्शविते.

2001 मध्ये, बेलो होरिझोंटे येथील ब्राझिलियन भौतिकशास्त्रज्ञांच्या गटाने त्यांच्या मार्गदर्शनाखाली कामगिरी केली. स्टीफन वॉलबॉर्न असामान्य प्रयोग. त्याच्या लेखकांनी एका विशेष क्रिस्टलचे गुणधर्म वापरले (संक्षिप्त BBO), जे आर्गॉन लेसरद्वारे उत्सर्जित केलेल्या फोटॉनच्या काही भागाला अर्ध्या उर्जेसह दोन फोटॉनमध्ये रूपांतरित करते. हे दोन फोटॉन एकमेकांशी गुंतलेले आहेत; जेव्हा त्यापैकी एकाचे, उदाहरणार्थ, क्षैतिज ध्रुवीकरण असते, तर दुसर्‍याचे अनुलंब ध्रुवीकरण असते. हे फोटॉन दोन वेगवेगळ्या दिशेने फिरतात आणि वर्णन केलेल्या प्रयोगात वेगवेगळ्या भूमिका बजावतात.

आपण ज्या फोटॉनचे नाव घेणार आहोत त्यापैकी एक नियंत्रण, थेट फोटॉन डिटेक्टर D1 (4a) वर जातो. डिटेक्टर हिट काउंटर नावाच्या उपकरणाला इलेक्ट्रिकल सिग्नल पाठवून त्याचे आगमन नोंदवतो. LK दुसऱ्या फोटॉनवर हस्तक्षेप प्रयोग केला जाईल; आम्ही त्याला कॉल करू सिग्नल फोटॉन. त्याच्या मार्गामध्ये दुहेरी स्लिट आहे, त्यानंतर दुसरा फोटॉन डिटेक्टर, D2, डिटेक्टर D1 पेक्षा फोटॉन स्त्रोतापासून थोडा पुढे आहे. प्रत्येक वेळी हिट काउंटरकडून योग्य सिग्नल मिळाल्यावर हा डिटेक्टर ड्युअल स्लॉटच्या संदर्भात हॉप करू शकतो. जेव्हा डिटेक्टर D1 फोटॉनची नोंदणी करतो, तेव्हा तो योगायोग काउंटरला सिग्नल पाठवतो. जर काही क्षणात डिटेक्टर डी 2 देखील फोटॉनची नोंदणी करतो आणि मीटरला सिग्नल पाठवतो, तर ते ओळखेल की ते अडकलेल्या फोटॉनमधून आले आहे आणि ही वस्तुस्थिती डिव्हाइसच्या मेमरीमध्ये संग्रहित केली जाईल. ही प्रक्रिया डिटेक्टरमध्ये प्रवेश करणाऱ्या यादृच्छिक फोटॉनची नोंदणी वगळते.

अडकलेले फोटॉन 400 सेकंद टिकून राहतात. या वेळेनंतर, डिटेक्टर डी 2 स्लिट्सच्या स्थितीच्या संदर्भात 1 मिमीने विस्थापित केला जातो आणि अडकलेल्या फोटॉनच्या मोजणीस आणखी 400 सेकंद लागतात. मग डिटेक्टर पुन्हा 1 मिमीने हलविला जातो आणि प्रक्रिया अनेक वेळा पुनरावृत्ती होते. असे दिसून आले की अशा प्रकारे रेकॉर्ड केलेल्या फोटॉनच्या संख्येचे वितरण डिटेक्टर डी 2 च्या स्थानावर अवलंबून वैशिष्ट्यपूर्ण मॅक्सिमा आणि मिनिमा आहे जे यंगच्या प्रयोगातील प्रकाश आणि गडद आणि हस्तक्षेप किनार्यांशी संबंधित आहे (4a).

आम्हाला ते पुन्हा कळते दुहेरी स्लिटमधून जाणारे सिंगल फोटॉन एकमेकांमध्ये व्यत्यय आणतात.

कसे?

प्रयोगाची पुढची पायरी म्हणजे विशिष्ट फोटॉन त्याच्या हालचालीमध्ये अडथळा न आणता कोणत्या छिद्रातून जातो हे निश्चित करणे. येथे वापरलेले गुणधर्म क्वार्टर वेव्ह प्लेट. प्रत्येक स्लिटच्या समोर एक चतुर्थांश-वेव्ह प्लेट ठेवण्यात आली होती, ज्यापैकी एकाने घटना फोटॉनचे रेखीय ध्रुवीकरण घड्याळाच्या दिशेने वर्तुळाकार केले आणि दुसरे डावीकडील गोलाकार ध्रुवीकरण (4b) मध्ये बदलले. हे सत्यापित केले गेले की फोटॉन ध्रुवीकरणाचा प्रकार मोजलेल्या फोटॉनच्या संख्येवर परिणाम करत नाही. आता, फोटॉनच्या स्लिट्समधून गेल्यानंतर त्याच्या ध्रुवीकरणाचे रोटेशन ठरवून, त्यापैकी कोणत्या फोटॉनमधून गेला आहे हे सूचित करणे शक्य आहे. "कोणत्या दिशेने" हे जाणून घेतल्याने हस्तक्षेप नष्ट होतो.

4ब. स्लिट्सच्या समोर क्वार्टर-वेव्ह प्लेट्स (छायांकित आयत) ठेवून, "कोणत्या मार्गाने" माहिती मिळवता येईल आणि हस्तक्षेप प्रतिमा अदृश्य होईल.

4c. डिटेक्टर D1 समोर योग्य ध्रुवीकरण करणारा P ठेवल्याने "कोणत्या मार्गाने" माहिती मिटते आणि हस्तक्षेप पुनर्संचयित होतो.

प्रत्यक्षात, स्लिट्सच्या समोर क्वार्टर-वेव्ह प्लेट्सच्या योग्य प्लेसमेंटनंतर, गणांचे पूर्वी पाहिलेले वितरण, हस्तक्षेपाचे सूचक, अदृश्य होते. सर्वात विचित्र गोष्ट अशी आहे की हे योग्य मोजमाप करू शकणार्‍या जागरूक निरीक्षकाच्या सहभागाशिवाय घडते! क्वार्टर-वेव्ह प्लेट्सच्या केवळ प्लेसमेंटमुळे हस्तक्षेप रद्द करण्याचा प्रभाव निर्माण होतो.. तर फोटॉनला हे कसे कळते की प्लेट्स घातल्यानंतर, ते कोणत्या अंतरातून गेले ते आपण ठरवू शकतो?

तथापि, या विचित्रपणाचा अंत नाही. आता आपण सिग्नल फोटॉनच्या हस्तक्षेपावर थेट परिणाम न करता पुनर्संचयित करू शकतो. हे करण्यासाठी, नियंत्रण फोटॉन पोहोचणाऱ्या डिटेक्टर D1 च्या मार्गावर, ध्रुवीकरण अशा प्रकारे ठेवा की ते अशा ध्रुवीकरणासह प्रकाश प्रसारित करते जे दोन्ही अडकलेल्या फोटॉन (4c) च्या ध्रुवीकरणाचे संयोजन आहे. हे लगेच त्यानुसार सिग्नल फोटॉनची ध्रुवीयता बदलते. स्लिट्सवरील फोटॉन घटनेचे ध्रुवीकरण काय आहे आणि फोटॉन कोणत्या स्लिटमधून गेला हे निश्चितपणे ठरवणे आता शक्य नाही. या प्रकरणात, हस्तक्षेप पुनर्संचयित आहे!

विलंबित निवड माहिती पुसून टाका

वर वर्णन केलेले प्रयोग अशा प्रकारे केले गेले की सिग्नल फोटॉन डिटेक्टर डी 1 पर्यंत पोहोचण्यापूर्वी नियंत्रण फोटॉन डिटेक्टर डी 2 द्वारे नोंदणीकृत केले गेले. सिग्नल फोटॉन डिटेक्टर डी 2 वर पोहोचण्यापूर्वी कंट्रोल फोटॉनचे ध्रुवीकरण बदलून "कोणता मार्ग" माहिती मिटवण्याचे काम केले गेले. मग एखादी व्यक्ती कल्पना करू शकते की कंट्रोलिंग फोटॉनने त्याच्या "जुळ्या" ला आधीच सांगितले आहे की पुढे काय करावे: हस्तक्षेप करणे किंवा नाही.

आता आम्ही प्रयोग अशा प्रकारे सुधारित करतो की डिटेक्टर D1 वर सिग्नल फोटॉन नोंदणीकृत झाल्यानंतर कंट्रोल फोटॉन डिटेक्टर D2 ला आदळतो. हे करण्यासाठी, डिटेक्टर D1 फोटॉन स्त्रोतापासून दूर हलवा. हस्तक्षेप नमुना पूर्वीसारखाच दिसतो. आता फोटॉनने कोणता मार्ग घेतला हे निर्धारित करण्यासाठी स्लिट्सच्या समोर क्वार्टर-वेव्ह प्लेट्स ठेवू. हस्तक्षेप नमुना अदृश्य होतो. पुढे, डिटेक्टर D1 समोर योग्यरित्या ओरिएंटेड पोलारायझर ठेवून "कोणता मार्ग" माहिती मिटवू. हस्तक्षेप नमुना पुन्हा दिसून येतो! तरीही डिटेक्टर D2 द्वारे सिग्नल फोटॉनची नोंदणी केल्यानंतर पुसून टाकण्यात आले. हे कसे शक्य आहे? फोटॉनबद्दल कोणतीही माहिती पोहोचण्यापूर्वी त्याला ध्रुवीय बदलाची जाणीव असणे आवश्यक होते.

5. लेसर बीमसह प्रयोग.

घटनांचा नैसर्गिक क्रम येथे उलट आहे; परिणाम कारणापूर्वी! हा परिणाम आपल्या सभोवतालच्या वास्तवातील कार्यकारणभावाच्या तत्त्वाला अधोरेखित करतो. किंवा कदाचित वेळ काही फरक पडत नाही जेव्हा तो अडकलेल्या कणांवर येतो? क्वांटम उलगडणे शास्त्रीय भौतिकशास्त्रातील स्थानिकतेच्या तत्त्वाचे उल्लंघन करते, त्यानुसार एखादी वस्तू केवळ त्याच्या तात्काळ वातावरणामुळे प्रभावित होऊ शकते.

ब्राझिलियन प्रयोगापासून, अनेक समान प्रयोग केले गेले आहेत, जे येथे सादर केलेल्या परिणामांची पूर्णपणे पुष्टी करतात. शेवटी, वाचक या अनपेक्षित घटनांचे रहस्य स्पष्टपणे स्पष्ट करू इच्छितो. दुर्दैवाने, हे केले जाऊ शकत नाही. क्वांटम मेकॅनिक्सचे तर्क हे आपण दररोज पाहत असलेल्या जगाच्या तर्कापेक्षा वेगळे आहे. आपण हे नम्रपणे स्वीकारले पाहिजे आणि या वस्तुस्थितीचा आनंद घेतला पाहिजे की क्वांटम मेकॅनिक्सचे नियम सूक्ष्म जगामध्ये घडणाऱ्या घटनांचे अचूक वर्णन करतात, ज्याचा उपयोग अधिक प्रगत तांत्रिक उपकरणांमध्ये केला जातो.