Al cor de la mecànica quàntica

Richard Feynman, un dels més grans físics del segle XX, va argumentar que la clau per entendre la mecànica quàntica és l'"experiment de la doble escletxa". Aquest experiment conceptualment senzill, realitzat avui, continua donant descobriments sorprenents. Mostren com d'incompatible amb el sentit comú és la mecànica quàntica, que finalment va donar lloc als invents més importants dels darrers cinquanta anys.

Per primera vegada va realitzar un experiment de doble escletxa. Thomas Young (1) a Anglaterra a principis del segle XIX.

L'experiment de Young

L'experiment es va utilitzar per demostrar que la llum és de naturalesa ondulatòria i no de naturalesa corpuscular, com s'ha dit anteriorment. Isaac Newton. Young acaba de demostrar que la llum obeeix intervenció - un fenomen que és el tret més característic (independentment del tipus d'ona i del medi en què es propaga). Avui, la mecànica quàntica concilia aquestes dues visions lògicament contradictòries.

Recordem l'essència de l'experiment de la doble escletxa. Com és habitual, em refereixo a una onada a la superfície de l'aigua que s'estén de manera concèntrica pel lloc on es va llançar el còdol. 

Una ona està formada per crestes i creus successius que irradien des del punt de pertorbació, mantenint una distància constant entre les crestes, que s'anomena longitud d'ona. Es pot col·locar una barrera al camí de l'ona, per exemple, en forma de tauler amb dues ranures estretes tallades per on l'aigua pot fluir lliurement. Llançant un còdol a l'aigua, l'onada s'atura a l'envà, però no del tot. Dues noves ones concèntriques (2) ara es propaguen a l'altre costat de la partició des de les dues ranures. Es superposen entre si, o, com diem, interfereixen entre si, creant un patró característic a la superfície. Als llocs on la cresta d'una onada es troba amb la cresta d'una altra, la protuberància de l'aigua s'intensifica, i on el buit es troba amb la vall, la depressió s'aprofundeix.

2. Interferència d'ones que sorgeixen de dues ranures.

En l'experiment de Young, la llum d'un sol color emesa des d'una font puntual passa per un diafragma opac amb dues escletxes i colpeja la pantalla darrere d'elles (avui preferim utilitzar llum làser i un CCD). S'observa una imatge d'interferència d'una ona de llum a la pantalla en forma d'una sèrie de franges clares i fosques alternes (3). Aquest resultat va reforçar la creença que la llum era una ona, abans que els descobriments a principis del segle XX demostressin que la llum també era una ona. flux de fotons són partícules lleugeres que no tenen massa en repòs. Més tard va resultar que el misteriós dualitat ona-partículaprimer descobert per a la llum també s'aplica a altres partícules dotades de massa. Aviat es va convertir en la base d'una nova descripció mecànica quàntica del món.

3. Visió de l'experiment de Young

Les partícules també interfereixen

El 1961, Klaus Jonsson de la Universitat de Tübingen va demostrar la interferència de partícules massives - electrons mitjançant un microscopi electrònic. Deu anys més tard, tres físics italians de la Universitat de Bolonya van realitzar un experiment similar interferència d'un sol electró (utilitzant l'anomenat biprisma en comptes d'una doble escletxa). Van reduir la intensitat del feix d'electrons a un valor tan baix que els electrons van passar pel biprisma un darrere l'altre, un darrere l'altre. Aquests electrons es van registrar en una pantalla fluorescent.

Inicialment, els rastres d'electrons es van distribuir aleatòriament per la pantalla, però amb el temps van formar una imatge d'interferència diferent de les franges d'interferència. Sembla impossible que dos electrons que passen per les escletxes en successió en diferents moments puguin interferir entre ells. Per tant, ho hem de reconèixer un electró interfereix amb si mateix! Però aleshores l'electró hauria de passar per les dues escletxes alhora.

Pot ser temptador mirar el forat per on realment va passar l'electró. Més endavant veurem com fer aquesta observació sense pertorbar el moviment de l'electró. Resulta que si obtenim informació sobre el que ha rebut l'electró, aleshores la interferència... desapareixerà! La informació "com" destrueix les interferències. Vol dir això que la presència d'un observador conscient influeix en el curs del procés físic?

Abans de parlar dels resultats encara més sorprenents dels experiments de doble escletxa, faré una petita digressió sobre les mides dels objectes interferents. La interferència quàntica dels objectes de massa es va descobrir primer per als electrons, després per a partícules amb massa creixent: neutrons, protons, àtoms i, finalment, per a molècules químiques grans.

L'any 2011 es va batre el rècord de mida d'un objecte, en el qual es va demostrar el fenomen d'interferència quàntica. L'experiment es va dur a terme a la Universitat de Viena per un estudiant de doctorat de l'època. Sandra Eibenberger i els seus associats. Es va triar una molècula orgànica complexa que conté uns 5 protons, 5 mil neutrons i 5 mil electrons per a l'experiment amb dues pauses! En un experiment molt complex, es va observar una interferència quàntica d'aquesta enorme molècula.

Això va confirmar la creença que Les lleis de la mecànica quàntica obeeixen no només a les partícules elementals, sinó també a tots els objectes materials. Només que com més complex és l'objecte, més interactua amb l'entorn, la qual cosa viola les seves subtils propietats quàntiques i destrueix els efectes d'interferència..

Enredament quàntic i polarització de la llum

Els resultats més sorprenents dels experiments de doble escletxa provenen de l'ús d'un mètode especial de seguiment del fotó, que no va alterar el seu moviment de cap manera. Aquest mètode utilitza un dels fenòmens quàntics més estranys, l'anomenat entrellaçament quàntic. Aquest fenomen va ser observat als anys 30 per un dels principals creadors de la mecànica quàntica, Erwin Schrödinger.

L'escèptic Einstein (vegeu també 🙂 els va anomenar acció fantasmal a distància. No obstant això, només mig segle després es va adonar de la importància d'aquest efecte, i avui s'ha convertit en un tema d'especial interès per als físics.

De què tracta aquest efecte? Si dues partícules que estan a prop l'una de l'altra en algun moment del temps interactuen tan fortament entre elles que formen una mena de "relació bessona", aleshores la relació persisteix fins i tot quan les partícules estan separades a centenars de quilòmetres. Aleshores les partícules es comporten com un únic sistema. Això vol dir que quan realitzem una acció sobre una partícula, afecta immediatament una altra partícula. No obstant això, d'aquesta manera no podem transmetre informació atemporal a distància.

Un fotó és una partícula sense massa, una part elemental de la llum, que és una ona electromagnètica. Després de passar per una placa del cristall corresponent (anomenada polaritzador), la llum es polaritza linealment, és a dir. el vector del camp elèctric d'una ona electromagnètica oscil·la en un pla determinat. Al seu torn, fent passar llum linealment polaritzada a través d'una placa d'un cert gruix des d'un altre cristall particular (l'anomenada placa de quart d'ona), es pot convertir en llum polaritzada circularment, en la qual el vector del camp elèctric es mou en forma helicoïdal ( en sentit horari o antihorari) moviment al llarg de la direcció de propagació de l'ona. En conseqüència, es pot parlar de fotons polaritzats linealment o circularment.

Experiments amb fotons entrellaçats

4a. Un cristall BBO no lineal converteix un fotó emès per un làser d'argó en dos fotons entrellaçats amb la meitat d'energia i polarització mútuament perpendicular. Aquests fotons es dispersen en diferents direccions i són registrats pels detectors D1 i D2, connectats per un comptador de coincidències LK.En el recorregut d'un dels fotons es col·loca un diafragma amb dues escletxes. Quan ambdós detectors registren l'arribada gairebé simultània d'ambdós fotons, el senyal s'emmagatzema a la memòria del dispositiu i el detector D2 va paral·lel a les ranures. El nombre de fotons en funció de la posició del detector D2, així enregistrat, es mostra al quadre, mostrant els màxims i mínims, indicant interferències.

L'any 2001, un grup de físics brasilers a Belo Horizonte va actuar sota la direcció de Stephen Walborn experiment inusual. Els seus autors van utilitzar les propietats d'un cristall especial (abreujat com a BBO), que converteix una determinada part dels fotons emesos per un làser d'argó en dos fotons amb la meitat d'energia. Aquests dos fotons estan entrellaçats; quan un d'ells té, per exemple, polarització horitzontal, l'altre té polarització vertical. Aquests fotons es mouen en dues direccions diferents i tenen diferents papers en l'experiment descrit.

Un dels fotons que anem a anomenar контроль, va directament al detector de fotons D1 (4a). El detector registra la seva arribada enviant un senyal elèctric a un dispositiu anomenat comptador d'impactes. LK Es realitzarà un experiment d'interferència sobre el segon fotó; el trucarem fotó de senyal. Hi ha una doble escletxa al seu pas, seguida d'un segon detector de fotons, D2, una mica més lluny de la font de fotons que el detector D1. Aquest detector pot saltar en relació a la ranura dual cada vegada que rep un senyal adequat del comptador de cops. Quan el detector D1 registra un fotó, envia un senyal al comptador de coincidències. Si en un moment el detector D2 també registra un fotó i envia un senyal al mesurador, llavors reconeixerà que prové de fotons entrellaçats, i aquest fet quedarà emmagatzemat a la memòria del dispositiu. Aquest procediment exclou el registre de fotons aleatoris que entren al detector.

Els fotons entrellaçats persisteixen durant 400 segons. Passat aquest temps, el detector D2 es desplaça 1 mm respecte a la posició de les escletxes, i el recompte de fotons entrellaçats triga 400 segons més. A continuació, es torna a moure el detector 1 mm i el procediment es repeteix moltes vegades. Resulta que la distribució del nombre de fotons enregistrats d'aquesta manera en funció de la posició del detector D2 té màxims i mínims característics corresponents a franges clares i fosques i d'interferència en l'experiment de Young (4a).

Ho tornem a descobrir els fotons únics que passen per la doble escletxa interfereixen entre si.

Com?

El següent pas de l'experiment va ser determinar el forat per on passava un fotó concret sense pertorbar el seu moviment. Propietats utilitzades aquí placa de quart d'ona. Es va col·locar una placa de quart d'ona davant de cada escletxa, una de les quals va canviar la polarització lineal del fotó incident a circular en el sentit de les agulles del rellotge i l'altra a la polarització circular a l'esquerra (4b). Es va comprovar que el tipus de polarització de fotons no afectava el nombre de fotons comptats. Ara, determinant la rotació de la polarització d'un fotó després d'haver passat per les escletxes, és possible indicar per quina d'elles ha passat el fotó. Saber "en quina direcció" destrueix les interferències.

4b. En col·locar plaques de quart d'ona (rectangles ombrejats) davant de les ranures, es pot obtenir informació "de quina manera" i la imatge d'interferència desapareixerà.

4c. Col·locar un polaritzador P orientat adequadament davant del detector D1 esborra la informació "de quina manera" i restaura la interferència.

De fet, després de la correcta col·locació de les plaques de quart d'ona davant de les escletxes, desapareix la distribució de recomptes observada anteriorment, indicativa d'interferència. El més estrany és que això passa sense la participació d'un observador conscient que pugui fer les mesures oportunes! La mera col·locació de plaques de quart d'ona produeix un efecte de cancel·lació d'interferències.. Llavors, com sap el fotó que després d'inserir les plaques, podem determinar el buit per on va passar?

Tanmateix, aquest no és el final de les estranyes. Ara podem restaurar la interferència dels fotons del senyal sense afectar-la directament. Per fer-ho, en el recorregut del fotó de control que arriba al detector D1, col·loqueu un polaritzador de manera que transmeti llum amb una polarització que és una combinació de les polaritzacions d'ambdós fotons entrellaçats (4c). Això canvia immediatament la polaritat del fotó del senyal en conseqüència. Ara ja no és possible determinar amb certesa quina és la polarització d'un fotó incident a les escletxes i per quina escletxa ha passat el fotó. En aquest cas, la interferència es restaura!

Esborra la informació de selecció retardada

Els experiments descrits anteriorment es van dur a terme de tal manera que el fotó de control va ser registrat pel detector D1 abans que el fotó del senyal arribés al detector D2. L'esborrat de la informació "de quina manera" es va realitzar canviant la polarització del fotó de control abans que el fotó del senyal arribés al detector D2. Aleshores un pot imaginar que el fotó controlador ja li ha dit al seu "bessó" què ha de fer després: intervenir o no.

Ara modifiquem l'experiment de manera que el fotó de control toqui el detector D1 després que el fotó de senyal es registri al detector D2. Per fer-ho, allunyeu el detector D1 de la font de fotons. El patró d'interferència és el mateix que abans. Ara col·loquem plaques de quart d'ona davant de les escletxes per determinar quin camí ha pres el fotó. El patró d'interferència desapareix. A continuació, esborrem la informació "de quina manera" col·locant un polaritzador orientat adequadament davant del detector D1. El patró d'interferència apareix de nou! No obstant això, l'esborrat es va fer després que el fotó del senyal hagués estat registrat pel detector D2. Com és possible? El fotó havia de ser conscient del canvi de polaritat abans que qualsevol informació sobre ell pogués arribar-hi.

5. Experiments amb un raig làser.

La seqüència natural dels esdeveniments s'inverteix aquí; l'efecte precedeix a la causa! Aquest resultat soscava el principi de causalitat en la realitat que ens envolta. O potser el temps no importa quan es tracta de partícules entrellaçades? L'entrellat quàntic viola el principi de localitat de la física clàssica, segons el qual un objecte només pot ser afectat pel seu entorn immediat.

Des de l'experiment brasiler, s'han dut a terme molts experiments similars, que confirmen completament els resultats aquí presentats. Al final, el lector voldria explicar clarament el misteri d'aquests fenòmens inesperats. Malauradament, això no es pot fer. La lògica de la mecànica quàntica és diferent de la lògica del món que veiem cada dia. Hem d'acceptar-ho humilment i alegrar-nos del fet que les lleis de la mecànica quàntica descriuen amb precisió els fenòmens que ocorren en el microcosmos, que s'utilitzen útilment en dispositius tècnics cada cop més avançats.