À u core di a meccanica quantistica

Richard Feynman, unu di i più grandi fisici di u XNUMXu seculu, hà sustinutu chì a chjave per capisce a meccanica quantistica hè u "esperimentu di doppia fessura". Stu esperimentu cuncettualmente simplice, realizatu oghje, cuntinueghja à rende scuperte maravigghiusu. Mostranu quantu incompatibile cù u sensu cumunu hè a meccanica quantistica, chì eventualmente hà purtatu à l'invenzioni più impurtanti di l'ultimi cinquanta anni.

Per a prima volta hà realizatu un esperimentu di doppia spacca. Thomas Young (1) in Inghilterra à u principiu di u XIXmu seculu.

L'esperimentu di Young

L'esperimentu hè stata utilizata per dimustrà chì a luce hè di natura d'onda è micca di natura corpusculare, cum'è diciatu prima. Isaac Newton. Young hà appena dimustratu chì a luce ubbidisce intervenzione - un fenomenu chì hè a caratteristica più caratteristica (indipendentemente da u tipu d'onda è u mediu in quale si propaga). Oghje, a meccanica quantistica cuncilia sti dui punti di vista logicamente contraddittori.

Ricurdemu l'essenza di l'esperimentu di doppia fessura. Cum'è solitu, vogliu dì una onda nantu à a superficia di l'acqua chì si sparghje cuncentricamente intornu à u locu induve u pebble hè ghjittatu. 

Un'onda hè formata da creste successive è vaghjime chì irradianu da u puntu di disturbu, mantenendu una distanza constante trà e creste, chì hè chjamata lunghezza d'onda. Una barriera pò esse piazzata in u percorsu di l'onda, per esempiu, in a forma di un tavulinu cù dui slots stretti tagliati per quale l'acqua pò scorri liberamente. Lancendu un pebble in l'acqua, l'onda si ferma nantu à a partizione - ma micca abbastanza. Dui novi onde concentriche (2) si propaganu avà à l'altru latu di a partizione da i dui slot. Sò superimposti l'un à l'altru, o, cum'è dicemu, interferiscenu cù l'altri, creendu un mudellu caratteristicu nantu à a superficia. In i lochi induve a cresta d'una onda si scontra à a cresta di l'altru, u bulge di l'acqua s'intensifica, è induve u cavu scontra à a valle, a depressione s'approfondisce.

2. Interferenza di l'onda chì emerge da dui slot.

In l'esperimentu di Young, a luce di un culore emessa da una fonte puntuale passa per un diafragma opacu cù dui slits è chjappà in u screnu daretu à elli (oghje preferimu usà a luce laser è un CCD). Una maghjina d'interferenza di una onda di luce hè osservata nantu à u screnu in a forma di una serie di strisce alternate di luce è scura (3). Stu risultatu hà rinfurzatu a crede chì a luce era una onda, prima chì i scuperti in u principiu di u XNUMX dimustranu chì a luce era ancu una onda. flussu di fotoni sò particeddi ligeri chì ùn anu micca massa di riposu. In seguitu si scopre chì u misteriu dualità onda-particellaprimu scupertu per a luce s'applica ancu à altri particeddi dotati di massa. Prestu diventò a basa per una nova descrizzione meccanica quantistica di u mondu.

3. Visione di l'esperimentu di Young

I particeddi ancu interferiscenu

In u 1961, Klaus Jonsson da l'Università di Tübingen hà dimustratu l'interferenza di particeddi massivi - elettroni cù un microscope elettronicu. Dieci anni dopu, trè fisici taliani da l'Università di Bologna anu realizatu un esperimentu simili interferenza di un elettrone (aduprendu un biprismu chjamatu invece di una doppia fessura). Anu riduciutu l'intensità di u fasciu di l'elettroni à un valore cusì bassu chì l'elettroni passavanu per u biprismu unu dopu à l'altru, unu dopu à l'altru. Questi elettroni sò stati registrati nantu à una pantalla fluorescente.

Inizialmente, i percorsi di l'elettroni sò stati distribuiti aleatoriamente nantu à u screnu, ma cù u tempu formanu una maghjina d'interferenza distinta di e frange d'interferenza. Sembra impussibile chì dui elettroni chì passanu per i slits in successione à i tempi diffirenti puderanu interferiscenu l'un l'altru. Dunque, avemu da ricunnosce chì un elettrone interferisce cun ellu stessu! Ma tandu l'elettrone avissi da passà à traversu i dui slits à u stessu tempu.

Pò esse tentatore di guardà u pirtusu attraversu quale l'elettrone hà veramente passatu. Dopu avemu vistu cumu fà una tale osservazione senza disturbà u muvimentu di l'elettrone. Risulta chì si avemu infurmazione nantu à ciò chì l'elettrone hà ricevutu, allora l'interferenza ... sparirà! L'infurmazione "cumu" distrugge l'interferenza. Questu significa chì a presenza di un observatore cuscente influenza u cursu di u prucessu fisicu?

Prima di parlà di i risultati ancu più sorprendenti di l'esperimenti di double-slit, aghju da fà una piccula digressione nantu à e dimensioni di l'uggetti interferenti. L'interferenza quantistica di l'uggetti di massa hè stata scuperta prima per l'elettroni, dopu per i particeddi cù massa crescente: neutroni, protoni, atomi, è infine per grande molécule chimiche.

In u 2011, u recordu di a dimensione di un oggettu hè statu battutu, nantu à quale u fenomenu di l'interferenza quantistica hè statu dimustratu. L'esperimentu hè statu realizatu à l'Università di Vienna da un studiente di dutturatu di u tempu. Sandra Eibenberger è i so cumpagni. Una molécula organica cumplessa chì cuntene circa 5 protoni, 5 mila neutroni è 5 mila elettroni hè stata scelta per l'esperimentu cù dui pause! In un esperimentu assai cumplessu, l'interferenza quantistica di sta molecula enormi hè stata osservata.

Questu hà cunfirmatu a credenza chì I liggi di a meccanica quantistica ubbidiscenu micca solu particeddi elementari, ma ancu ogni ughjettu materiale. Solu chì u più cumplessu l'ughjettu, più interagisce cù l'ambiente, chì viola e so proprietà quantum sottili è distrugge l'effetti di interferenza..

Entanglement quantum è polarizazione di a luce

I risultati più sorprendenti di l'esperimenti di doppia slit sò vinuti da l'usu di un metudu speciale di seguimentu di u fotonu, chì ùn hà micca disturbatu u so muvimentu in ogni modu. Stu metudu usa unu di i fenomeni quantum più strani, u cusì chjamatu entanglement quantum. Stu fenominu hè statu nutatu in l'anni 30 da unu di i principali creatori di a meccanica quantistica, Erwin Schrödinger.

L'Einstein scetticu (vede ancu 🙂 li chjamava l'azzione ghostly à distanza. In ogni casu, solu una mità di seculu dopu, u significatu di questu effettu hè statu realizatu, è oghje hè diventatu un sughjettu di interessu particulare per i fisici.

Chì ghjè questu effettu? Sì duie particeddi chì sò vicinu à l'altri in un certu puntu in u tempu interagiscenu cusì forte l'una cù l'altru chì formanu una spezia di "relazioni gemelli", allora a rilazioni persiste ancu quandu e particelle sò distanti centinaie di chilometri. Allora i particeddi si cumportanu cum'è un sistema unicu. Questu significa chì quandu avemu fattu una azzione nantu à una particella, affetta immediatamente un'altra particella. In ogni modu, in questu modu ùn pudemu micca trasmette infurmazioni in tempu à una distanza.

Un fotonu hè una particella senza massa - una parte elementare di a luce, chì hè una onda elettromagnetica. Dopu à passà per una piastra di u cristallu currispundente (chjamatu polarizatore), a luce diventa linearly polarized, i.e. u vettore di u campu elettricu di una onda elettromagnetica oscilla in un certu pianu. À u so turnu, passendu a luce polarizzata linearmente à traversu una piastra d'un certu spessore da un altru cristallu particulari (a chjamata platea di quartu d'onda), pò esse cunvertita in luce polarizzata circularmente, in quale u vettore di campu elettricu si move in una spirale ( in senso orario o antiorario) movimento lungo la direzione di propagazione dell'onda. In cunsiquenza, si pò parlà di fotoni polarizzati lineari o circulari.

Esperimenti cù fotoni intrecciati

4a. Un cristallu BBO non lineare converte un fotonu emessu da un laser argon in dui fotoni intrecciati cù a mità di l'energia è polarizazione mutualmente perpendiculare. Questi fotoni sparghjenu in direzzione diffirenti è sò registrati da i detectors D1 è D2, cunnessi da un contatore di coincidenza LK. Un diafragma cù dui slits hè piazzatu in a strada di unu di i fotoni. Quandu i dui detectors registranu l'arrivu quasi simultanea di i dui fotoni, u signale hè guardatu in a memoria di u dispusitivu, è u detector D2 passi paralleli à i slits. U numaru di fotoni secondu a pusizione di u detector D2, cusì arregistratu, hè indicatu in a casella, chì mostra i massimi è i minimi, chì indicanu interferenza.

In u 2001, un gruppu di fisici brasiliani in Belo Horizonte hà realizatu sottu a guida di Stephen Walborn esperimentu inusual. I so autori anu utilizatu e pruprietà di un cristallu speciale (abbreviatu cum'è BBO), chì cunverta una certa parte di i fotoni emessi da un laser argon in dui fotoni cù a mità di l'energia. Sti dui fotoni sò intrecciati l'una cù l'altru; quandu unu di elli hà, per esempiu, polarizazione horizontale, l'altru hà polarizazione verticale. Questi fotoni si movenu in duie direzzione diffirenti è ghjucanu roli diffirenti in l'esperimentu descrittu.

Unu di i fotoni chì andemu à chjamà cuntrollu, va direttamente à u detector di fotoni D1 (4a). U detector registra a so ghjunta mandendu un signale elettricu à un dispositivu chjamatu hit counter. LK Un esperimentu di interferenza serà realizatu nantu à u sicondu fotònu; lu chjameremu fotoni di signale. Ci hè una doppia fessura in u so percorsu, seguita da un second detector di fotoni, D2, un pocu più luntanu da a fonte di fotoni cà u detector D1. Stu detector pò saltà in relazione à u slot duale ogni volta chì riceve un signalu adattatu da u contatore di hit. Quandu u detector D1 registra un fotonu, manda un signalu à u contatore di coincidenza. Se in un mumentu u detector D2 registra ancu un fotonu è manda un signalu à u metru, allora ricunnosce chì vene da fotoni intricati, è questu fattu serà guardatu in a memoria di u dispusitivu. Questa prucedura esclude a registrazione di fotoni aleatorii chì entranu in u detector.

I fotoni intrecciati persistanu per 400 seconde. Dopu questu tempu, u detector D2 hè spustatu da 1 mm in quantu à a pusizione di i slits, è u cuntu di i fotoni intricati piglia un altru 400 seconde. Allora u detector hè di novu mossa da 1 mm è a prucedura hè ripetuta parechje volte. Risulta chì a distribuzione di u numeru di photons arregistrati in questu modu secondu a pusizione di u detector D2 hà caratteristiche massimi è minimi chì currispondenu à e frange di luce è scuru è di interferenza in l'esperimentu di Young (4a).

Scupremu di novu chì i fotoni singuli chì passanu per a doppia fessura interferiscenu l'una cù l'altru.

Cumu?

U passu prossimu in l'esperimentu era di determinà u pirtusu per quale un fotonu particulari passava senza disturbà u so muvimentu. Proprietà utilizati quì piastra di quartu d'onda. Una piastra di quartu d'onda hè stata posta davanti à ogni slit, una di quale hà cambiatu a polarizazione lineale di u fotonu incidente à circular in u sensu orariu, è l'altru à a polarizazione circular di manca (4b). Hè verificatu chì u tipu di polarizazione di fotoni ùn hà micca affettatu u numeru di fotoni cuntatu. Avà, determinendu a rotazione di a polarizazione di u fotonu dopu avè passatu per i slits, hè pussibule indicà per quale di elli u fotonu hè passatu. Sapendu "in quale direzzione" distrugge l'interferenza.

4b. Pusendu platti di quartu d'onda (rettanguli ombreggiati) davanti à i slits, l'infurmazioni "in quale modu" ponu esse ottenute è l'imaghjini d'interferenza sparirà.

4c. Pone un polarizatore P orientatu in modu adattatu davanti à u detector D1 sguassate l'infurmazioni "in quale modu" è restaurà l'interferenza.

In realtà, dopu a piazza curretta di i piatti di quartu d'onda davanti à i slits, a distribuzione di cunti osservata prima, indicativa di interferenza, sparisce. A cosa più strana hè chì questu succede senza a participazione di un observatore cuscente chì pò fà e misurazioni appropritate! A mera piazzamentu di piastre di quartu d'onda produce un effettu di annullamentu di l'interferenza.. Allora cumu u fotònu sapi chì dopu avè inseritu i platti, pudemu determinà u spaziu per u quale hà passatu?

Tuttavia, questu ùn hè micca a fine di a stranezza. Avà pudemu restaurà l'interferenza di fotoni di signale senza affettà direttamente. Per fà questu, in u percorsu di u fotone di cuntrollu chì ghjunghje à u detector D1, mette un polarisatore in tale manera chì trasmette a luce cù una polarizazione chì hè una cumminazione di e polarizazioni di i dui fotoni intricati (4c). Questu cambia immediatamente a polarità di u fotone di signale in cunseguenza. Avà ùn hè più pussibule di determinà cun certezza quale hè a polarizazione di un incidente di fotoni nantu à i slits, è per quale slit u fotonu passava. In questu casu, l'interferenza hè restaurata!

Sguassà l'infurmazione di selezzione ritardata

L'esperimenti descritti sopra sò stati realizati in tale manera chì u fotonu di cuntrollu hè statu registratu da u detector D1 prima chì u photon signale ghjunghje à u detector D2. L'eliminazione di l'infurmazioni "in quale modu" hè stata realizata cambiendu a polarizazione di u fotonu di cuntrollu prima chì u fotonu di u signale ghjunghje à u detector D2. Allora si pò imaginà chì u fotonu di cuntrollu hà digià dettu à u so "gemellu" ciò chì deve fà dopu: intervene o micca.

Avà mudificà l'esperimentu in tale manera chì u fotone di cuntrollu culpisce u detector D1 dopu chì u fotone di signale hè registratu à u detector D2. Per fà questu, alluntanate u detector D1 da a fonte di fotoni. U mudellu di interferenza pare u listessu cum'è prima. Ora mettemu i piatti di quartu d'onda davanti à e fenditure per determinà quale percorsu hà pigliatu u fotonu. U mudellu di interferenza sparisce. In seguitu, sguassate l'infurmazioni "in quale modu" mettendu un polarizatore orientatu in modu adattatu davanti à u detector D1. U mudellu d'interferenza appare di novu! Eppuru, a cancellazione hè stata fatta dopu chì u fotonu di u signale hè statu registratu da u detector D2. Cumu hè questu pussibule? U fotònu duvia esse cuscenti di u cambiamentu di polarità prima di qualsiasi infurmazione nantu à ellu puderia ghjunghje.

5. Esperimenti cù un fasciu laser.

A sequenza naturale di l'avvenimenti hè invertita quì; l'effettu precede a causa! Stu risultatu mina u principiu di causalità in a realità intornu à noi. O forse u tempu ùn importa micca quandu si tratta di particelle intrecciate ? Quantum entanglement viola u principiu di a località in a fisica classica, secondu a quale un ughjettu pò esse affettatu solu da u so ambiente immediatu.

Dapoi l'esperimentu brasilianu, parechji esperimenti simili sò stati realizati, chì cunfirmanu cumplettamente i risultati presentati quì. In fine, u lettore vulete spiegà chjaramente u misteru di sti fenomeni inespettati. Sfortunatamente, questu ùn pò micca esse fattu. A logica di a meccanica quantistica hè diversa da a logica di u mondu chì vedemu ogni ghjornu. Ci vole umilmente accettà questu è rallegrate in u fattu chì e lege di a meccanica quantistica descrizanu accuratamente i fenomeni chì si verificanu in u microcosmu, chì sò utilmente usati in i dispositi tecnichi sempre più avanzati.