Valo käyttäytyy hiukkasen ja aallon tavoin paitsi avaruudessa myös ajassa

Yksi oudoimmista ja tunnetuimmista kokeistafysiikassa kaksoisrakokoe on paras esimerkki kvanttimekaniikan salaperäisestä luonteesta. Tämä johtuu siitä, että valo, jonka näemme tavallisena, voi käyttäytyä samanaikaisesti sekä hiukkasena että aaltona, mikä vahvistettiin kokeellisesti vuonna 2021. Englantilainen fyysikko ja matemaatikko Thomas Young kiinnitti kuitenkin ensimmäisenä huomiota tähän epätavalliseen ilmiöön vuonna 1801, kun hän huomasi, että ääniaaltoja lisättäessä ääni heikkenee ja vahvistuu. Olettaen, että valo on kuin ääni, Jung päätti suorittaa kokeen, jossa hän suuntasi valonsäteen läpinäkymättömään valkokankaaseen, jossa oli kaksi rinnakkaista rakoa ja jonka taakse asennettiin toinen projektio. Rakojen leveys oli tässä tapauksessa suunnilleen yhtä suuri kuin säteilevän valon aallonpituus. Kokeen tuloksena saatiin interferenssikuvio, joka osoittaa, että fotoni näyttää kulkevan molempien rakojen läpi samanaikaisesti. Viime aikoina tilanne on kuitenkin monimutkaistunut - fyysikkojen tekemät muutokset Youngin klassiseen kokeeseen osoittivat, että fotonien käyttäytyminen muuttuu ... ajasta riippuen.

Uuden tutkimuksen tulokset osoittivat, että valo käyttäytyy aallon ja hiukkasen tavoin, ei vain avaruudessa vaan myös ajassa.

Sisältö

• 1 Jungin klassinen kokemus
• 2 Kvanttimekaniikan muodostuminen
• 3 Miten kvanttimekaniikka muutti maailmaa?
• 4 Jungin moderni kokemus
• 5 Viivästetty valintakoe
• 6 Miten valo käyttäytyy ajassa ja tilassa?

Jungin klassinen kokemus

Ennen kuin siirryt jännittäviin tuloksiinNature Physics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa käännymme klassiseen Youngin kokeiluun ja muistutamme myös kvanttimekaniikan perusperiaatteet. Joten tämän artikkelin kirjoittajan mukaan lukijan on helpompi ymmärtää, mitä tapahtuu.

Aluksi keskustelu valon luonteestaakateemisia piirejä on ollut käynnissä 1700-luvulta lähtien. Esimerkiksi Isaac Newton uskoi valon koostuvan hiukkasvirrasta, kun taas hollantilainen fyysikko ja tähtitieteilijä Christian Huygens päinvastoin kutsui valoaaltoja värähteleviksi eräänlaisessa eetterissä. Nämä arvaukset perustuivat ääniaaltojen aaltoluonteeseen, jotka etenevät kulmien ympärillä olevien kaarevien putkien kautta, toisin kuin valo. Lisäksi Newton huomasi, että valon nopeus muuttui vedessä, mikä pakotti hänet sisällyttämään teoriaansa selittämättömän voiman, joka voisi selittää tämän oudon ilmiön.

Isaac Newton oli vakuuttunut siitä, että valo on hiukkanen, ei aalto.

Tämä on mielenkiintoista: Miksi kvanttifysiikka muistuttaa taikuutta?

Koska noina vuosina nuori tiedemies käyttierittäin suosittu, kukaan ei uskaltanut haastaa hänen teoriaansa ennen vuotta 1801. Sitten, kuten edellä mainittiin, Thomas Young havaitsi ensin häiriöitä. Syy, miksi tämä eri tieteenaloilla, mukaan lukien lääketiede, kokenut oppinut tiedemies kiinnostui valosta, oli häränsilmän valmistaminen, jonka aikana hän pohti silmien keskittymistä eri etäisyyksillä oleviin esineisiin. Myöhemmin Jung ehdotti värinäön teoriaa.

Jung ihaili myös Newtonia, mutta vuoteen 1800 mennessähuomasin jotain vikaa korpuskulaarisessa teoriassa. Joten valo käyttäytyi eri tavalla ilman ja veden välillä - yksi osa siitä heijastui ja toinen taittui, mitä ei voida selittää Newtonin teorialla. Ymmärtääkseen, mitä tapahtui, Jung, kuten hänen edeltäjänsä, kääntyi ääneen ja huomautti, että kun kaksi ääniaaltoa leikkaavat toisiaan, ne häiritsevät toisiaan. Ajan myötä fyysikko alkoi ymmärtää, että häiriöilmiötä voidaan soveltaa myös valoon.

Haluan muistuttaa, että häiriöitä tapahtuu, kun kaksiaaltojoukot asettuvat päällekkäin. Aiemmin puhuin sellaisen kokeen tuloksista, joka osoitti, että erilaisten hiukkasten välillä on kvanttikietoutumista.

Valo ei ole niin yksinkertaista kuin miltä se näyttää

Vuonna 1801 pohtien kokeitaNewton, Jung esitti kuuluisan kokeen pääidean, mutta hänen tuloksiaan kritisoi myöhemmin akateeminen yhteisö. Youngin ehdottamaa asetusta käytettiin myöhemmin osoittamaan valon aaltoluonnetta ja elektronien kykyä käyttäytyä aaltoina ja luoda interferenssikuvioita.

Tilanne muuttui paljon myöhemmin kiitoskvanttimekaniikan ilmaantuminen, kun fyysikot (lähinnä Jungin kokemuksen ansiosta) lakkasivat epäilemästä valon kaksoisluonnetta, joka, kuten tiedämme, voi käyttäytyä sekä aaltona että hiukkasena samanaikaisesti.

TÄRKEÄÄ: Vuonna 2021 fyysikot vahvistivat kokeellisesti aalto-hiukkasten kaksinaisuuden.

Kvanttimekaniikan nousu

< Kvanttifysiikka tutkii maailman rakennettamikroskooppinen taso. Toisin kuin klassinen fysiikka, joka keskittyy makrokosmoksen (mukaan lukien kosmoksen ja taivaankappaleiden) tutkimukseen, tämä tutkimusalue keskittyy atomeihin - maailmankaikkeuden pieniin rakennuspalikoihin, joita ei voi nähdä paljaalla silmällä. Mutta tämä on vain pieni osa tutkijoiden tiellä kohdatuista kummallisuuksista. Kvanttimekaniikan erityisluonne huomioon ottaen sen perustajia olivat monet merkittävät tiedemiehet, mukaan lukien teoreettinen fyysikko Max Planck, atomin "isä" Niels Bohr, yleisen suhteellisuusteorian (GR) luoja Albert Einstein, fyysikko Werner Heisenberg. ja monet muut kuuluisat tiedemiehet. Kaikki siksi, että oli uskomattoman vaikeaa ymmärtää mitä tapahtui.

Tässä on ensimmäinen tilannekuva valosta sekä aaltoina että hiukkasina. Kuva otettu Fabrizio Carbonen laboratoriossa Lausannen liittovaltion ammattikorkeakoulussa

Lue lisää muista yhtä oudoista kvanttimekaniikan ilmiöistä artikkelistamme "Kvanttimekaniikan salaisuudet - mitä on kvanttimekaniikan kietoutuminen?"

Ja silti ensisijaisuus modernin luomisessaKvanttiteoria kuuluu saksalaiselle fyysikolle Max Planckille, joka julkaisi uraauurtavan tutkimuksen, joka osoittaa, että energia voi tietyissä tilanteissa osoittaa fyysisen aineen ominaisuuksia. Huomaa, että noina vuosina energiaa pidettiin yksinomaan jatkuvana aaltomaisena ilmiönä, joka oli riippumaton fyysisen aineen ominaisuuksista.

Planckin teoria päinvastoin väitti, että energiakoostuu hiukkasten tai "kvanttien" kaltaisista komponenteista. Hänen työnsä auttoi ratkaisemaan aiemmin selittämättömiä luonnonilmiöitä, mukaan lukien valon absorptio atomitasolla, josta hänelle myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto vuonna 1918.

Sitten Einstein, Bohr, Louis de Broglie, Schrödinger jaDirac kehitti Planckin teorian ja antoi maailmalle kvanttimekaniikan - kvanttiteorian matemaattisen sovelluksen, jonka mukaan energia on sekä ainetta että aaltoa ja riippuu useista muuttujista. Näin ollen kvanttimekaniikka noudattaa maailmankaikkeuden rakenteesta todennäköisyyttä kuvaavaa näkemystä, joka on hyvin erilainen kuin klassinen mekaniikka, jossa kaikki kohteiden tarkat ominaisuudet voidaan laskea.

Tässä on valokuva, joka on otettu vuonna 1927 5. Solvayn kongressin aikana. Kaikki 29 osallistujaa muuttivat maailman tuntemattomaksi.

Nykyään kvanttimekaniikka ja teoriasuhteellisuusteoria ovat modernin fysiikan perusta ja ... sen pääongelma. Lue lisää siitä, miksi yleinen suhteellisuusteoria on ristiriidassa kvanttimekaniikan kanssa ja mitä tämä tarkoittaa modernille tieteelle artikkelista ”Voiko kvanttimekaniikka selittää aika-avaruuden olemassaolon?”, suosittelen!

Miten kvanttimekaniikka muutti maailmaa?

Nykyään noin "salaperäinen" kvanttifysiikka ei olevain laiskot ovat kuulleet sen, koska sitä käytetään selittämään mitä monimuotoisimpia ja jopa olemattomia ilmiöitä. Mikä ei ole yllättävää, koska maailmassa tuskin on tiedemiestä, joka ymmärtäisi täysin maailmankaikkeuden rakenteen mikrotasolla. Kvanttimekaniikka kuitenkin muutti lopullisesti ja peruuttamattomasti maailmaa ja myötävaikutti nykyaikaisen sivilisaation kehittymiseen ja muodostumiseen. Selvyyden tuomiseksi ja äänekkäiden lausuntojen perustelemiseksi luettelemme tämän tieteenalan tärkeimmät saavutukset.

• Tietokoneet ja älypuhelimet ovat selkein esimerkkijoka antoi maailmalle kvanttimekaniikan. Tämä johtuu siitä, että nykyaikaisen puolijohteisiin perustuvan elektroniikan toiminta riippuu elektronien aaltoluonteesta. Ja koska ymmärrämme tämän aaltoluonteen, voimme manipuloida piin sähköisiä ominaisuuksia luodaksemme tietokonesiruja sekoittamalla pieniä osia tarvittavista elementeistä yhteen.



Luet tätä artikkelia kvanttimekaniikan ansiosta

Tietokonepiirien teho ja tehopöytätietokoneet, kannettavat tietokoneet, tabletit, älypuhelimet ja jopa pienet kodinkoneet. Ilman yksityiskohtaista ymmärrystä aineen kvanttiluonteesta on mahdotonta luoda niitä.

• Laserit ja tietoliikenne:Klassisessa kuituoptisessa tietoliikenteessä, jota käytetään viestien välittämiseen kuituoptisten kaapeleiden kautta, valonlähteet ovat kvanttilaitteita - lasereita. Kyllä, kyllä, joka kerta kun soitat puhelun, käytät suoraan tai epäsuorasti laseria tai, jos haluat, itse kvanttifysiikkaa.



Laserit ovat koherentin säteilyn generaattoreita ja vahvistimia optisella alueella

Einstein kuvasi laserin pääperiaatteen vuonna 1917.vuoden työssä fotonien tilastoista (vaikka itse termi otettiin käyttöön myöhemmin) ja niiden vuorovaikutusta atomien kanssa. Tämän vuorovaikutuksen tulos on indusoitu (tai koherentti) emissio, jossa molemmat fotonit karkeasti sanottuna "kloonaavat" toisiaan, eli niillä on sama taajuus, vaihe ja suunta.

• GPS-navigointijärjestelmät kytkettynäInternetiin, voit tasoittaa tietä mihin tahansa tuntemattomaan paikkaan. Tämä johtuu siitä, että älypuhelimissa navigoinnin tarjoaa globaali paikannusjärjestelmä - satelliittiverkko, joista jokainen lähettää GPS-navigaattorin vastaanottaman signaalin, joka määrittää sijainnin useiden metrien tarkkuudella. GPS perustuu jatkuvaan valonnopeuteen muuntaakseen ajan etäisyydeksi.



Aina kun käytät älypuhelinta päästäksesi pisteestä A pisteeseen B, kiitä kvanttimekaniikkaa siitä.

Tarkkaan ja synkronoituun työhönsatelliittijärjestelmä, jokaisessa niistä on sisäänrakennetut atomikellot, jotka toimivat kvanttimekaniikan periaatteiden ansiosta. Kellon "tick" on mikroaaltojen värähtely, joka aiheuttaa siirtymän kahden tietyn kvanttitilan välillä cesium- (tai rubidium, joissakin kelloissa) atomissa.

Hämmästyttävää, eikö? Huolimatta siitä, että kvanttifysiikka on salaperäinen ja käsittämätön, on yksinkertaisesti mahdotonta kuvitella jokapäiväistä elämää ilman sitä.

Jungin moderni kokemus

Thomas Jung teki kuuluisan kokeensa ilmanpieni 222 vuotta sitten. Tästä syystä nykyaikainen kokemus näyttää hieman erilaiselta - fyysikot kuljettavat yksittäisten valon tai aineen hiukkasten säteilyn kahden raon tai reiän läpi, jotka on leikattu läpinäkymättömäksi esteeksi. Esteen toisella puolella on näyttö, joka rekisteröi hiukkasten saapumisen.

Kokeen tulos modernisoinnista huolimattaei muutu: sen sijaan, että fotonit kulkisivat yhden tai toisen raon läpi ja kerääntyisivät jokaisen taakse, ne menevät tiettyihin näytön osiin ja välttelevät toisiaan, mikä johtaa vuorottelevien valon ja pimeyden vyöhykkeiden syntymiseen, eli häiriöihin. . Näin ei kuitenkaan aina tapahdu - kävi ilmi, että vain yksi fotoni kulkee laitteen läpi kulloinkin.

Fotonien käyttäytyminen muuttuu, kun vain tarkkailemme kokeen kulkua. Todellisuus on paljon monimutkaisempi kuin miltä se näyttää.

Tämä vaikuttaa ristiriitaiselta, mutta jos katsoofotoni matemaattisesta näkökulmasta, ottaen sen aaltofunktiona (abstrakti matemaattinen funktio, joka edustaa fotonin tilaa / sen sijaintia), kuinka kaikki loksahtaa paikoilleen. Tosiasia on, että aaltofunktio käyttäytyy aallon tavoin, mikä tarkoittaa, että fotoni putoaa molempiin rakoihin. Tämän seurauksena uudet aallot tulevat ulos jokaisesta aukosta toisella puolella, etenevät ja häiritsevät toisiaan.

Katso myös: Nobelin fysiikan palkinto 2022: kvanttikettuminen ja teleportaatio

Siten voimme muotoilla pääasiallisenkaksoisrakokokeilun idea - vaikka kuljetat fotoneja molempien rakojen läpi yksi kerrallaan, se käyttäytyy silti aallon tavoin ja luo interferenssikuvion. Mutta tämä aalto on todennäköinen, koska tiedemiehet eivät tiedä, kumman kahdesta raosta tämä tai tuo fotoni kulkee. Ongelmana on, että kun tiedemiehet yrittävät määrittää tarkalleen, mikä fotoni kulkee tietyn raon läpi, mitään häiriökuviota ei tapahdu (riippumatta siitä, mitä tutkijat tekevät).

Viivästetty valintakoe

Huomaa, että kvanttimekaniikassa onuseita klassisia kaksoisrakokokeita, mukaan lukien "viivästetty valinta" -koe (niin sanottu "viivästetty valinta kvanttipyyhekumi"). Oudosta nimestä huolimatta idea on melko yksinkertainen - laserin lähettämät fotonit putoavat kaksoisrakoiselle levylle, jonka takana on epälineaarinen optinen kide, joka jakaa yhden fotonin kietoutuneiksi fotoneiksi (lue ilmiöstä lisää täältä ).

Kokeen tarkoituksena on muodostaavakiohäiriökuvio, jonka yhden fotoneista tulisi luoda, ja sen "kumppanin" tulee mennä ilmaisimeen. Näin ei kuitenkaan tapahdu: vaikka toinen fotoni voidaan havaita sen jälkeen, kun ensimmäinen osuu näytölle, häiriökuviota ei esiinny.

Jungin klassinen kokemus, kuvaus

Teoriassa tämä tarkoittaa sitä fotonin tarkkailu voi muuttaa jo tapahtuneita tapahtumia. Mutta kuinka se kaikki tarkalleen toimii, on vielä tuntematon, mikä tarkoittaa, että meillä on yksi kvanttimekaniikan suurimmista mysteereistä.

Tiedätkö, että kvanttimekaniikasta on erilaisia ​​tulkintoja? Tiedätkö esimerkiksi, mikä Everett-tulkinta on?

Miten valo käyttäytyy ajassa ja tilassa?

Pyrkiessään jatkuvasti selvittämään fotonien oudon käyttäytymisen syytä, Lontoon Imperial Collegen fyysikot ovat julkaisseet uraauurtavan työnsä Nature Physics -lehdessä osoittaen, että Jungin kokemus pätee paitsi tilan, myös ajan suhteen. Alkuperäisessä kokeessa valoaallot kulkivat kapeiden rakojen läpi fyysisessä tilassa, mutta uudessa muunnelmassa fyysikot käyttivät erityistä materiaalia, joka muuttaa valon heijastusastetta.

Kun ohut kerros indiumoksidia -sähköä johtava läpinäkyvä materiaali, jota käytetään säännöllisesti älypuhelimien kosketusnäytöissä – voimakkaan laserpulssin osuessa siitä tulee peili sekunnin murto-osaan. Tämä materiaali, kuten teoksessa sanotaan, muuttaa heijastavuuttaan erittäin nopeasti, mikä on verrattavissa valon värähtelyjen taajuuteen.

Jos koko maailmankaikkeuden historia olisi peräisin alkuräjähdyksestäsiihen hetkeen, kun luet tätä artikkelia, kesti sekuntia, valon vaihtelu vastaisi yhtä päivää. Peilirakojen kytkentänopeus osoittautui ilmiömäiseksi - femtosekuntien kysymys, - selittää artikkelin johtava kirjoittaja Romain Tyrol.

Ryhmä fyysikoita onnistui luomaan uudelleen kaksoisrakoisen kokeen, joka osoitti valon aaltoluonteen ajan myötä.

Yksinkertaisesti sanottuna fyysikot pystyivät siihentarkkailla valon interferenssin prosesseja ajassa - kulkiessaan rakojen läpi valoaallot joko vahvistuivat tai sammuivat toisiaan (kuten tapahtuu klassisessa Youngin kokeessa). Tällä kertaa kuitenkin aika-asteikolla tapahtui häiriöitä.

Niinpä 222 vuotta myöhemmin tiedemiehet osoittivat sen valo käyttäytyy hiukkasen ja aallon tavoin paitsi avaruudessa myös ajassa.

Opimme myös tarkempien olemassaolostakeinoja mitata väliaineen optista vastetta, ja tutkimuksen tulokset voivat tulevaisuudessa johtaa uusien laskentateknologioiden ja spektroskopian luomiseen (josta on hyötyä mustien aukkojen ja muiden astrofysikaalisten ilmiöiden tutkimuksessa). Teoreettisen ja käsitteellisen arvon lisäksi tällaiset kokeet toimivat edelleen uuden tiedon lähteenä ja niitä tehdään erityyppisille aalloille, mukaan lukien elektroniset, äänet jne.

Kuvittele vain, mikä vaikutus uudella löydöllä voi olla kvanttitietokoneiden prosessointitehoon.

Emme myöskään voi sulkea pois muita myöhempiälöytöjä, joihin nykyään kukaan ei uskalla ryhtyä. Loppujen lopuksi tiedämme liian vähän universumin luonteesta, jossa on paljon enemmän tutkimattomia alueita kuin voi kuvitella. Ja mitä mieltä olette, mihin jatkokokeet kvanttifysiikan alalla voivat johtaa? Odotamme vastausta, kuten aina, Telegram-chatissamme, kiitos huomiosta!