Mekanika kuantikoaren muinean

Richard Feynmanek, XX. mendeko fisikari handienetako batek, mekanika kuantikoa ulertzeko gakoa "zirrikitu bikoitzeko esperimentua" dela argudiatu zuen. Gaur egun egindako esperimentu kontzeptual sinple honek aurkikuntza harrigarriak ematen jarraitzen du. Zentzu arruntarekin zein bateraezina den mekanika kuantikoa erakusten dute, azken berrogeita hamar urteotako asmakizun garrantzitsuenak ekarri baitzituen azkenean.

Lehenengo aldiz zirrikitu bikoitzeko esperimentu bat egin zuen. Thomas Young (1) Ingalaterran XIX.

Youngen esperimentua

Esperimentua argia uhin izaerakoa dela erakusteko erabili zen eta ez izaera korpuskularra, lehen esan bezala. Isaac Newton. Gazteek argiak obeditzen duela frogatu berri du esku-hartzea - ezaugarririk bereizgarriena den fenomenoa (uhin mota eta hedatzen den euskarria edozein izanda ere). Gaur egun, mekanika kuantikoak uztartzen ditu logikoki kontraesankorrak diren bi ikuspegi hauek.

Gogora dezagun zirrikitu bikoitzeko esperimentuaren funtsa. Ohi bezala, harria bota den lekuaren inguruan modu kontzentrikoan hedatzen den ur azalean dagoen olatu bat esan nahi dut. 

Uhina nahaste-puntutik irradiatzen diren ondoz ondoko gandorrek eta hobiek osatzen dute, gandoren arteko distantzia konstantea mantenduz, uhin-luzera deitzen zaiona. Olatuaren bidean hesi bat jar daiteke, adibidez, ura libreki igaro daitekeen bi zirrikitu estu moztutako ohol baten moduan. Harri-koskor bat uretara botata, olatua tabikean gelditzen da, baina ez guztiz. Orain bi uhin zentrokide berri (2) partizioaren beste aldera hedatzen dira bi zirrikituetatik. Bata bestearen gainean jartzen dira, edo, esaten dugun bezala, elkarri oztopatzen diote, azalean eredu bereizgarri bat sortuz. Olatu baten gailurrak beste baten gandorrarekin bat egiten duen lekuetan, ur-bultzada areagotu egiten da, eta hutsuneak haranarekin bat egiten duen lekuetan sakondu egiten da depresioa.

2. Bi zirrikituetatik ateratzen diren uhinen interferentzia.

Young-en esperimentuan, iturri puntual batetik igortzen den kolore bakarreko argia bi zirrikitu dituen diafragma opako batetik pasatzen da eta haien atzean dagoen pantaila jotzen du (gaur nahiago genuke laser argia eta CCD bat erabiltzea). Pantailan argi-uhin baten interferentzia-irudi bat ikusten da marra argi eta ilun txandakatu baten moduan (3). Emaitza honek argia uhin bat zela ustea indartu zuen, XNUMXeko hamarkadaren hasieran argia uhin bat ere bazela erakutsi aurretik. fotoi-fluxua atseden masarik ez duten partikula arinak dira. Geroago, misteriotsua dela konturatu zen uhin-partikula bikoiztasunalehen argirako aurkitutako masaz hornitutako beste partikula batzuei ere aplikatzen zaie. Laster bihurtu zen munduaren deskribapen mekaniko kuantiko berri baten oinarria.

3. Young-en esperimentuaren ikuspegia

Partikulak ere interferentzia egiten dute

1961ean, Tübingeneko Unibertsitateko Klaus Jonssonek partikula masiboen interferentziak -elektroiak- mikroskopio elektronikoa erabiliz frogatu zuen. Hamar urte geroago, Boloniako Unibertsitateko hiru fisikari italiarrek antzeko esperimentu bat egin zuten elektroi bakarreko interferentzia (biprisma deiturikoa erabiliz, zirrikitu bikoitz baten ordez). Elektroi-izpiaren intentsitatea hain balio txikira murriztu zuten, non elektroiak biprismatik bata bestearen atzetik igarotzen ziren. Elektroi hauek pantaila fluoreszente batean erregistratu ziren.

Hasieran, elektroien arrastoak ausaz banatzen ziren pantailan, baina denborarekin interferentzia-ertzetako interferentzia-irudi bereizia osatu zuten. Ezinezkoa dirudi une ezberdinetan zirrikituetatik segidan igarotzen diren bi elektroi elkarren artean oztopatzea. Horregatik, hori aitortu behar dugu elektroi batek bere buruarekin oztopatzen du! Baina orduan elektroia bi zirrikituetatik pasatu beharko litzateke aldi berean.

Tentagarria izan daiteke elektroia benetan igaro den zuloari begiratzea. Geroago ikusiko dugu nola egin halako behaketa bat elektroiaren higidura eragotzi gabe. Ematen du elektroiak jaso duenari buruzko informazioa lortzen badugu, interferentziak... desagertu egingo direla! “Nola” informazioak interferentziak suntsitzen ditu. Horrek esan nahi al du behatzaile kontziente baten presentziak prozesu fisikoaren ibilbidean eragiten duela?

Zirrikitu bikoitzeko esperimentuen emaitza are harrigarrienei buruz hitz egin baino lehen, digresio txiki bat egingo dut interferentziako objektuen tamainari buruz. Masa-objektuen interferentzia kuantikoa aurkitu zen lehenik elektroientzat, gero masa gero eta handiagoa zuten partikulentzat: neutroiak, protoiak, atomoak eta azkenik molekula kimiko handientzat.

2011n, objektu baten tamainaren errekorra hautsi zen, eta bertan interferentzia kuantikoaren fenomenoa frogatu zen. Esperimentua Vienako Unibertsitatean egin zuen garai hartako doktoregai batek. Sandra Eibenberger eta bere kideek. 5 protoi, 5 mila neutroi eta 5 mila elektroi inguru dituen molekula organiko konplexu bat aukeratu zen esperimenturako bi etenekin! Oso esperimentu konplexu batean, molekula erraldoi honen interferentzia kuantikoa ikusi zen.

Horrek baieztatzen zuen ustea Mekanika kuantikoaren legeek oinarrizko partikulei ez ezik, objektu material guztiei ere men egiten diete. Objektua zenbat eta konplexuagoa izan, orduan eta gehiago elkarreragiten du ingurunearekin, eta horrek bere propietate kuantiko sotilak urratzen ditu eta interferentzia-efektuak suntsitzen ditu..

Argiaren korapilatze eta polarizazio kuantikoa

Zirrikitu bikoitzeko esperimentuen emaitzarik harrigarrienak fotoiaren jarraipena egiteko metodo berezi bat erabiltzeak izan ziren, eta horrek ez zuen bere mugimendua inola ere nahasten. Metodo honek fenomeno kuantiko bitxienetako bat erabiltzen du, deiturikoa korapilatze kuantikoa. Fenomeno hau 30eko hamarkadan nabaritu zuen mekanika kuantikoaren sortzaile nagusietako batek, Erwin Schrödinger.

Einstein eszeptikoek (ikusi ere 🙂 urruneko ekintza mamutsuak deitu zien. Hala ere, mende erdi beranduago bakarrik konturatu zen efektu horren garrantziaz, eta gaur egun fisikarientzat interes bereziko gaia bihurtu da.

Zertan datza eragin hori? Uneren batean elkarrengandik hurbil dauden bi partikulek elkarren artean hain indartsu elkarreragiten badute, non "harreman biki" moduko bat osatzen badute, orduan harremanak irauten du partikulak ehunka kilometrotara egonda ere. Orduan partikulek sistema bakar baten moduan jokatzen dute. Horrek esan nahi du partikula baten gainean ekintza bat egiten dugunean, berehala beste partikula bati eragiten diola. Hala ere, modu honetan ezin dugu denborarik gabeko informazioa transmititu distantziara.

Fotoi bat masarik gabeko partikula bat da, argiaren oinarrizko zati bat, hau da, uhin elektromagnetiko bat. Dagokion kristalaren plaka batetik igaro ondoren (polarizadore izenekoa), argia linealki polarizatu egiten da, hau da. uhin elektromagnetiko baten eremu elektrikoaren bektorea oszilatzen du plano jakin batean. Era berean, beste kristal jakin batetik (uhin laurdeneko plaka deitutakoa) lodiera jakin bateko plaka batetik zehar linealki polarizatutako argia igaroz, zirkularki polarizatutako argi bihur daiteke, eremu elektrikoaren bektorea helikoide batean mugitzen den ( erlojuaren orratzen noranzkoan edo erlojuaren orratzen noranzkoan) higidura uhinen hedapenaren noranzkoan. Horren arabera, linealki edo zirkularki polarizatutako fotoiez hitz egin daiteke.

Fotoi korapilatsuekin esperimentuak

4a. BBO kristal ez-lineal batek argoi-laser batek igorritako fotoi bat energiaren erdia eta elkarren polarizazio perpendikularra duten bi fotoi korapilatu bihurtzen ditu. Fotoi hauek norabide ezberdinetan barreiatzen dira eta D1 eta D2 detektagailuek erregistratzen dituzte, LK kointzidentzia-kontagailu batek konektatuta.Bi zirrikitu dituen diafragma bat jartzen da fotoi baten ibilbidean. Bi detektagailuek bi fotoien ia aldibereko etorrera erregistratzen dutenean, seinalea gailuaren memorian gordetzen da, eta D2 detektagailuak zirrikituekiko paralelo pausoak ematen ditu. D2 detektagailuaren posizioaren araberako fotoi-kopurua, horrela erregistratuta, koadroan agertzen da, maximoak eta minimoak erakutsiz, interferentziak adieraziz.

2001ean, Brasilgo fisikari talde bat Belo Horizonten aritu zen. Stephen Walborn ezohiko esperimentua. Bere egileek kristal berezi baten propietateak erabili zituzten (BBO gisa laburtua), argoi-laser batek igorritako fotoien zati jakin bat energiaren erdia duten bi fotoi bihurtzen dituena. Bi fotoi hauek elkarren artean korapilatuta daude; horietako batek, adibidez, polarizazio horizontala duenean, besteak polarizazio bertikala du. Fotoi hauek bi norabide ezberdinetan mugitzen dira eta rol desberdinak betetzen dituzte deskribatutako esperimentuan.

Izendatuko dugun fotoietako bat kontrolatzeko, zuzenean D1 fotoi-detektagailura doa (4a). Detektagailuak bere etorrera erregistratzen du seinale elektriko bat bidaliz hit counter izeneko gailu batera. LK Bigarren fotoiari interferentzia esperimentua egingo zaio; deituko diogu seinale fotoia. Bere bidean zirrikitu bikoitz bat dago, eta ondoren bigarren fotoi-detektagailu bat, D2, fotoi-iturritik D1 detektagailu baino zertxobait urrunago. Detektagailu honek zirrikitu bikoitzetik salto egin dezake hit-kontagailutik seinale egokia jasotzen duen bakoitzean. D1 detektagailuak fotoi bat erregistratzen duenean, seinale bat bidaltzen du kointzidentzia kontagailura. Momentu batean D2 detektagailuak fotoi bat ere erregistratzen badu eta neurgailura seinale bat bidaltzen badu, fotoi korapilatuetatik datorrela antzemango du, eta gertaera hori gailuaren memorian gordeko da. Prozedura honek detektagailura sartzen diren ausazko fotoien erregistroa baztertzen du.

Nahasitako fotoiek 400 segundoz irauten dute. Denbora hori igarota, D2 detektagailua 1 mm desplazatzen da zirrikituen posizioarekiko, eta korapilatutako fotoien zenbaketak beste 400 segundo behar ditu. Ondoren, detektagailua berriro 1 mm mugitzen da eta prozedura askotan errepikatzen da. Ematen du D2 detektagailuaren posizioaren arabera modu honetan grabatutako fotoi kopuruaren banaketak Young-en esperimentuan (4a) argi-ilunei eta interferentzia-ertzei dagozkien maximo eta minimo ezaugarriak dituela.

Berriro jakin dugu hori zirrikitu bikoitzetik pasatzen diren fotoi bakarrek elkar oztopatzen dute.

Nola beraz?

Esperimentuaren hurrengo urratsa fotoi jakin bat bere mugimendua trabarik gabe igarotzen den zuloa zehaztea izan zen. Hemen erabiltzen diren propietateak uhin laurdeneko plaka. Zirrikitu bakoitzaren aurrean uhin laurdeneko plaka bat jarri zen, eta horietako batek fotoi intzidentearen polarizazio lineala erlojuaren orratzen noranzko zirkularra aldatu zuen, eta bestea ezkerreko polarizazio zirkularra (4b). Egiaztatu zen fotoiaren polarizazio motak ez zuela zenbatutako fotoi kopuruan eragiten. Orain, zirrikituetatik igaro ondoren fotoi baten polarizazioaren biraketa zehaztuz, fotoia zeinetatik igaro den adieraz daiteke. "Zein norabidetan" jakiteak interferentziak suntsitzen ditu.

4b. Zirrikituen aurrean uhin laurdeneko plakak (itzale laukizuzenak) jarriz, "norantz" informazioa lor daiteke eta interferentzia-irudia desagertu egingo da.

4c. D1 detektagailuaren aurrean egoki orientatutako P polarizadore bat jartzeak "norantz" informazioa ezabatzen du eta interferentzia berreskuratzen du.

Izan ere, uhin laurdeneko plakak zirrikituen aurrean zuzen jarri ondoren, aurrez ikusitako zenbaketen banaketa, interferentziaren adierazgarri, desagertzen da. Bitxiena da hori gertatzen dela neurketa egokiak egin ditzakeen behatzaile kontziente baten parte-hartzerik gabe! Uhin laurdeneko plakak jartzeak interferentziak ezeztatze efektua sortzen du.. Beraz, nola daki fotoiak plakak sartu ondoren igaro den hutsunea zehaztu dezakegula?

Hala ere, hau ez da bitxikeriaren amaiera. Orain seinale fotoien interferentzia berrezarri dezakegu zuzenean eragin gabe. Horretarako, D1 detektagailura iristen den kontrol-fotoiaren bidean, jarri polarizadore bat, bi fotoi korapilatuen (4c) polarizazioen konbinazio den argia igor dezan. Horrek berehala aldatzen du seinalearen fotoiaren polaritatea horren arabera. Orain jada ezin da ziurtasunez zehaztu zer den fotoi baten polarizazioa zirrikituetan gertatutakoa, eta zein zirrikitutik igaro den fotoia. Kasu honetan, interferentziak berrezartzen dira!

Ezabatu atzeratutako hautaketaren informazioa

Goian deskribatutako esperimentuak, kontrol-fotoia D1 detektagailuak erregistratu zituen, seinale-fotoia D2 detektagailura iritsi aurretik. "norantz" informazioa ezabatzea kontrol-fotoiaren polarizazioa aldatuz egin zen seinale-fotoia D2 detektagailura iritsi aurretik. Orduan imajina daiteke fotoi kontrolatzaileak dagoeneko esan diola bere “bikiak” zer egin behar duen: esku hartu edo ez.

Orain esperimentua aldatzen dugu, kontrol-fotoiak D1 detektagailua jotzen duen moduan, seinale-fotoia D2 detektagailuan erregistratu ondoren. Horretarako, urrundu D1 detektagailua fotoi iturritik. Interferentzia ereduak aurrekoaren itxura bera du. Jar ditzagun orain uhin laurdeneko plakak zirrikituen aurrean, fotoiak zein bide hartu duen zehazteko. Interferentzia eredua desagertzen da. Ondoren, ezabatu dezagun "norantz" informazioa behar bezala orientatutako polarizadore bat jarriz D1 detektagailuaren aurrean. Interferentzia eredua berriro agertzen da! Hala ere, ezabaketa D2 detektagailuak seinalearen fotoia erregistratu ondoren egin zen. Nola da posible hori? Fotoiak polaritate aldaketaren berri izan behar zuen hari buruzko edozein informazio bertara iritsi aurretik.

5. Laser izpi batekin esperimentuak.

Gertaeren sekuentzia naturala alderantzikatu egiten da hemen; efektua kausaren aurretik! Emaitza honek kausalitate printzipioa ahultzen du gure inguruko errealitatean. Edo agian denborak ez du axola partikula korapilatsuei dagokienez? Korapilatze kuantikoak fisika klasikoko lokaltasun-printzipioa urratzen du, zeinaren arabera objektu bati bere ingurune hurbilak bakarrik eragin diezaiokeen.

Brasilgo esperimentuaz geroztik, antzeko esperimentu asko egin dira, hemen aurkezten diren emaitzak guztiz berresten dituztenak. Azkenean, ustekabeko fenomeno horien misterioa argi azaldu nahi du irakurleak. Zoritxarrez, hori ezin da egin. Mekanika kuantikoaren logika desberdina da egunero ikusten dugun munduaren logikatik. Umiltasunez onartu behar dugu hori eta poztu egin behar dugu mekanika kuantikoaren legeek mikrokosmosan gertatzen diren fenomenoak zehaztasunez deskribatzen dituztelako, gero eta gailu tekniko aurreratuagoetan erabilgarri erabiltzen direnak.