في قلب ميكانيكا الكم
محتوى
قال ريتشارد فاينمان، أحد أعظم علماء الفيزياء في القرن التاسع عشر، إن المفتاح لفهم ميكانيكا الكم هو "تجربة الشق المزدوج". تستمر هذه التجربة البسيطة من الناحية النظرية، والتي يتم إجراؤها اليوم، في تحقيق اكتشافات مذهلة. إنها توضح مدى عدم توافق ميكانيكا الكم مع المنطق السليم، مما أدى في النهاية إلى أهم الاختراعات في الخمسين عامًا الماضية.
إجراء تجربة الشق المزدوج لأول مرة. توماس يونج (1) في إنجلترا في بداية القرن التاسع عشر.
تجربة ليانغ
واستخدمت التجربة لبيان أن الضوء ذو طبيعة موجية وليس ذو طبيعة جسيمية كما ادعى سابقا. اسحق نيوتن. أثبت يونج ببساطة أن الضوء يطيع تدخل قضائي - ظاهرة هي السمة الأكثر تميزًا (بغض النظر عن نوع الموجة والوسط الذي تنتشر فيه). اليوم ، توفق ميكانيكا الكم بين هاتين النظريتين المتناقضتين منطقيًا.
دعونا نتذكر جوهر تجربة الشق المزدوج. وكالعادة، أشير إلى موجة على سطح الماء تنتقل بشكل مركزي حول المكان الذي رميت فيه الحصاة.
تتكون الموجة من قمم وقيعان متتالية تشع من مكان الاضطراب، مع الحفاظ على مسافة ثابتة بين القمم، تسمى الطول الموجي. في مسار الموجة، يمكنك وضع حاجز، على سبيل المثال، على شكل لوح ذو شقين ضيقين مقطوعين يمكن من خلالهما تدفق المياه بحرية. بعد إلقاء حصاة في الماء، تتوقف الموجة عند الحاجز - ولكن ليس تمامًا. تنتشر الآن موجتان متحدتان المركز (2) إلى الجانب الآخر من القسم من كلا الشقين. إنها تتداخل مع بعضها البعض، أو، كما نقول، تتداخل مع بعضها البعض، مما يخلق نمطا مميزا على السطح. وفي الأماكن التي تلتقي فيها قمة موجة مع قمة موجة أخرى، يشتد انتفاخ الماء، وحيث يلتقي الجوف بالوادي، يتعمق المنخفض.
2. تداخل الموجات الخارجة من شقين.
في تجربة يونج، يمر الضوء أحادي اللون المنبعث من مصدر نقطي عبر حاجز معتم ذو شقين ويضرب شاشة خلفهما (اليوم نفضل استخدام ضوء الليزر وجهاز CCD). يتم ملاحظة صورة تداخل لموجة ضوئية على الشاشة على شكل سلسلة من الخطوط الفاتحة والداكنة المتناوبة (3). وعززت هذه النتيجة الاعتقاد بأن الضوء موجة، قبل أن تظهر الاكتشافات في أوائل القرن العشرين أن الضوء موجة أيضًا. تدفق الفوتون هي جسيمات الضوء التي ليس لها كتلة سكون. في وقت لاحق تبين أن الغامض ازدواجية موجة - جسيمتم اكتشافه أولاً بالنسبة للضوء، وينطبق أيضًا على الجسيمات الأخرى ذات الكتلة. وسرعان ما أصبح الأساس لوصف ميكانيكي كمي جديد للعالم.
3. رؤية يونج للتجربة
تتداخل الجسيمات أيضًا
في عام 1961، أظهر كلاوس جونسون من جامعة توبنغن تداخل الجسيمات الضخمة التي تسمى الإلكترونات باستخدام المجهر الإلكتروني. وبعد عشر سنوات، أجرى ثلاثة فيزيائيين إيطاليين من جامعة بولونيا تجربة مماثلة تدخل إلكترون واحد (باستخدام ما يسمى بالمنشور بدلاً من الشق المزدوج). لقد خفضوا شدة شعاع الإلكترون إلى قيمة منخفضة لدرجة أن الإلكترونات تمر عبر المنشور الثنائي واحدًا تلو الآخر، واحدًا تلو الآخر. وتم تسجيل هذه الإلكترونات على شاشة الفلورسنت.
في البداية، تم توزيع آثار الإلكترون بشكل عشوائي عبر الشاشة، لكنها مع مرور الوقت شكلت صورة تداخل واضحة لأهداب التداخل. يبدو من المستحيل أن يتداخل إلكترونين يمران على التوالي عبر الشقوق في أوقات مختلفة مع بعضهما البعض. ولذلك يجب علينا أن نعترف بذلك إلكترون واحد يتداخل مع نفسه! ولكن بعد ذلك سيتعين على الإلكترون أن يمر عبر كلا الشقين في نفس الوقت.
قد يكون من المغري ملاحظة الثقب الذي مر من خلاله الإلكترون بالفعل. وسنرى لاحقًا كيفية إجراء هذه الملاحظة دون إزعاج حركة الإلكترون. اتضح أنه إذا تلقينا معلومات قبلها الإلكترون، فإن التداخل... سيختفي! معلومات "كيف" تقضي على التداخل. هل هذا يعني أن وجود مراقب واعي يؤثر على سير العملية الفيزيائية؟
قبل أن أتحدث عن النتائج الأكثر إثارة للدهشة لتجارب الشق المزدوج، سأقوم باستطراد قصير حول أحجام الأجسام المتداخلة. تم اكتشاف التداخل الكمي للأجسام ذات الكتلة أولاً بالنسبة للإلكترونات، ثم بالنسبة للجسيمات ذات الكتلة المتزايدة: النيوترونات والبروتونات والذرات، وأخيراً بالنسبة للجزيئات الكيميائية الكبيرة.
وفي عام 2011، تم كسر الرقم القياسي لحجم الجسم الذي أظهر ظاهرة التداخل الكمي. وأجريت التجربة في جامعة فيينا على يد طالب دكتوراه في ذلك الوقت. ساندرا ايبنبرجر ورفاقها. ولتجربة الكسر المزدوج تم اختيار جزيء عضوي معقد يحتوي على حوالي 5 بروتونات و5 آلاف نيوترون و5 آلاف إلكترون! وفي تجربة معقدة للغاية، لوحظ التداخل الكمي لهذا الجزيء الضخم.
وهذا ما أكد الاعتقاد بأن ليس فقط الجسيمات الأولية، ولكن أيضًا كل جسم مادي يخضع لقوانين ميكانيكا الكم. كل ما في الأمر هو أنه كلما كان الجسم أكثر تعقيدًا، كلما زاد تفاعله مع بيئته، مما ينتهك خصائصه الكمومية الدقيقة ويدمر تأثيرات التداخل..
التشابك الكمي واستقطاب الضوء
النتائج الأكثر إثارة للدهشة لتجارب الشق المزدوج جاءت من استخدام طريقة خاصة لتتبع الفوتون، والتي لم تعيق حركته بأي شكل من الأشكال. وتستخدم هذه الطريقة واحدة من أغرب الظواهر الكمومية، والتي تسمى تشابك الكم. تمت ملاحظة هذه الظاهرة في الثلاثينيات من قبل أحد المبدعين الرئيسيين لميكانيكا الكم، إروين شرودنغر.
أينشتاين المتشكك (انظر أيضًا 🙂) أطلق عليها اسم الفعل الشبحي عن بعد، ومع ذلك، بعد نصف قرن فقط تم إدراك أهمية هذا التأثير، واليوم أصبح موضوعًا ذا أهمية خاصة للفيزيائيين.
ما هو هذا التأثير؟ إذا تفاعل جسيمان كانا قريبين من بعضهما البعض في وقت ما مع بعضهما البعض بقوة لدرجة أنهما شكلا نوعًا من "العلاقة التوأم"، فإن العلاقة تظل قائمة حتى عندما تكون المسافة بين الجزيئات مئات الكيلومترات. ثم تتصرف الجزيئات كنظام واحد. وهذا يعني أنه عندما نقوم بإجراء ما على جسيم واحد، فإنه يؤثر مباشرة على الجسيم الآخر. ومع ذلك، بهذه الطريقة لا يمكننا نقل المعلومات عبر مسافة في الوقت المناسب.
الفوتون هو جسيم عديم الكتلة، وهو جزء أولي من الضوء، وهو عبارة عن موجة كهرومغناطيسية. بعد المرور عبر لوحة من البلورة المقابلة (تسمى المستقطب)، يصبح الضوء مستقطبًا خطيًا، أي. يتأرجح ناقل المجال الكهربائي للموجة الكهرومغناطيسية في مستوى معين. بدوره، من خلال تمرير الضوء المستقطب خطيًا عبر صفيحة ذات سماكة معينة من بلورة محددة أخرى (ما يسمى بلوحة ربع الموجة)، يمكن تحويله إلى ضوء مستقطب دائريًا، حيث يتحرك ناقل المجال الكهربائي بشكل حلزوني ( في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة) الحركة على طول اتجاه انتشار الموجة. وبناء على ذلك، يمكننا أن نتحدث عن الفوتونات المستقطبة خطيا أو دائريا.
تجارب مع الفوتونات المتشابكة
4 ا. تقوم بلورة BBO غير الخطية بتحويل الفوتون المنبعث من ليزر الأرجون إلى فوتونين متشابكين بنصف الطاقة والاستقطاب المتعامد المتبادل. وتنتشر هذه الفوتونات في اتجاهات مختلفة ويتم تسجيلها بواسطة الكاشفين D1 وD2، المتصلين بواسطة عداد الصدفة LC، ويتم وضع حاجز ذو شقين على مسار أحد الفوتونات. عندما يكتشف كلا الكاشفين الوصول المتزامن تقريبًا لكلا الفوتونين، يتم تخزين الإشارة في ذاكرة الجهاز، ويتحرك الكاشف D2 بالتوازي مع الشقوق. يتم عرض عدد الفوتونات كدالة لموضع الكاشف D2 المسجل بهذه الطريقة في المربع، مما يوضح الحد الأقصى والحد الأدنى مما يشير إلى التداخل.
وفي عام 2001، قادت مجموعة من الفيزيائيين البرازيليين في بيلو هوريزونتي ستيفن والبورن تجربة غير عادية. استخدم مؤلفوها خصائص بلورة خاصة (تُختصر بـ BBO) ، والتي تحول جزءًا معينًا من الفوتونات المنبعثة من ليزر الأرجون إلى فوتونين بنصف الطاقة. هذان الفوتونان متشابكان مع بعضهما البعض ؛ عندما يكون لأحدهما ، على سبيل المثال ، استقطاب أفقي ، يكون للآخر استقطاب رأسي. تتحرك هذه الفوتونات في اتجاهين مختلفين وتلعب أدوارًا مختلفة في التجربة الموصوفة.
أحد الفوتونات التي سنسميها السيطرة، يذهب مباشرة إلى كاشف الفوتون D1 (4a). يسجل الكاشف وصوله عن طريق إرسال إشارة كهربائية إلى جهاز يسمى عداد الصدفة. LK سيتم إجراء تجربة التداخل على الفوتون الثاني؛ سوف نتصل به فوتون الإشارة. يوجد في مساره شق مزدوج يتبعه كاشف فوتون ثانٍ D2، أبعد قليلاً عن مصدر الفوتون من الكاشف D1. يستطيع هذا الكاشف القفز من موضعه بالنسبة إلى الفتحة المزدوجة في كل مرة يتلقى فيها إشارة مقابلة من عداد الصدفة. عندما يكتشف الكاشف D1 فوتونًا، فإنه يرسل إشارة إلى عداد المصادفة. إذا اكتشف الكاشف D2، بعد لحظة، فوتونًا وأرسل إشارة إلى جهاز القياس، فسوف يتعرف على أنه يأتي من فوتونات متشابكة، وسيتم تخزين هذه الحقيقة في ذاكرة الجهاز. يلغي هذا الإجراء تسجيل الفوتونات العشوائية التي تدخل الكاشف.
تستمر الفوتونات المتشابكة لمدة 400 ثانية. بعد هذا الوقت، يتم إزاحة كاشف D2 بمقدار 1 مم بالنسبة إلى موضع الشقوق، ويستغرق حساب الفوتونات المتشابكة 400 ثانية أخرى. يتم بعد ذلك تحريك الكاشف مرة أخرى بمقدار 1 مم ويتم تكرار الإجراء عدة مرات. وتبين أن توزيع عدد الفوتونات المسجلة بهذه الطريقة اعتمادًا على موضع الكاشف D2 له حدود قصوى ودنيا مميزة تتوافق مع الضوء والظلام وأهداب التداخل في تجربة يونج (4 أ).
سوف نكتشف ذلك مرة أخرى تتداخل الفوتونات المفردة التي تمر عبر الشق المزدوج مع بعضها البعض.
كيف ذلك؟
وكانت الخطوة التالية في التجربة هي تحديد الثقب الذي سيمر من خلاله فوتون معين دون إزعاج حركته. الخصائص المستخدمة هنا لوحة ربع موجة. تم وضع لوحة ربع موجة أمام كل شق، غيّر أحدها الاستقطاب الخطي للفوتون الساقط إلى استقطاب دائري في اتجاه عقارب الساعة، والآخر إلى استقطاب دائري أعسر (4b). تم التحقق من أن نوع استقطاب الفوتون لم يؤثر على عدد الفوتونات المحسوبة. والآن، من خلال تحديد دوران استقطاب الفوتون بعد مروره عبر الشقوق، يمكننا تحديد أي منها مر الفوتون من خلالها. معرفة "في أي اتجاه" يزيل التداخل.
4ب. ومن خلال وضع لوحات ربع الموجة (المستطيلات المظللة) أمام الشقوق، يمكن الحصول على معلومات حول "المسار" وستختفي صورة التداخل.
4 ج. يؤدي وضع المستقطب P الموجه بشكل مناسب أمام الكاشف D1 إلى مسح معلومات "المسار" واستعادة التداخل.
في الواقع، بمجرد وضع لوحات ربع الموجة بشكل صحيح أمام الشقوق، يختفي توزيع العد الذي تمت ملاحظته مسبقًا والذي يشير إلى التداخل. والأغرب من ذلك أن هذا يحدث دون مشاركة المراقب الواعي الذي يستطيع إجراء القياسات المناسبة! إن مجرد وضع لوحات ربع الموجة ينتج عنه تأثير قمع التداخل.. فكيف يعرف الفوتون أنه بعد إدخال الصفائح يمكننا تحديد الفجوة التي مر من خلالها؟
ومع ذلك، هذه ليست نهاية الغرابة. يمكننا الآن إعادة بناء تداخل فوتون الإشارة دون التأثير عليه بشكل مباشر. للقيام بذلك، ضع مستقطبًا في مسار وصول فوتون التحكم إلى الكاشف D1 بحيث ينقل الضوء باستقطاب يمثل مزيجًا من استقطابات كلا الفوتونات المتشابكة (4c). يؤدي هذا على الفور إلى تغيير قطبية فوتون الإشارة وفقًا لذلك. الآن لم يعد من الممكن أن نحدد على وجه اليقين ما هو استقطاب الفوتون الساقط على الشقوق، ومن خلاله الشق الذي مر به الفوتون. وفي هذه الحالة يتم استعادة التداخل!
محو معلومات التحديد المؤجلة
تم إجراء التجارب الموضحة أعلاه بطريقة تم من خلالها اكتشاف فوتون التحكم بواسطة الكاشف D1 قبل وصول فوتون الإشارة إلى الكاشف D2. تم مسح معلومات "الاتجاه" عن طريق تغيير استقطاب الفوتون الدافع قبل وصول فوتون الإشارة إلى الكاشف D2. ومن ثم يمكن للمرء أن يتخيل أن الفوتون المتحكم قد أخبر "توأمه" بالفعل بما يجب فعله بعد ذلك: هل يتدخل أم لا.
نقوم الآن بتعديل التجربة بحيث يضرب فوتون التحكم الكاشف D1 بعد تسجيل فوتون الإشارة عند الكاشف D2. للقيام بذلك، قم بتحريك الكاشف D1 بعيدًا عن مصدر الفوتون. يبدو نمط التداخل كما هو. الآن لنضع صفائح ربع الموجة أمام الشقوق لنحدد المسار الذي سلكه الفوتون. يختفي نمط التداخل. بعد ذلك، دعونا نمحو معلومات "أي اتجاه" عن طريق وضع مستقطب موجه بشكل مناسب أمام الكاشف D1. يظهر نمط التداخل مرة أخرى! ومع ذلك، تم إجراء المحو بعد اكتشاف فوتون الإشارة بواسطة الكاشف D2. كيف يكون هذا ممكنا؟ كان على الفوتون أن يكون واعيًا بتغير القطبية قبل أن تصل إليه أي معلومات عنه.
5. تجارب شعاع الليزر.
التسلسل الطبيعي للأحداث هنا معكوس؛ النتيجة تسبق السبب! وهذه النتيجة تقوض مبدأ السببية في الواقع من حولنا. أو ربما الوقت لا يهم عندما يتعلق الأمر بالجسيمات المتشابكة؟ ينتهك التشابك الكمي مبدأ المحلية، الذي ينطبق في الفيزياء الكلاسيكية، والذي بموجبه لا يمكن أن يتأثر الجسم إلا بمحيطه المباشر.
منذ التجربة البرازيلية، تم إجراء العديد من التجارب المماثلة، والتي تؤكد بشكل كامل النتائج المعروضة هنا. وفي النهاية، يود القارئ أن يوضح بوضوح سر هذه الظواهر غير المتوقعة. لسوء الحظ، هذا لا يمكن القيام به. إن منطق ميكانيكا الكم يختلف عن منطق العالم الذي نراه كل يوم. يجب أن نقبل ذلك بكل تواضع ونبتهج بحقيقة أن قوانين ميكانيكا الكم تصف بدقة الظواهر التي تحدث في العالم المصغر، والتي تُستخدم بشكل مفيد في الأجهزة التقنية الأكثر تقدمًا.
