Опыт Джона Уилера

Более простой вариант опыта, подобного опыту Юнга

(2 авг 2016) В 2015 году Том Кэмпбелл записал видео (на английском), в котором рассказал о новом эксперименте по квантовому стиранию. Этот эксперимент дает результаты, аналогичные опыту Юнга, но в нем нет нужды считывать информацию о том, через какую из прорезей проходит частица.

тут обходятся без датчиков. В предыдущем эксперименте использовали датчики, чтобы определить, через какую из двух прорезей пролетает частица. А тут используют полупрозрачные зеркала для разделения потоков частиц. И получают результаты, которые соответствуют опыту Юнга.

Половина фотонов пролетает, половина отражается. И на двух экранах частицы создают картинку. 

1. В случае двух полузеркал - интерференционную.

2. В случае только одного полузеркала - только один максимум.

Получается, что в этом эксперименте мы не применяем детектор частиц, только смотрим на экраны.

Сокращенный перевод рассказа Кэмпбелла об этом эксперименте

(24 янв 2017)

0201. Позвольте мне объяснить, в чем заключается его мысленный эксперимент Уиллера (John Weeler). Этот эксперимент очень похож на опыт Юнга (double-slit experiment) - не в деталях эксперимента, но в его результатах. И вы услышите, что в рассказе я буду использовать те же слова, что звучат в рассказе про опыт Юнга. 

0221. Перед вами - интерферометр (про рис.1 слева вверху). Звучит важно, но в этой конструкции нет особых сложностей. В ней есть 2 элемента. 

а) Два зеркала, которые отражают под 90 градусов синий и красный лучи (слева внизу и справа вверху). Обычные зеркала, оражающие свет.

б) Слева вверху - специальное полупрозрачное зеркало. Когда свет падает на него, то половина света (красная) проходит сквозь него, а вторая половина света (синяя) отражается от полупрозрачного зеркала и идет по другому пути.

Итак, у нас есть "красный" и "синий" пути для прошедшего и отраженного света. 

0300. Если стрелять по полупрозрачному зеркалу единичными фотонами, то примерно в половине случаев фотоны пойдут по синему пути, а во второй половине случаев - по красному пути. Такова природа полупрозрачного зеркала.

0330. Ученые сделали синий и красный пути четко одинаковой протяженности. И частица, идущая по красному пути, пройдет такое количество длинн волн, как и частица, идущая по синему пути. А, придя в точку встречи (нижняя правая), частицы будут в одинаковой фазе. То есть, их пики и донышки будут совпадать.

0350. Что же ученые увидели? В эксперименте стреляли из пушки частицами - это могли быть фотоны, электроны, молекулы фулерена (backyballs). И вот частица попадает на полупрозрачное зеркало в вехнем правом углу. Она не может разделиться, и частица должна пойти либо по красному пути и в конце попасть в красный детектор, либо по синему пути и попасть в синий детектор. 

0435. Скажем, мы выстреливаем 1000 электронов в полупрозрачное зеркало на входе интерферометра. Или фотонов. И примерно 500 из них попадут в синий детектор, и примерно 500 попадут в красный детектор. Половина пойдет по красному пути, половина - по синему. Потому что наше полупрозрачное зеркало с вероятностью 50% пропускает частицы и с такой же вероятностю отражает их. Это понятно.

0508. Прежде чем перейти к второй части этого эксперимента, отметим, что все частицы, уловленные синим детектором попадают в одну область максимума. А все частицы, уловленные красным детектором тоже попадают в единственную свою область максимума. 

На мини-графиках по оси Y - количество принятых частиц, а по оси X - положение принятой частицы. Все частицы накапливаются в единственной области максимума. 

0540. Ученые провели и второй эксперимент. Он устроен точно так же, как и первый. Джон Уиллер добавил лишь один элемент. Он добавил второе полупрозрачное зеркало в правый нижний угол (рис. 2, прямоугольник внизу справа), где встречаются синий и красный пути. Точно такое же полупрозрачное зеркало, как на входе, создающее для частиц, идущих по красному пути, 50% вероятность попадания на красный детектор и 50% вероятность попадания на синий детектор. Точно так же и частицы, идущие по синему пути имеют 50% вероятность попадания на красный детектор и 50% вероятность попадания на синий детектор.

0640. Теперь любая частица с вероятностью 50% подает на синий детектор и с такой же вероятностью - на красный. А это означает, что мы, фактически, уничтожаем информацию о том, по какому пути шла частица - по красному или по синему. 

До появления второго полупрозрачного зеркала на выходе мы точно знали, что все частицы, попавшие в синий детектор, шли по синему пути. Эта определенность приводила к тому, что все частицы попадали в единственную область детектора, в единственный максимум и никакой интерференции.

0705. Во втором варианте эксперимента, мы уже не знаем, по какому пути шла частица, попавшая в детектор. И, если посылать частицы по одной, то на обоих детекторах мы получим интерференционную картину.

Смотрю, что описания есть уже в сети и на русском. И пока что лень продолжать перевод видео Тома Кэмпбелла. Предлагаю вам ознакомиться с имеющимимися довольно хорошими текстами ниже:

Эксперимент "с отложенным выбором" Джона Уилера

1 марта 2007

В знаменитом эксперименте с двумя щелями наличие или отсутствие интерференционной картины зависит от того, выполняются или нет измерения, способные определить, через какую именно щель пролетел фотон. Для прояснения концептуальных основ квантовой механики Дж.Уилер предложил в 1984г. эксперимент "с отложенным выбором", в котором решение об измерении принимается уже после пролета фотона через щели, но до того момента, когда информация о решении могла бы со световой скоростью достичь фотона. В таком случае характер прохождения фотона через щели (одновременно через обе щели как волна, либо через одну щель как частица) и принятие решения об измерении причинно не связаны: эти события разделены пространственноподобным релятивистским интервалом, и значит какие-либо "скрытые параметры" не могли передаться фотону заранее. Образно говоря, фотон "не знает", будет ли проводиться измерение его траектории. 

V.Jacques и его коллеги из Франции и Китая выполнили эксперимент с отложенным выбором по схеме, наиболее близко соответствующей оригинальной схеме Дж.Уилера. Пройдя через сплиттер на входе, фотоны могли распространяться по двум различным путям в интерферометре Маха-Цендера длиной 48м. В качестве источника единичных фотонов использовались атомы примеси в нанокристалле алмаза, возбуждаемые лазерными импульсами. На другом конце интерферометра был установлен электрооптический модулятор, управляемый квантовым генератором случайных чисел. При наличии сигнала на модуляторе происходил поворот плоскости поляризации фотона. В зависимости от состояния модулятора, фотон, пройдя по любому из двух плеч интерферометра, либо имел одну и ту же поляризацию и затем испытывал интерференцию на призме, либо фотон имел разную поляризацию и без интерференции попадал в детекторы на выходе из плеч. В последнем случае можно установить, по какой именно траектории прошел фотон, т.е. выполнялось измерение. Источник фотонов и модулятор были синхронизированы с задержкой по времени так, что прохождение фотона через сплиттер на входе интерферометра и случайный выбор состояния модулятора были причинно не связаны. 

Таким образом, в отличие от предшествующих экспериментов "с отложенным выбором", были полностью выполнены все условия эксперимента Дж.Уилера. В тех случаях, когда измерения траектории не проводились, наблюдалась интерференционная картина с четкостью 94% (отличие от 100% обусловлено погрешностями эксперимента), а при наличии измерений интерференция отсутствовала с точностью 1% . Тем самым, эксперимент еще раз подтвердил предсказания квантовой механики и показал, что дуализм волна-частица - это глубокое фундаментальное свойство теории, не сводимое к "скрытым параметрам". 

Источник: Science 315 966 (2007)

Эксперимент Уилера подтвердил принцип дополнительности для атомов

(2015)

Команда физиков из Австралийского национального университета реализовала мысленный эксперимент Уилера с отложенным выбором, заменив фотоны сверххолодными метастабильными атомами гелия. Новая работа подтвердила классические положения принципа дополнительности Нильса Бора. Статья опубликована в  Nature Physics.

В 1978 году Джон Арчибальд Уилер предложил более изощренный вариант классического двущелевого опыта Юнга, доказавшего волновую природу света. По Юнгу пучок света направляется на перегородку с двумя узкими щелями. При этом размер каждой щели примерно соответствует длине волны излучаемого света. Проходя сквозь щели, свет попадает на проекционный экран позади. Если бы фотоны проявляли исключительно корпускулярные свойства, то на экране были бы два ярко освещенных участка позади щелей и темный участок между ними. В то же время, если фотоны проявляют волновые свойства, то каждая щель становится вторичным источником волн. Эти волны интерферируют, и вместо двух освещенных полос, возникает множество светлых и темных зон на проекционном экране. Причем один из локальных максимумов освещенности находится там, где  должно быть темное место (в случае, если бы фотон был только частицей).

Казалось бы, волновая природа света экспериментально доказана, однако, математически это значило, что фотон одновременно проходит через обе щели. Тогда физики попытались, посредством измерения, определить — через какую щель в действительности пролетает один фотон. Выяснилось, что в случае наблюдения фотон вновь начал действовать как частица, как если бы «знал», что за ним наблюдают. Факт наблюдения словно разрушает волновую функцию. И наоборот, как только наблюдения нет, фотон вновь начинает интерферировать сам с собой, действуя как волна.

Констатируя экспериментально наблюдаемый корпускулярно-волновой дуализм, Нильс Бор постулировал принцип дополнительности. Он гласит, что если наблюдатель измеряет свойства квантового объекта как частицы, то он ведет себя как частица. Если же измеряются его волновые свойства, то для наблюдателя он ведет себя как волна. Поэтому для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два, казалось бы, противоречащих друг другу представления, которые, в итоге, оказываются взаимно дополняющими, что и отражено в названии принципа. 

Чтобы преодолеть это противоречие и проверить эффект наблюдателя Уилер предложил использовать интерферометр Маха – Цандера. Он состоит из четырех зеркал. Первое расщепляет поток света на два пучка, которые затем отражаются от двух непрозрачных зеркал и сводятся вновь вместе в четвертом зеркале.  По двум сторонам от него стоят детекторы. Фотоны необходимо выпускать по одному.

Одиночный фотон как бы расщепляется на два в первом зеркале, или, иными словами, проявляет волновые свойства.  Затем он отражается от двух идеальных зеркал, вновь интерферирует сам с собой в четвертом полупрозрачном зеркале, и наконец попадает в один из детекторов. Для каждого конкретного фотона срабатывает только один из детекторов, но если повторять опыт много раз, получится некоторое нетривиальное соотношение отсчетов двух детекторов. Это соотношение показывает, что частица, достигнув четвертого зеркала, ведет себя как волна. Если же четвертое зеркало убрать, то соотношение между срабатываниями будет 50:50. Это выглядит так, как будто в момент первого расщепления частица уже «решила», по какому пути она пойдет.

Идея Уилера заключалась в том, чтобы появление в схеме четвертого зеркала решалось посредством генератора случайных чисел  уже после того, как фотон вошел в интерферометр, но до того, как его поглотил один из детекторов – так называемый отложенный выбор. Таким образом, экспериментаторы лишали бы фотон возможности «узнать», производится ли наблюдение или нет, и тем самым определить свое «поведение» – предстать частицей или волной. Впервые эту гипотетическую схему удалось реализовать лишь в 2007 году.

В новом исследовании австралийские физики использовали более массивные частицы – атомы, тем самым протестировав экспериментальную схему Уилера в совершенно новых условиях.

Ученые использовали сверххолодные атомы гелия, выпуская их поодиночке из оптической дипольной ловушки. Под действием гравитации атомы начинали падать в специальный детектор в виде микроканальной пластины. Спустя миллисекунду после начала падения лазерный луч «ударял» по атому, заставляя его занять суперпозицию двух дипольных  моментов, направленных в разные стороны. Это был аналог «первого расщепляющего зеркала» Уилера.

Затем ученые решали – применить ли им второй лазерный импульс, для рекомбинации этих двух состояний. Всего могло быть два варианта такого смешанного состояния: первое в виде суммы двух волн и второе в виде разности. Какое из них возникнет, определял квантовый генератор случайных чисел. После применения второго лазерного импульса уже нельзя было определенно сказать — в каком из двух состояний находится атом. Всего таких экспериментальных проб было совершено больше тысячи. 

Выяснилось, что если второй лазерный импульс не применялся, то вероятность детекции каждого из дипольных моментов равнялась 0,5. В то же время, после воздействия второго лазерного импульса наблюдалась четкая картина интерференции, выраженной в виде синусоиды, так же как и в опыте Юнга.

Таким образом, подтвердилось предположение Нильса Бора о том, что не имеет смысла приписывать то или иное поведение частицам – как волны или как собственно частицы — до того как было произведено измерение. Впрочем, существует еще одно маловероятное объяснение, что частицы каким-то образом получают информацию из будущего. Оно предполагает, что информация может передаваться быстрее света, что невозможно с точки зрения теории относительности.

Короткая ссылка на эту страницу https://bit.ly/3UqHvaM