Pregúntele a Ethan #46: ¿Qué es la observación cuántica?

• Ciencia popular,
• Física

• Traducción

Puedes ver mucho con solo mirar.
-Yogui Bera

Un lector pregunta:

¿Qué es la “observación”? Tengo dos ejemplos que entiendo menos cuanto más pienso en ellos: el experimento de Young y el teorema de Bell. Cuanto más pienso en ellos, menos entiendo lo que realmente significa "observación".

Comencemos mirando a estos dos. ejemplos clásicos rareza del mundo cuántico.

Tomemos primero el experimento de Jung. Se sabe desde hace mucho tiempo que las partículas se comportan de manera diferente a las ondas. Si toma una pantalla con dos rendijas y le arroja piedras, balas u otros objetos macroscópicos, la pantalla detendrá la mayoría de las piedras. Algunos pasarán desapercibidos. Puedes esperar, y de hecho, esto es lo que sucede, que algunas piedras volarán por la ranura izquierda y otras por la derecha.

Y tendrás dos montones de guijarros formando una curva en forma de campana ( distribución normal), uno para cada ranura. Y esto sucede independientemente de si estás mirando las piedras en el momento de lanzarlas o no. Tiramos piedras y conseguimos esta foto. Todo.

¿Qué pasa si tienes un charco de agua y creas olas en un lado? Puedes colocar una pantalla con dos rendijas para que las ondas solo puedan pasar a través de las rendijas. Como resultado, tendrás dos fuentes de ondas.

Como resultado, obtendrá un patrón de interferencia donde hay picos y valles, así como espacios donde simplemente será altura media agua sin olas. Esto se llama interferencia: a veces los picos y los valles se suman y se refuerzan entre sí, a veces un pico se suma a un valle y se anulan entre sí.

El experimento de Young fue una serie de experimentos realizados entre 1799 y 1801. Se hizo brillar luz a través de dos rendijas para ver si se comportaría como partículas o como ondas. Ahora los estudiantes repiten este experimento estándar en los laboratorios. El resultado es la siguiente imagen:

Obviamente hay interferencia aquí. El efecto fotoeléctrico, descubierto a principios del siglo XX, es consistente con la idea de cuantificar la luz en fotones con diferentes energías, parecía decir que la luz se compone de partículas, no de ondas, y sin embargo creó tal patrón de interferencia al pasar a través de dos rendijas.

Se vuelve aún más extraño. En la década de 1920, los físicos decidieron hacer el mismo experimento, sólo que con electrones en lugar de fotones. ¿Qué sucede si diriges un flujo de electrones (por ejemplo, desde fuente radiactiva, en desintegración beta) en dos rendijas con una pantalla detrás de ellas? ¿Qué imagen veremos?

¡Curiosamente, la fuente de electrones también produce un patrón de interferencia!

“Espera un minuto”, dijeron todos. “De alguna manera los electrones interfieren con otros electrones de la fuente de desintegración. Juguémoslos uno por uno y veamos qué sucede en la pantalla”.

Así que hicieron precisamente eso y empezaron a ver qué imagen surgiría después de cada electrón. Esto es lo que vieron.

¡Resultó que cada electrón interfería consigo mismo al pasar a través de las rendijas! Esto llevó a los físicos a preguntarse cómo sucede esto: dado que los electrones son partículas, solo pueden pasar a través de una de las rendijas, como los guijarros o las balas.

¿Así que cómo? Hicieron "puertas" (a través de las cuales se pueden hacer brillar los fotones para interactuar con cualquier cosa que pase a través de la rendija) para determinar por qué rendija pasa cada electrón en particular. El resultado, por supuesto, fue que el electrón pasó a través de una de las dos rendijas. Pero luego, cuando observaron la imagen resultante, descubrieron que se había convertido en una imagen dibujada por partículas en lugar de ondas. En otras palabras, ¡el electrón parecía saber si lo estabas mirando o no!

O, como dicen los físicos, el acto de observación cambia el resultado del experimento. Esto puede parecer extraño, pero esto es exactamente lo que sucede en todos. sistemas cuánticos, organizado de esta manera: todo funciona como si estuviera en una superposición de ondas de todos los resultados posibles, pero una vez que haces una "observación" clave, hace que el sistema te dé una respuesta real.

Otro ejemplo del que habla nuestro lector es el entrelazamiento cuántico.

Se pueden crear muchas partículas para que estén en un estado entrelazado: donde se sabe, por ejemplo, que una debe tener un espín positivo y la otra negativo (por ejemplo, ±½ para electrones, ±1 para fotones, etc. ) etc.), pero no sabes cuál tiene qué giro. Hasta que realices una medición, tendrás que tratarlas como si cada partícula estuviera en una superposición de positivo y estado negativo. Pero cuando "observas" las propiedades de uno de ellos, inmediatamente aprendes sobre propiedad correspondiente otro.

Esto es extraño: como ocurre con los electrones que pasan a través de una rendija, las partículas se comportan de manera diferente dependiendo de si se encuentran en una superposición de estados o si se ven obligadas a entrar en uno de los estados "puros". En teoría, puedes entrelazar dos partículas y mover una de ellas una distancia. años luz, observa el primero, descubre su giro e inmediatamente descubre el giro del otro. No tendrás que esperar un año para que la señal te llegue a la velocidad de la luz.

Si crees que esto es extraño, entonces lo es. El propio Einstein quedó consternado por esto, y la solución de Bell es que el entrelazamiento cuántico es un fenómeno no local.

Si observas dos partículas y luego las separas más, obtienes (a). Si los entrelazas y luego los separas, ambos quedarán indefinidos hasta que hayas observado uno de ellos (b). Pero, al observar uno de ellos, inmediatamente reconoces el estado del otro (c).

Sin embargo, alguien que esté junto a una partícula que esté a un año luz de distancia no podrá notar ningún cambio en ella cuando mida la suya. Sólo después de reunir sus partículas (o transmitir información sobre ellas, que está limitada por la velocidad de la luz), podrá observar los estados de ambas partículas.

Ahora podemos responder a la pregunta del lector: ¿qué es la observación?

A pesar de lo que puedas pensar al leer estas líneas, la observación no tiene nada que ver contigo, el observador. Todo lo que se habla sobre mediciones y observaciones oculta la verdad: para realizar estas mediciones, debe asegurarse de que partícula cuántica interactuado con el que estamos tratando de observar. Y si necesitamos hacer estas mediciones, necesitamos que esta interacción se produzca con un cierto nivel de energía.

Esto no tiene nada que ver contigo ni con el “acto de observar”, sino que depende de si interactúas con suficiente energía para “hacer una observación”, o, en otras palabras, si logras transferir la partícula a uno de los estados cuánticos. .

Para un electrón que pasa a través de la rendija, esto significa interactuar con un fotón, lo que limitará su posición lo suficiente como para que pase claramente a través de una de las rendijas. Para un fotón con un espín de +1 o -1, esto significa hacer una medición sensible a su polarización, lo que significa una interacción sensible al tipo campo electromagnetico, el fotón creado.

Por lo tanto, la observación es interacción cuántica, suficiente para determinar el estado cuántico del sistema.

Interferencia de la luz en el experimento de Young.

Ilustración: Timm Weitkamp (CC BY)

Un equipo de físicos del australiano Universidad Nacional Implementó el experimento mental de elección retardada de Wheeler reemplazando fotones con átomos de helio metaestables ultrafríos. Nuevo trabajo confirmado disposiciones clásicas Principio de complementariedad de Niels Bohr. publicado en Física de la naturaleza.

En 1978, John Archibald Wheeler propuso una versión más sofisticada del clásico experimento de la doble rendija de Young, que demostró naturaleza ondulada Luz. Según Young, un rayo de luz se dirige sobre un tabique con dos rendijas estrechas. En este caso, el tamaño de cada rendija corresponde aproximadamente a la longitud de onda de la luz emitida. Al pasar a través de las rendijas, la luz incide en la pantalla de proyección situada detrás. Si los fotones se desarrollaran exclusivamente propiedades corpusculares, entonces la pantalla tendría dos áreas muy iluminadas detrás de las rendijas y un área oscura entre ellas. Al mismo tiempo, si los fotones exhiben propiedades de las olas, entonces cada rendija se convierte en una fuente secundaria de ondas. Estas ondas interfieren, y en lugar de dos franjas iluminadas, muchas brillantes y zonas oscuras en la pantalla de proyección. Además, uno de los máximos de iluminación local se sitúa donde debería haber un lugar oscuro (si el fotón fuera sólo una partícula).

Parecería que la naturaleza ondulatoria de la luz ha sido probada experimentalmente, sin embargo, matemáticamente esto significaba que el fotón pasa simultáneamente por ambas rendijas. Luego, los físicos intentaron, mediante mediciones, determinar a través de qué rendija vuela realmente un fotón. Resultó que, si se observaba, el fotón comenzaba a actuar nuevamente como una partícula, como si "supiera" que estaba siendo observado. El hecho de la observación parece destruir función de onda. Por el contrario, tan pronto como no hay observación, el fotón nuevamente comienza a interferir consigo mismo, actuando como una onda.

Al observar la dualidad onda-partícula observada experimentalmente, Niels Bohr postuló el principio de complementariedad. Afirma que si un observador mide las propiedades de un objeto cuántico como una partícula, entonces se comporta como una partícula. Si se miden sus propiedades ondulatorias, para el observador se comporta como una onda. Por lo tanto, para describir completamente los fenómenos de la mecánica cuántica, es necesario utilizar dos ideas aparentemente contradictorias, que, al final, resultan ser mutuamente complementarias, como lo refleja el nombre del principio.

Para superar esta contradicción y probar el efecto observador, Wheeler propuso utilizar un interferómetro Mach-Zehnder. Se compone de cuatro espejos. El primero divide el chorro de luz en dos rayos, que luego se reflejan en dos espejos opacos y se reúnen nuevamente en el cuarto espejo. Hay detectores a ambos lados. Los fotones deben liberarse uno a la vez.

Un fotón se divide en dos en el primer espejo o, en otras palabras, presenta propiedades ondulatorias. Luego rebota en dos espejos perfectos, vuelve a interferir en el cuarto espejo semitransparente y finalmente golpea uno de los detectores. Para cada fotón específico, sólo se activa uno de los detectores, pero si el experimento se repite muchas veces, se obtendrá una proporción no trivial de los recuentos de los dos detectores. Esta relación muestra que la partícula, al llegar al cuarto espejo, se comporta como una onda. Si se retira el cuarto espejo, la proporción entre operaciones será de 50:50. Es como si, en el momento de la primera división, la partícula ya hubiera “decidido” qué camino tomará.

La idea de Wheeler era que la aparición de un cuarto espejo en el circuito se solucionaría mediante un generador números al azar después de que el fotón haya entrado en el interferómetro, pero antes de que sea absorbido por uno de los detectores, la llamada elección retardada. Por lo tanto, los experimentadores privarían al fotón de la oportunidad de "saber" si se está realizando una observación o no y, por lo tanto, determinar su "comportamiento": aparecer como una partícula o una onda. Este plan hipotético no se implementó por primera vez hasta 2007.

Esquema del interferómetro Mach-Zehnder

Imagen: Wikimedia Commons

Izquierda esquema clásico El experimento de Wheeler. a su derecha nueva implementación sobre átomos y usando pulsos láser

Imagen: Manning A.G. et al.

En el nuevo estudio, los físicos australianos utilizaron partículas más masivas: los átomos, probando así el diseño experimental de Wheeler en condiciones completamente nuevas.

Los científicos utilizaron átomos de helio ultrafríos liberándolos individualmente de una trampa dipolar óptica. Bajo la influencia de la gravedad, los átomos comenzaron a caer en un detector especial en forma de placa de microcanal. Un milisegundo después del inicio de la caída, el rayo láser "golpeó" el átomo, provocando que adopte una superposición de dos momentos dipolares dirigidos hacia adentro. lados diferentes. Era un análogo del "primer espejo dividido" de Wheeler.

Luego, los científicos decidieron si utilizar un segundo pulso láser para recombinar los dos estados. Podría haber dos variantes de tal estado mixto: la primera en forma de suma de dos ondas y la segunda en forma de diferencia. Cuál de ellos surgiría fue determinado por un generador de números aleatorios cuánticos. Después de aplicar el segundo pulso láser, ya no era posible decir con certeza en cuál de los dos estados se encontraba el átomo. En total se realizaron más de mil pruebas experimentales de este tipo.

Resultó que si no se utilizaba el segundo pulso láser, entonces la probabilidad de detectar cada uno de ellos momentos dipolares era igual a 0,5. Al mismo tiempo, después de la exposición al segundo pulso láser, imagen clara interferencia expresada como una onda sinusoidal, tal como en el experimento de Young.

Así se confirmó la suposición de Niels Bohr de que no tiene sentido atribuir tal o cual comportamiento a las partículas, como ondas o como partículas mismas, antes de que se haya realizado una medición. Sin embargo, existe otra explicación poco probable: que las partículas de alguna manera reciban información del futuro. Se supone que la información se puede transmitir más rápido que la luz, lo que es imposible desde el punto de vista de la teoría de la relatividad.

Consideremos el borrado cuántico de un fotón, donde el marcador de trayectoria es su polarización.

En la Fig. 10, A fuente S emite fotones individuales, plano polarizado en la dirección h, perpendicular al dibujo. Un fotón en forma de onda pasa a través de las rendijas 1 y 2 y es registrado por un detector. D, que escanea el área de registro transversal al eje óptico. Como consecuencia del paso de una gran cantidad de fotones a través de la instalación aparece un patrón de interferencia.

Arroz. 10. Borrado cuántico de la localización de fotones.

Instalamos una placa de media onda delante de la ranura 1. mi, mostrado en la Fig. 10, b. Gira el plano de polarización en
en la dirección v y es un marcador del camino del fotón a través de las rendijas. Los fotones con polarizaciones mutuamente perpendiculares pasan a través de diferentes rendijas, no interfieren entre sí, las intensidades de radiación se suman y se obtiene la distribución de la luz en la pantalla del registrador, como se muestra en la Fig. 9, b.

Borramos información sobre la ruta de los fotones instalando un analizador frente a la grabadora GRAMO con ángulo de polarización
. El analizador proyecta sobre su eje los vectores de campos eléctricos que han pasado por las rendijas 1 y 2. Los campos que salen del analizador tienen las mismas direcciones y sus intensidades se dividen a la mitad según la ley de Malus.

.

La información sobre las trayectorias del fotón a través de las rendijas se borra, resulta ser una onda, pasa a través de dos rendijas simultáneamente y se restablece la interferencia, como se muestra en la figura. 10, V.

Una peculiaridad de los procesos considerados es que todas las acciones se realizan en un solo fotón.

En cuanto al borrado cuántico, surge la pregunta: ¿cómo “sabe” un fotón en qué se convertirá, en una partícula, y pasará a través de una rendija como en la Fig. 10, b, o en una onda, y pasa simultáneamente a través de dos rendijas, como en la Fig. 10, V? Después de todo, el lugar donde se debe hacer la elección se encuentra antes de las rendijas, y el lugar donde realmente se hace esta elección se encuentra después de las rendijas, donde se coloca o no el analizador. ¿Han cambiado de lugar la causa y el efecto? La respuesta a esta pregunta está relacionada con la no localidad cuántica del microobjeto.

No localidad cuántica

Las ideas clásicas se basan en localidad del objeto Y ausencia de acción de largo alcance , cuando las características del objeto existen antes de la medición, y los instrumentos de medición mutuamente distantes no afectan el objeto en estudio ni las lecturas de los demás. Einstein, Podolsky y Rosen formularon en 1935 la paradoja EPR, que, según creían, refuta la integridad de la descripción de los fenómenos utilizando la mecánica cuántica. Los experimentos con interferómetros realizados a finales del siglo XX confirmaron las conclusiones de la mecánica cuántica y arrojaron dudas sobre el principio de localidad de los objetos.

Un interferómetro es un dispositivo donde se manifiestan las propiedades ondulatorias de un objeto. La modificación del diseño del interferómetro permite transformar el comportamiento de un microobjeto de ondulatorio a corpuscular y viceversa. Si esto ocurre mientras un objeto se mueve a través del interferómetro, entonces el cambio en el comportamiento del objeto se llama elección retrasada estado en forma de partícula u onda. El experimento fue desarrollado teóricamente por Wheeler entre 1978 y 1983. El experimento con fotones fue realizado por V. Jacques. et al. en 2006 (Ciencia 315 , 966 (2007)), utilizando un interferómetro Mach-Zehnder. experimento similar En 2015 se llevó a cabo un estudio con átomos de helio, que también confirmó las predicciones de la mecánica cuántica.

John Archibald Wheeler (1911-2008)

En el interferómetro Mach-Zehnder mostrado en la Fig. once, A, un solo fotón se dirige desde la fuente S al divisor B 1, que contiene un espejo translúcido depositado sobre una placa de vidrio. La foto contiene el espejo translúcido que se muestra en la figura 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 pasa B 1 en dirección de avance, o reflejado hacia abajo, con probabilidades
y entra en el canal 1 o 2. Reflejado en los espejos METRO 1 y METRO 2, el fotón pasa a través del divisor B 2, similares B 1, y es registrado por el detector D 1 o D 2. Los divisores están ubicados de manera que los mismos camino óptico fotón al detector para cada canal. espejos METRO 1 y METRO 2 cambian las fases en cada canal en la misma cantidad, lo que no afecta la diferencia de fase y no se tiene en cuenta en las fórmulas.

Arroz. once. Interferómetro Mach-Zehnder

De la Fig. once, A obtenemos las amplitudes de la probabilidad de que un fotón pase por dos canales hasta los detectores:

– amplitud de paso del divisor
;

– amplitud de reflexión del divisor
.

La fase se pierde cuando se refleja.
, Entonces
. Obtenemos las probabilidades de activación del detector.

,

. (3)

En consecuencia, cuando un fotón pasa simultáneamente por dos canales en forma de onda, solo se activa el detector. D 2.

Con el divisor quitado B 2 interferómetro se muestra en la Fig. once, b. El fotón llega al detector. D 1, pasando por el canal 1, y al detector D 2, pasando por el canal 2. De la Fig. once, b obtenemos

,

,

. (4)

Arroz. once. Interferómetro Mach-Zehnder

En consecuencia, es igualmente probable que los detectores se activen. El detector activado indica el canal por el que ha pasado el fotón. Se propaga por sólo uno de los canales posibles, no hay interferencias. El fotón se comporta como una partícula localizada clásica. Quitar el segundo divisor convierte al fotón en una partícula .

En un experimento con elección retrasada V. Jacques et al. Utilizamos un interferómetro Mach-Zehnder con guías de luz en los canales 1 y 2 con una longitud de 48 m. La luz recorre esta distancia en 160 ns. Generador cuántico Los números aleatorios cambian el estado del divisor. B 2 – lo retira del circuito, o lo conecta, en 40 ns. Dos eventos (un fotón que pasa a través del primer divisor y la manipulación del segundo divisor) están separados por un intervalo similar al espacio, lo que elimina la posibilidad de transmitir información sobre el estado del segundo divisor a un fotón que pasa a través del primer divisor. Dentro física clásica El destino del fotón se decide en el primer divisor: viaja a través de un canal como partícula, o simultáneamente a través de dos canales como onda. El experimento confirmó los resultados de la mecánica cuántica (3) y (4), basados ​​en el hecho de que todo se decide por la presencia o ausencia de un segundo divisor. Entonces, en el marco de la física clásica, surge la pregunta: ¿cómo "sabe" un fotón en qué convertirse: una onda o una partícula, si la conexión o eliminación del segundo divisor se puede descubrir solo después de que el fotón haya pasado? ¿La primera bifurcación de los canales, donde se decide su destino? De las características descritas del comportamiento cuántico se deduce que Hasta que se activa el detector, el fotón sigue siendo una superposición de onda y partícula. . Como dijo Klyshko, “un fotón es un fotón (es decir, una partícula localizada) si es un fotón registrado”. Para un fotón no detectado, el hecho de la superposición de onda y partícula fue confirmado por experimentos posteriores, donde el segundo divisor se utiliza en modo cuántico en forma de superposición de los estados del elemento conectado y desconectado del circuito óptico. Por eso, un fotón no registrado no está localizado en el espacio-tiempo, sino que está presente en todos los canales simultáneamente y reacciona instantáneamente a los cambios en el diseño del dispositivo, dondequiera que se realicen estos cambios.. Este comportamiento de un microobjeto llamado no localidad cuántica , y esto puede verse como estar fuera del espacio-tiempo . El registro de una partícula la localiza y la transfiere al espacio-tiempo. Otras opciones para explicar el experimento requieren una violación del postulado de la teoría especial de la relatividad sobre la imposibilidad de moverse a una velocidad superior a la de la luz, o una violación del principio de causalidad sobre la prohibición de una señal avanzada. Es imposible utilizar la no localidad cuántica para transmitir información a velocidades superluminales debido a la naturaleza probabilística de los procesos cuánticos que se muestran en el espacio-tiempo.

En el experimento de Young, los electrones de un cañón de electrones vuelan a través de 1 o 2 rendijas en una barrera y dejan una marca en la pantalla.

Cuando los electrones vuelan a través de una rendija, dejan una franja en la pantalla opuesta a la rendija, como si el electrón fuera una partícula.

Algo interesante sucede cuando se vuela a través de 2 rendijas en un obstáculo.

Los electrones aparecen como una onda (un patrón de interferencia de muchas franjas resultante de la superposición de ondas) a menos que observes por qué rendija pasa cada electrón.

Y si observas cuál de las 2 rendijas atravesó cada electrón, entonces habrá 2 franjas en la pantalla (es decir, los electrones se comportaron como partículas).

Hay 2 opciones posibles:

1. El comportamiento de un electrón depende de si una persona lo observó o no. Es decir, la conciencia humana influye en el comportamiento del electrón.

2. El electrón está influenciado por un dispositivo técnico (“detector”) que detecta por qué rendija vuela. (Luego la información se transmite a la persona desde el detector y la persona no tiene nada que ver con eso).
Para solucionar esto, decidimos registrar los datos del detector encendido y la imagen en la pantalla, pero no contárselo todo a la persona.

Lo reveló. Si durante el experimento no observamos el paso de electrones a través de cada rendija, pero registramos los indicadores de los detectores de ambas rendijas sobre el paso de cada electrón a través de ellas, pero estos datos no son estudiados por una persona, sino que se destruyen inmediatamente después de la experimento, obtendremos una imagen de onda en la pantalla, y no dos franjas. Esto se llama "borrado de datos".

Y, si no destruye los datos, sino que los estudia después del experimento, obtendrá 2 franjas en la pantalla frente a las rendijas.

Este borrado de datos es el más sorprendente. Pero, antes de abordar esto, debemos averiguar exactamente: ¿se trata de un experimento real o ficticio?

Wikipedia tiene un pequeño artículo sin enlaces, donde se llama el borrado de datos. "El experimento del borrador cuántico":

El experimento consta de dos etapas: primero, el experimentador observa por qué ranura pasó cada fotón sin perturbar el movimiento y demuestra la violación del patrón de interferencia. Esta etapa muestra que hay información de "camino" que causa daño al patrón de interferencia, pero no hay interrupción mecánica (como se creía al comienzo de la creación). Teoría cuántica). La segunda etapa ocurre borrando la información de la "ruta" y demostrando que se ha restablecido el patrón de interferencia.

Por lo que desenterré en Internet, resulta que en las discusiones en ruso, las personas se dividen en 2 categorías: algunos creen que incluso si borras datos, incluso si no los borras, todavía habrá 2 franjas en la pantalla, otros creen que al borrar datos de los detectores la pantalla producirá un patrón de ondas con muchas rayas (más de 2).

Tomé información, incluso de aquí:

Tom Campbell explica la experiencia de Jung.
Dualidad onda-partícula