양자역학의 핵심

XNUMX세기의 가장 위대한 물리학자 중 한 명인 Richard Feynman은 양자역학을 이해하는 열쇠가 "이중 슬릿 실험"이라고 주장했습니다. 오늘날 수행되는 이 개념적으로 간단한 실험은 계속해서 놀라운 발견을 낳습니다. 그들은 결국 지난 XNUMX년 동안 가장 중요한 발명으로 이어진 양자 역학이 상식과 얼마나 양립할 수 없는지 보여줍니다.

그는 처음으로 이중 슬릿 실험을 수행했습니다. 토마스 영 (1) XNUMX세기 초 영국에서.

영의 실험

이 실험은 빛이 이전에 언급한 것처럼 입자의 성질이 아니라 파동의 성질을 가짐을 보여주기 위해 사용되었습니다. 아이작 뉴턴. Young은 빛이 복종한다는 것을 보여주었습니다. 간섭 - 파동의 종류와 파동이 전파되는 매질에 관계없이 가장 특징적인 현상입니다. 오늘날 양자역학은 논리적으로 모순되는 이 두 가지 견해를 조화시킵니다.

이중 슬릿 실험의 본질을 상기해보자. 평소와 같이 조약돌을 던진 곳을 중심으로 동심원으로 퍼지는 수면의 파도를 의미합니다. 

파장이라고 하는 마루 사이의 일정한 거리를 유지하면서 교란 지점에서 방사되는 연속적인 마루와 골에 의해 파동이 형성됩니다. 예를 들어, 물이 자유롭게 흐를 수 있는 두 개의 좁은 슬롯이 있는 판 형태로 파도의 경로에 장벽을 배치할 수 있습니다. 자갈을 물에 던지면 파도가 파티션에서 멈 춥니 다. 이제 두 개의 새로운 동심파(2)가 두 슬롯에서 파티션의 다른 쪽으로 전파됩니다. 그것들은 서로 중첩되거나 우리가 말했듯이 서로 간섭하여 표면에 특징적인 패턴을 만듭니다. 한 파도의 마루가 다른 파도의 마루와 만나는 곳에서는 물의 돌출이 심화되고, 움푹 들어간 곳이 계곡과 만나는 곳에서는 함몰이 깊어집니다.

2. 두 슬롯에서 나오는 파도의 간섭.

Young의 실험에서 점 광원에서 방출된 단색 빛은 두 개의 슬릿이 있는 불투명한 조리개를 통과하여 그 뒤에 있는 화면에 부딪힙니다(오늘날 우리는 레이저 빛과 CCD를 사용하는 것을 선호함). 광파의 간섭 이미지는 일련의 밝고 어두운 줄무늬 형태로 화면에서 관찰됩니다(3). 이 결과는 XNUMX년대 초 발견으로 빛도 파동이라는 것이 밝혀지기 전에 빛이 파동이라는 믿음을 강화했습니다. 광자 플럭스 정지 질량이 없는 가벼운 입자입니다. 나중에 밝혀진 것은 신비한 파동 입자 이중성빛에 대해 처음 발견된 것은 질량이 부여된 다른 입자에도 적용됩니다. 그것은 곧 세계에 대한 새로운 양자 역학 설명의 기초가 되었습니다.

3. Young의 실험 비전

입자도 간섭

1961년, 튀빙겐 대학의 Klaus Jonsson은 전자 현미경을 사용하여 거대한 입자인 전자의 간섭을 입증했습니다. XNUMX년 후 볼로냐 대학의 이탈리아 물리학자 XNUMX명이 유사한 실험을 수행했습니다. 단일 전자 간섭 (이중 슬릿 대신 소위 바이프리즘 사용). 그들은 전자빔의 강도를 낮은 값으로 줄여 전자가 바이프리즘을 차례로 통과하도록 했습니다. 이 전자는 형광 스크린에 등록되었습니다.

처음에는 전자 궤적이 화면 전체에 무작위로 분포했지만 시간이 지나면서 간섭 무늬의 뚜렷한 간섭 이미지를 형성했습니다. 서로 다른 시간에 연속적으로 슬릿을 통과하는 두 개의 전자가 서로 간섭할 수 있다는 것은 불가능해 보입니다. 그러므로 우리는 다음을 인정해야 합니다. 하나의 전자가 자신을 간섭! 그러나 전자는 동시에 두 슬릿을 통과해야 합니다.

전자가 실제로 통과한 구멍을 보고 싶어질 수도 있습니다. 나중에 우리는 전자의 운동을 방해하지 않고 그러한 관찰을 수행하는 방법을 볼 것입니다. 전자가받은 것에 대한 정보를 얻으면 간섭이 ... 사라질 것입니다! 정보 "방법"은 간섭을 제거합니다. 이것은 의식적인 관찰자의 존재가 물리적 과정의 과정에 영향을 미친다는 것을 의미합니까?

이중 슬릿 실험의 훨씬 더 놀라운 결과에 대해 이야기하기 전에 간섭 물체의 크기에 대해 약간 이야기하겠습니다. 질량 물체의 양자 간섭은 전자에 대해 먼저 발견된 다음 질량이 증가하는 입자(중성자, 양성자, 원자, 마지막으로 큰 화학 분자)에서 발견되었습니다.

2011년에는 물체의 크기에 대한 기록이 깨지면서 양자간섭 현상이 시연되었습니다. 실험은 당시 박사과정 학생이 비엔나 대학에서 수행했습니다. 산드라 아이벤버거 그리고 그녀의 동료들. 약 5개의 양성자, 5개의 중성자 및 5개의 전자를 포함하는 복잡한 유기 분자가 두 번의 중단으로 실험을 위해 선택되었습니다! 매우 복잡한 실험에서 이 거대한 분자의 양자 간섭이 관찰되었습니다.

이것은 양자역학의 법칙은 소립자뿐만 아니라 모든 물질에 적용됩니다. 물체가 복잡할수록 환경과 더 많이 상호 작용하여 미묘한 양자 특성을 위반하고 간섭 효과를 파괴합니다..

빛의 양자 얽힘 및 편광

이중 슬릿 실험의 가장 놀라운 결과는 광자의 움직임을 전혀 방해하지 않는 광자를 추적하는 특별한 방법을 사용한 것입니다. 이 방법은 가장 이상한 양자 현상 중 하나를 사용합니다. 양자 얽힘. 이 현상은 30년대에 양자 역학의 주요 창시자 중 한 사람에 의해 발견되었습니다. 에르빈 슈뢰딩거.

회의적인 아인슈타인 (또한 🙂은 그들을 멀리서 유령 같은 행동이라고 불렀습니다. 그러나 반세기 만에이 효과의 중요성이 실현되었으며 오늘날 물리학 자에게 특별한 관심 대상이되었습니다.

이 효과는 무엇에 관한 것입니까? 어떤 시점에서 서로 가까운 두 입자가 서로 너무 강하게 상호 작용하여 일종의 "쌍둥이 관계"를 형성하면 입자가 수백 킬로미터 떨어져 있어도 관계가 지속됩니다. 그런 다음 입자는 단일 시스템으로 동작합니다. 즉, 한 입자에 대한 작업을 수행하면 즉시 다른 입자에 영향을 줍니다. 그러나 이런 식으로 우리는 멀리 떨어져 있는 정보를 시간을 초월하여 전송할 수 없습니다.

광자는 질량이 없는 입자 - 전자기파인 빛의 기본 부분입니다. 해당 결정판(편광판이라고 함)을 통과한 후 빛은 선형으로 편광됩니다. 전자기파의 전기장의 벡터는 특정 평면에서 진동합니다. 차례로, 다른 특정 결정(소위 XNUMX/XNUMX 파장 판)에서 특정 두께의 판을 통해 선형 편광된 빛을 통과시킴으로써 전기장 벡터가 나선형으로 움직이는 원형 편광으로 변환될 수 있습니다( 시계 방향 또는 반시계 방향) 파동 전파 방향을 따른 운동. 따라서 선형 또는 원형 편광 광자를 말할 수 있습니다.

얽힌 광자 실험

4a. 비선형 BBO 결정은 아르곤 레이저에 의해 방출된 광자를 절반의 에너지와 상호 수직 편광을 갖는 두 개의 얽힌 광자로 변환합니다. 이 광자는 서로 다른 방향으로 산란하고 일치 계수기 LK로 연결된 검출기 D1 및 D2에 의해 등록됩니다. 두 개의 슬릿이 있는 격막이 광자 중 하나의 경로에 배치됩니다. 두 검출기가 두 광자의 거의 동시 도달을 등록할 때 신호는 장치의 메모리에 저장되고 검출기 D2는 슬릿과 평행하게 이동합니다. 이렇게 기록된 검출기 D2의 위치에 따른 광자의 수는 간섭을 나타내는 최대값과 최소값을 나타내는 상자에 표시됩니다.

2001년 벨루오리존치(Belo Horizonte)의 브라질 물리학자 그룹은 스티븐 월본 특이한 실험. 저자는 아르곤 레이저에서 방출되는 광자의 특정 부분을 절반의 에너지로 두 개의 광자로 변환하는 특수 결정(약칭 BBO)의 특성을 사용했습니다. 이 두 광자는 서로 얽혀 있습니다. 예를 들어 그들 중 하나가 수평 편파를 가질 때 다른 하나는 수직 편파를 갖습니다. 이 광자는 두 가지 다른 방향으로 이동하고 설명된 실험에서 다른 역할을 합니다.

이름을 지정할 광자 중 하나 제어, 광자 검출기 D1(4a)으로 직접 이동합니다. 탐지기는 전기 신호를 히트 카운터라고 하는 장치에 전송하여 도착을 등록합니다. LK 간섭 실험은 두 번째 광자에 대해 수행됩니다. 우리는 그를 부를 것이다 신호 광자. 경로에 이중 슬릿이 있으며 두 번째 광자 검출기 D2가 검출기 D1보다 광자 소스에서 약간 더 멀리 있습니다. 이 감지기는 적중 카운터에서 적절한 신호를 수신할 때마다 이중 슬롯 주위를 이동할 수 있습니다. 검출기 D1이 광자를 등록하면 일치 카운터에 신호를 보냅니다. 잠시 후 검출기 D2도 광자를 등록하고 미터에 신호를 보내면 얽힌 광자에서 온 것임을 인식하고 이 사실이 장치의 메모리에 저장됩니다. 이 절차는 검출기에 들어가는 임의의 광자의 등록을 제외합니다.

얽힌 광자는 400초 동안 지속됩니다. 이 시간 후, 검출기 D2는 슬릿의 위치에 대해 1mm 변위되고 얽힌 광자의 계수는 400초가 더 걸립니다. 그런 다음 검출기를 다시 1mm 이동하고 절차를 여러 번 반복합니다. 이와 같이 기록된 광자수의 분포는 검출기 D2의 위치에 따라 영의 실험(4a)에서 명암과 간섭무늬에 해당하는 특성의 최대값과 최소값을 가지는 것으로 밝혀졌다.

우리는 다시 알게 된다. 이중 슬릿을 통과하는 단일 광자는 서로 간섭.

어떻게 그럴 수 있지?

실험의 다음 단계는 특정 광자가 이동을 방해하지 않고 통과하는 구멍을 결정하는 것이었습니다. 여기에 사용된 속성 쿼터 웨이브 플레이트. 4/XNUMX 파장 판은 각 슬릿 앞에 배치되었으며 그 중 하나는 입사 광자의 선형 편광을 시계 방향으로 원형으로 변경하고 다른 하나는 왼쪽 원형 편광으로 변경했습니다(XNUMXb). 광자 편광의 종류는 계수된 광자의 수에 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 이제 광자가 슬릿을 통과한 후 광자의 편광 회전을 결정함으로써 광자가 슬릿 중 어느 것을 통과했는지 표시할 수 있습니다. "어느 방향으로"를 아는 것은 간섭을 파괴합니다.

4b. XNUMX/XNUMX 파장 판(음영 처리된 직사각형)을 슬릿 앞에 배치하면 "어느 방향으로" 정보를 얻을 수 있고 간섭 이미지가 사라집니다.

4c. 적절한 방향의 편광판 P를 검출기 D1 앞에 놓으면 "어느 방향으로" 정보가 지워지고 간섭이 복원됩니다.

사실 XNUMX/XNUMX 파장 플레이트를 슬릿 앞에 올바르게 배치하면 간섭을 나타내는 이전에 관찰된 카운트 분포가 사라집니다. 가장 이상한 점은 이것이 적절한 측정을 할 수 있는 의식적인 관찰자의 참여 없이 일어난다는 것입니다! XNUMX/XNUMX 파장 플레이트를 배치하는 것만으로도 간섭 제거 효과가 발생합니다.. 그렇다면 광자는 판을 삽입한 후 통과한 간격을 결정할 수 있다는 것을 어떻게 알 수 있습니까?

그러나 이것이 이상함의 끝이 아닙니다. 이제 신호 광자 간섭에 직접적인 영향을 미치지 않고 복원할 수 있습니다. 이렇게 하려면 검출기 D1에 도달하는 제어 광자의 경로에서 두 얽힌 광자(4c)의 편광이 조합된 편광으로 빛을 투과시키는 방식으로 편광판을 배치합니다. 이에 따라 신호 광자의 극성이 즉시 변경됩니다. 이제 슬릿에 입사한 광자의 편광이 무엇인지, 어떤 슬릿을 통해 광자가 통과했는지 확실히 결정할 수 없습니다. 이 경우 간섭이 복원됩니다!

지연된 선택 정보 지우기

위에서 설명한 실험은 신호 광자가 검출기 D1에 도달하기 전에 제어 광자가 검출기 D2에 의해 등록되는 방식으로 수행되었습니다. 신호 광자가 검출기 D2에 도달하기 전에 제어 광자의 편광을 변경하여 "어느 방향" 정보의 소거를 수행했습니다. 그러면 제어하는 ​​광자가 이미 "쌍둥이"에게 다음에 무엇을 해야 하는지, 즉 개입할지 여부를 알려 주었다고 상상할 수 있습니다.

이제 신호 광자가 검출기 D1에 등록된 후 제어 광자가 검출기 D2에 도달하도록 실험을 수정합니다. 이렇게 하려면 검출기 D1을 광자 소스에서 멀리 이동합니다. 간섭 패턴은 이전과 동일하게 보입니다. 이제 광자가 이동한 경로를 결정하기 위해 슬릿 앞에 1/2 파장 판을 배치해 보겠습니다. 간섭 패턴이 사라집니다. 다음으로 적절한 방향의 편광판을 검출기 DXNUMX 앞에 배치하여 "어느 방향으로" 정보를 지우도록 합시다. 간섭 무늬가 다시 나타납니다! 그러나 신호 광자가 검출기 DXNUMX에 의해 등록된 후에 삭제가 수행되었습니다. 이것이 어떻게 가능한지? 광자는 그것에 대한 정보가 도달하기 전에 극성 변화를 인식해야 했습니다.

5. 레이저 빔을 이용한 실험.

사건의 자연스러운 순서는 여기에서 반대입니다. 결과가 원인보다 앞선다! 이 결과는 우리 주변의 현실에서 인과성의 원칙을 훼손합니다. 아니면 얽힌 입자의 경우 시간이 중요하지 않습니까? 양자 얽힘은 고전 물리학의 국소성 원리에 위배되는데, 이는 물체가 주변 환경에 의해서만 영향을 받을 수 있다는 것입니다.

브라질 실험 이후 많은 유사한 실험이 수행되었으며 여기에 제시된 결과가 완전히 확인되었습니다. 끝으로 독자는 이러한 예상치 못한 현상의 미스터리를 명확하게 설명하고자 한다. 안타깝게도 이 작업은 수행할 수 없습니다. 양자역학의 논리는 우리가 매일 보는 세상의 논리와 다릅니다. 우리는 이것을 겸허히 받아들여야 하고, 양자역학의 법칙이 소우주에서 일어나는 현상을 정확하게 기술하고 있다는 사실에 기뻐해야 합니다.