量子力学の中心

ページ内容

ヤンへの実験
粒子も干渉する
量子もつれと光の偏光
もつれ光子の実験
どうやって？
遅延選択情報の消去

XNUMX世紀の最も偉大な物理学者の一人であるリチャード・ファインマンは、量子力学を理解する鍵は「二重スリット実験」であると主張した。この概念的に単純な実験は今日も実施され、驚くべき発見を生み出し続けています。これらは、量子力学が常識といかに矛盾しているかを示しており、それが最終的に過去 XNUMX 年間で最も重要な発明につながりました。

二重スリット実験を初めて実施。 トーマス・ヤング (1) XNUMX世紀初頭のイギリス。

ヤンへの実験

この実験は、以前に主張されたように、光は波の性質を持ち、粒子の性質を持たないことを示すために使用されました。 アイザックニュートン。ヤングは光が従うことを証明しただけだ介入 - 最も特徴的な特徴である現象 (波の種類や伝播媒体に関係なく)。今日、量子力学は、論理的に矛盾するこれら XNUMX つの見解を調和させています。

二重スリット実験の本質を思い出してみましょう。いつものように、小石が投げられた場所の周りを同心円状に進む水面の波のことを指します。

波は、波の山と谷の間の一定の距離を維持しながら、外乱の位置から放射状に広がる連続した山と谷によって形成されます。これは波長と呼ばれます。波の通り道に、たとえば、水が自由に流れることができる2つの狭いスリットが切られたボードの形のバリアを置くことができます。小石を水の中に投げると、波は仕切りで止まりますが、完全には止まりません。 XNUMX つの新しい同心円状の波 (XNUMX) が両方のスリットからパーティションの反対側に伝播します。それらは互いに重なり合い、または相互に干渉し、表面に特徴的なパターンを作成します。ある波の頂点が別の波の頂点と交わる場所では水の盛り上がりが強まり、窪地と谷が交わる場所では窪みが深くなります。

2. XNUMXつのスリットから出る波の干渉。

ヤングの実験では、点光源から発せられた単色の光が 3 つのスリットのある不透明な絞りを通過し、その背後にあるスクリーンに当たります (今日ではレーザー光と CCD を使用することをお勧めします)。光波の干渉像は、一連の交互に現れる明暗の縞の形でスクリーン上に観察されます (XNUMX)。この結果は、XNUMX 年代初頭の発見によって光も波であることが示される前に、光は波であるという考えを強化しました。 光子束 静止質量を持たない軽い粒子です。後で判明したのは、謎の 波動粒子双対性光について最初に発見されたものは、質量を与えられた他の粒子にも当てはまります。それはすぐに、世界の新しい量子力学的記述の基礎となりました。

3. 実験に対するヤングのビジョン

粒子も干渉する

1961 年、テュービンゲン大学のクラウスヨンソンは、電子顕微鏡を使用して電子と呼ばれる巨大粒子の干渉を実証しました。 XNUMX年後、ボローニャ大学のXNUMX人のイタリアの物理学者が同様の実験を行った。 単一電子干渉 （二重スリットの代わりにいわゆるバイプリズムを使用します）。彼らは電子ビームの強度を非常に低い値に下げ、電子が次々とバイプリズムを通過できるようにしました。これらの電子は蛍光スクリーンに記録されました。

当初、電子の痕跡はスクリーン全体にランダムに分布していましたが、時間の経過とともに干渉縞の鮮明な干渉像を形成しました。異なる時間に連続してスリットを通過する XNUMX つの電子が相互に干渉することは不可能に思えます。したがって、私たちは次のことを認めなければなりません XNUMXつの電子がそれ自身と干渉する！しかし、その場合、電子は両方のスリットを同時に通過する必要があります。

電子が実際に通過した穴を観察してみたくなるかもしれません。電子の動きを妨げずにこの観測を行う方法を後で説明します。電子が受け入れたという情報を受け取れば、干渉は消えることが分かりました。「どのように」情報が干渉を排除します。これは、意識的な観察者の存在が物理的プロセスの過程に影響を与えることを意味するのでしょうか?

二重スリット実験のさらに驚くべき結果について話す前に、干渉する物体のサイズについて少し余談を述べておきます。質量物体の量子干渉は、最初は電子で発見され、次に中性子、陽子、原子などの質量が増加する粒子、最後に大きな化学分子で発見されました。

2011 年に、量子干渉現象を実証した物体の大きさの記録が破られました。この実験はウィーン大学で当時博士課程の学生によって行われた。 サンドラ・アイベンバーガー そして彼女の仲間たち。ダブルブレイク実験では、約 5 個の陽子、5 個の中性子、5 個の電子を含む複雑な有機分子が選択されました。非常に複雑な実験で、この巨大な分子の量子干渉が観察されました。

これは、次の信念を裏付けました。素粒子だけでなく、あらゆる物質は量子力学の法則の影響を受けます。ただ、物体が複雑になればなるほど、その環境との相互作用が増大し、その微妙な量子特性が侵害され、干渉効果が破壊されます。.

量子もつれと光の偏光

二重スリット実験の最も驚くべき結果は、光子の動きをまったく妨げない特別な方法を使用して光子を追跡したことからもたらされました。この方法では、最も奇妙な量子現象の XNUMX つである、いわゆる 量子もつれ。この現象は、量子力学の主要な創始者の一人によって 30 年代に注目されました。 アーウィン・シュレーディンガー.

懐疑的なアインシュタイン (🙂 も参照) はそれらを遠くでの幽霊のような作用と呼びましたが、わずか半世紀後にこの効果の重要性が認識され、今日では物理学者にとって特に興味深いテーマとなっています。

この効果は何ですか? ある時点で互いに接近していた XNUMX つの粒子が、一種の「双子の関係」を形成するほど強く相互作用した場合、粒子が数百キロメートル離れていても、その関係は維持されます。その後、粒子は単一のシステムとして動作します。これは、XNUMX つのパーティクルに対してアクションを実行すると、すぐに他のパーティクルに影響を与えることを意味します。しかし、この方法では、情報をタイムリーに遠くに伝えることはできません。

光子は質量のない粒子であり、電磁波である光の基本部分です。対応する結晶のプレート（偏光子と呼ばれる）を通過すると、光は直線偏光になります。電磁波の電場ベクトルは特定の平面内で振動します。次に、直線偏光を別の特定の結晶からの一定の厚さの板（いわゆる XNUMX/XNUMX 波長板）に通すことにより、電場ベクトルが螺旋状に移動する円偏光に変換できます（時計回りまたは反時計回り）波の伝播方向に沿った動き。したがって、直線偏光または円偏光の光子について話すことができます。

もつれ光子の実験

4a. 非線形 BBO 結晶は、アルゴンレーザーによって放出された光子を、エネルギーが半分で互いに直交する偏光をもつ 1 つの絡み合った光子に変換します。これらの光子は異なる方向に散乱し、同時計数カウンター LC に接続された検出器 D2 と D2 によって記録され、2 つのスリットを持つ絞りが光子の XNUMX つの経路上に配置されます。両方の検出器が両方の光子のほぼ同時に到着を検出すると、信号はデバイスのメモリに保存され、検出器 DXNUMX はスリットと平行に移動します。このようにして記録された検出器 DXNUMX の位置の関数としての光子の数がボックス内に示されており、干渉を示す最大値と最小値が示されています。

2001 年、ベロオリゾンテのブラジル人物理学者グループが主導して スティーブン・ウォルボーン 珍しい実験。その著者は、アルゴンレーザーによって放出された光子の特定の部分を半分のエネルギーでXNUMXつの光子に変換する特別な結晶（BBOと略される）の特性を使用しました。これらの XNUMX つの光子は互いに絡み合っています。たとえば、一方が水平偏波の場合、もう一方は垂直偏波になります。これらの光子は XNUMX つの異なる方向に移動し、説明した実験で異なる役割を果たします。

これから呼び出す光子の XNUMX つ コントロール、光子検出器Ｄ１（４ａ）に直接送られる。検出器は、一致カウンターと呼ばれる装置に電気信号を送信することで、その到着を記録します。 LK 干渉実験は XNUMX 番目の光子に対して実行されます。私たちは彼に電話します 信号光子。その経路には二重スリットがあり、その後に検出器 D2 よりも光子源からわずかに離れた 1 番目の光子検出器 D1 が続きます。この検出器は、一致カウンターから対応する信号を受信するたびに、デュアルスロットに対する位置をジャンプできます。検出器 D2 が光子を検出すると、同時計数カウンターに信号を送信します。すぐ後に、検出器 DXNUMX も光子を検出し、メーターに信号を送信すると、それがもつれた光子から来たものであることが認識され、この事実はデバイスのメモリに保存されます。この手順により、検出器に入るランダムな光子の登録が排除されます。

もつれた光子は 400 秒間持続します。この時間が経過すると、D2 検出器はスリットの位置に対して 1 mm 移動し、もつれ光子の計数にはさらに 400 秒かかります。次に、検出器を再度 1 mm 移動し、この手順を何度も繰り返します。このように検出器 D2 の位置に応じて記録された光子数の分布には、ヤングの実験 (4a) の明暗や干渉縞に対応する特徴的な最大値と最小値があることがわかります。

我々はまたそれを知ることになるだろう二重スリットを通過する単一光子は互いに干渉します.

どうやって？

実験の次のステップは、特定の光子がその動きを妨げずに通過する穴を決定することでした。ここで使用されるプロパティ XNUMX/XNUMX波長板。各スリットの前に 4 分の XNUMX 波長板が配置され、そのうちの XNUMX つは入射光子の直線偏光を右回りの円偏光に、もう XNUMX つは左回りの円偏光に変更しました (XNUMXb)。光子の偏光の種類はカウントされる光子の数に影響を与えないことが確認されました。ここで、光子がスリットを通過した後の偏光の回転を決定することにより、光子がどのスリットを通過したかを示すことができます。「どの方向」がわかると干渉がなくなります。

4b. スリットの前にXNUMX/XNUMX波長板（斜線の長方形）を置くと、「どの経路」の情報が得られ、干渉像が消えます。

4c. 検出器 D1 の前に適切な向きの偏光子 P を配置すると、「どの経路」情報が消去され、干渉が回復します。

実際、 XNUMX/XNUMX 波長板がスリットの前に適切に配置されると、以前に観察された干渉を示すカウント分布が消えます。最も奇妙なのは、適切な測定を行うことのできる意識的な観察者の参加なしに、これが起こるということです。 XNUMX/XNUMX波長板を置くだけで干渉抑制効果が得られます。。それでは、プレートを挿入した後、光子が通過した隙間を決定できることをどのようにして光子は知るのでしょうか?

しかし、奇妙さはこれで終わりではありません。信号光子干渉に直接影響を与えることなく再構築できるようになりました。これを行うには、検出器 D1 に到達する制御光子の経路に偏光子を配置し、絡み合った両方の光子の偏光を組み合わせた偏光を持つ光を透過させます (4c)。これにより、それに応じて信号光子の極性が即座に変更されます。現在では、スリットに入射する光子の偏光が何であるか、また光子がどのスリットを通過したかを確実に判断することはもはや不可能です。この場合、干渉は回復します。

遅延選択情報の消去

上述の実験は、信号光子が検出器 D1 に到達する前に、制御光子が検出器 D2 によって検出されるように実行されました。「どの方向」情報の消去は、信号光子が検出器 D2 に到達する前に駆動光子の偏光を変更することで実現されました。その場合、制御光子がすでにその「双子」に次に何をすべきか、つまり介入するかどうかを伝えていると想像できます。

ここで、検出器 D1 で信号光子を登録した後、制御光子が検出器 D2 に当たるように実験を変更します。これを行うには、検出器 D1 を光子源から遠ざけます。干渉縞も同じように見えます。次に、スリットの前に 1 分の 2 波長板を配置して、光子がどの経路をたどったかを決定しましょう。干渉縞が消えます。次に、適切な向きの偏光子を検出器 DXNUMX の前に配置して、「どの方向」情報を消去しましょう。またしても干渉縞が出現！しかし、消去は信号光子が検出器 DXNUMX によって検出された後に行われました。これはどのようにして可能でしょうか? 光子に関する情報が到達する前に、光子は極性の変化を認識する必要がありました。

5. レーザー光線を使った実験。

ここでの出来事の自然な順序は逆になります。結果は原因に先立つのです！この結果は、私たちの周囲の現実における因果関係の原則を損なうものです。それとも、絡み合った粒子に関しては時間は関係ないのでしょうか? 量子もつれは、物体はその直近の環境からのみ影響を受けるという古典物理学に適用される局所性の原則に違反します。

ブラジルの実験以来、多くの同様の実験が実施され、ここで紹介した結果が完全に裏付けられています。最後に、読者はこれらの予期せぬ現象の謎を明確に説明したいと考えています。残念ながら、これは実行できません。量子力学の論理は、私たちが日常見ている世界の論理とは異なります。私たちはこれを謙虚に受け入れ、量子力学の法則が小宇宙で起こる現象を正確に記述し、さらに高度な技術デバイスで有効に使用されているという事実を喜ぶ必要があります。