Двухщелевой эксперимент - Double-slit experiment

«Щелевой эксперимент» перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. Дифракция.
Фотоны или частицы вещества (например, электрон) создают волновую картину, когда используются две щели.
Свет от зеленого лазера проходит через две щели шириной 0,4 мм и 0,1 мм друг от друга.

В современная физика, то двухщелевой эксперимент это демонстрация того, что свет и материя могут отображать характеристики как классически определенных волн, так и частиц; более того, он показывает принципиально вероятностный характер квантово-механический явления. Впервые этот тип эксперимента с использованием света был проведен Томас Янг в 1801 году, как демонстрация волнового поведения света. В то время считалось, что свет состоит из либо волны или же частицы. С появлением современной физики, примерно сто лет спустя, стало ясно, что свет может показывать поведение, характерное для обе волны и частицы. В 1927 г. Дэвиссон и Гермер продемонстрировали, что электроны демонстрируют такое же поведение, которое позже было распространено на атомы и молекулы.[1][2] Эксперимент Томаса Янга со светом был частью классическая физика задолго до квантовой механики, и концепция волновая дуальность. Он считал, что это продемонстрировало, что волновая теория света был правильным, и его эксперимент иногда называют Эксперимент Юнга[3] или щели Янга.

Эксперимент принадлежит к общему классу экспериментов по «двойному пути», в которых волна разбивается на две отдельные волны, которые позже объединяются в одну волну. Изменение длины пути обеих волн приводит к сдвиг фазы, создавая картина интерференции. Другая версия - это Интерферометр Маха – Цендера, которая разделяет луч зеркалом.

Часть серии на
Квантовая механика
Эксперименты

В базовой версии этого эксперимента когерентный источник света, например лазер Луч, освещает пластину, пронизанную двумя параллельными щелями, и свет, проходящий через щели, наблюдается на экране позади пластины.[4][5] Волновая природа света заставляет световые волны, проходящие через две щели, вмешиваться, создавая яркие и темные полосы на экране - результат, которого нельзя было бы ожидать, если бы свет состоял из классических частиц.[4][6] Однако всегда обнаруживается, что свет поглощается экраном в отдельных точках в виде отдельных частиц (а не волн); картина интерференции проявляется в различной плотности попадания этих частиц на экран.[7] Кроме того, версии эксперимента, включающие детекторы на щелях, обнаруживают, что каждый обнаруженный фотон проходит через одну щель (как классическая частица), а не через обе щели (как волна).[8][9][10][11][12] Тем не мение, такие эксперименты демонстрируют, что частицы не образуют интерференционной картины, если определить, через какую щель они проходят. Эти результаты демонстрируют принцип дуальность волна-частица.[13][14]

Другие сущности атомарного масштаба, такие как электроны, обнаружено, что они демонстрируют такое же поведение при стрельбе в направлении двойной щели.[5] Кроме того, обнаружение отдельных дискретных ударов по своей природе является вероятностным, что необъяснимо, если использовать классическая механика.[5]

Эксперимент может быть проведен с объектами, намного крупнее электронов и фотонов, хотя с увеличением размера это становится труднее. Наиболее крупными объектами, для которых проводился эксперимент с двумя щелями, были молекулы каждый состоял из 810 атомов (общая масса которых превышала 10 000 атомные единицы массы ).[1][2]

Двухщелевой эксперимент (и его варианты) стал классикой мысленный эксперимент, за ясность в выражении центральных загадок квантовой механики. Поскольку это демонстрирует фундаментальное ограничение способности наблюдателя предсказывать экспериментальные результаты, Ричард Фейнман назвал это «феноменом, который невозможно [...] объяснить ни в какой классический способ, и в этом суть квантовой механики. На самом деле в нем заключена единственная загадка [квантовой механики] ».[5]

Численное моделирование двухщелевого эксперимента с электронами. Рисунок слева: эволюция (слева направо) интенсивности электронного пучка на выходе из щелей (слева) до экрана обнаружения, расположенного на 10 см после щелей (справа). Чем выше важна интенсивность, тем больше цвет становится голубым - Рисунок в центре: удары электронов, наблюдаемые на экране - Рисунок справа: интенсивность электронов в дальнее поле приближение (на экране). Численные данные эксперимента Клауса Йёнссона (1961). Фотоны, атомы и молекулы следуют аналогичной эволюции.

Обзор

Та же сборка с двумя прорезями (0,7 мм между прорезями); на верхнем изображении одна щель закрыта. На изображении с одной щелью дифракционная картина (слабые пятна по обе стороны от основной полосы) формируются из-за ненулевой ширины щели. Эта дифракционная картина также видна на изображении с двумя щелями, но с множеством более мелких интерференционных полос.

Если свет состоял строго из обычных или классический частиц, и эти частицы выстреливались по прямой линии через щель и попадали в экран с другой стороны, мы ожидали увидеть узор, соответствующий размеру и форме щели. Однако, когда фактически проводится этот «эксперимент с одной щелью», узор на экране выглядит как дифракционная картина в котором распространяется свет. Чем меньше щель, тем больше угол раскрытия. Верхняя часть изображения показывает центральную часть рисунка, образующегося, когда красный лазер освещает щель и, если внимательно присмотреться, две слабые боковые полосы. На более совершенном аппарате можно увидеть больше полос. Дифракция объясняет узор как результат интерференции световых волн из щели.

Моделирование волновой функции частицы: эксперимент с двойной щелью. Белое размытие представляет волну. Чем белее пиксель, тем выше вероятность обнаружения частицы в этом месте при измерении.

Если осветить две параллельные щели, свет из двух щелей снова будет мешать. Здесь интерференция представляет собой более выраженный узор с чередующимися светлыми и темными полосами. Ширина полос - это свойство частоты освещающего света.[15] (См. Нижнюю фотографию справа.) Когда Томас Янг (1773–1829) впервые продемонстрировали это явление, указав, что свет состоит из волн, поскольку распределение яркости можно объяснить чередованием аддитивной и вычитающей интерференции волновые фронты.[5] Эксперимент Юнга, проведенный в начале 1800-х годов, сыграл жизненно важную роль в принятии волновой теории света, победив корпускулярная теория света предложено Исаак Ньютон, которая была общепринятой моделью распространения света в 17-18 веках. Однако более позднее открытие фотоэлектрический эффект продемонстрировали, что при разных обстоятельствах свет может вести себя так, как будто он состоит из дискретных частиц. Эти, казалось бы, противоречивые открытия заставили выйти за рамки классической физики и принять квант Учитывать природу света.

Фейнман любил говорить, что всю квантовую механику можно почерпнуть из тщательного обдумывания последствий этого единственного эксперимента.[16] Он также предположил (в качестве мысленного эксперимента), что если детекторы размещать перед каждой щелью, интерференционная картина исчезнет.[17]

В Соотношение двойственности Энглерта – Гринбергера обеспечивает подробное рассмотрение математики двухщелевой интерференции в контексте квантовой механики.

Эксперимент с двойной щелью низкой интенсивности был впервые проведен Г. И. Тейлор в 1909 г.,[18] за счет уменьшения уровня падающего света до тех пор, пока события испускания / поглощения фотонов в основном не перекрываются.Эксперимент с двумя щелями не проводился ни с чем, кроме света до 1961 года, когда Клаус Йёнссон из Тюбингенский университет выполняли это с помощью электронных лучей.[19][20] В 1974 году итальянские физики Пьер Джорджо Мерли, Джан Франко Миссироли и Джулио Поцци повторил эксперимент, используя одиночные электроны и бипризму (вместо щелей), показывая, что каждый электрон мешает сам себе, как предсказывает квантовая теория.[21][22] В 2002 году одноэлектронная версия эксперимента была признана читателями журнала "самым красивым экспериментом". Мир физики.[23]

В 2012 году Стефано Фраббони и его сотрудники в конечном итоге провели эксперимент с двумя щелями с электронами и настоящими щелями, следуя оригинальной схеме, предложенной Фейнманом. Они отправляли одиночные электроны на щели, изготовленные из нанотехнологий (шириной около 100 нм), и, собирая прошедшие электроны с помощью одноэлектронного детектора, они могли показать нарастание интерференционной картины с двумя щелями.[24]

В 2019 году Марко Джаммарчи и его коллеги продемонстрировали интерференцию отдельных частиц для антивещества.[25]

Варианты эксперимента

Интерференция отдельных частиц

Накопление электронов с течением времени

Важная версия этого эксперимента включает отдельные частицы (или волны - для единообразия они здесь называются частицами). Отправка частиц через устройство с двойной щелью по одной приводит к появлению на экране отдельных частиц, как и ожидалось. Примечательно, однако, что картина интерференции возникает, когда этим частицам позволяют собираться одна за другой (см. Соседнее изображение). Это демонстрирует дуальность волна-частица, в котором говорится, что вся материя проявляет как волновые свойства, так и свойства частицы: частица измеряется как одиночный импульс в одном месте, а волна описывает вероятность поглощения частицы в определенном месте на экране.[26] Было показано, что это явление происходит с фотонами, электронами, атомами и даже некоторыми молекулами, включая Buckyballs.[27][28][29][30][31] Таким образом, эксперименты с электронами добавляют подтверждающие доказательства к мнению о том, что электроны, протоны, нейтроны и даже более крупные объекты, которые обычно называют частицами, тем не менее, имеют свою собственную волновую природу и даже длину волны (связанную с их импульсом).

Вероятность обнаружения равна квадрату амплитуды волны и может быть рассчитана с помощью классических волн (см. ниже ). Частицы не попадают на экран в предсказуемом порядке, поэтому знание того, где все предыдущие частицы появились на экране и в каком порядке, ничего не говорит о том, где будет обнаружена будущая частица.[32] Если в какой-то момент происходит гашение волн, это не означает, что частица исчезает; он появится где-нибудь еще. С момента зарождения квантовой механики некоторые теоретики искали способы включить дополнительные детерминанты или "скрытые переменные "которые, если они станут известны, будут учитывать местоположение каждого отдельного удара с целью.[33]

Более сложные системы, которые включают две или более частицы в суперпозиции, не поддаются приведенному выше объяснению.[34]

Эксперименты "в какую-то сторону" и принцип дополнительности

Известный мысленный эксперимент предсказывает, что если детекторы частиц расположены в щелях, показывая, через какую щель проходит фотон, интерференционная картина исчезнет.[5] Этот эксперимент в какую сторону иллюстрирует взаимодополняемость принцип, согласно которому фотоны могут вести себя как частицы или как волны, но не могут наблюдаться как оба одновременно.[35][36][37]Несмотря на важность этого мысленного эксперимента в истории квантовой механики (например, см. Обсуждение на Версия этого эксперимента Эйнштейна ) технически осуществимые реализации этого эксперимента не предлагались до 1970-х годов.[38] (Наивные реализации учебника Gedanken эксперимент невозможен, потому что фотоны не могут быть обнаружены без поглощения фотона.) В настоящее время было выполнено множество экспериментов, иллюстрирующих различные аспекты дополнительности.[39]

Эксперимент 1987 г.[40][41] дала результаты, которые продемонстрировали, что можно получить информацию о том, по какому пути прошла частица, без полного уничтожения интерференции. Это показало эффект измерений, который в меньшей степени возмущал частицы при прохождении и, таким образом, влиял на картину интерференции только в сопоставимой степени. Другими словами, если кто-то не настаивает на том, чтобы метод, используемый для определения, через какую щель проходит каждый фотон, был полностью надежным, он все равно может обнаружить (ухудшенную) интерференционную картину.[42]

Варианты отложенного выбора и квантового ластика

Основная статья: Квантовый ластик с отложенным выбором
Эксперимент Уиллера с отложенным выбором
Схема эксперимента Уиллера с отложенным выбором, показывающая принцип определения пути фотона после его прохождения через щель.

Эксперименты Уиллера с отложенным выбором продемонстрировать, что извлечение информации о том, «какой путь» после того, как частица проходит через щели, может задним числом изменить ее предыдущее поведение на щелях.

Квантовый ластик Эксперименты показывают, что волновое поведение можно восстановить, удалив или иным образом сделав навсегда недоступной информацию о том, "какой путь".

Простая иллюстрация феномена квантового ластика «сделай это дома» была дана в статье в Scientific American.[43] Если установить поляризаторы перед каждой щелью с их осями, ортогональными друг другу, интерференционная картина будет устранена. Поляризаторы можно рассматривать как вводящие информацию о пути для каждого луча. Размещение третьего поляризатора перед детектором с осью 45 ° относительно других поляризаторов «стирает» эту информацию, позволяя вновь появиться интерференционной картине. Это также можно объяснить, если рассматривать свет как классическую волну,[43]:91 а также при использовании круговых поляризаторов и одиночных фотонов.[44]:6 Реализации поляризаторов с использованием запутанный фотонные пары не имеют классического объяснения.[44]

Слабое измерение

Основная статья: Слабое измерение

В ходе получившего широкую огласку эксперимента в 2012 году исследователи заявили, что определили путь, по которому прошла каждая частица, без каких-либо неблагоприятных последствий для интерференционной картины, создаваемой частицами.[45] Для этого они использовали такую ​​установку, что частицы приходили на экран не из точечного источника, а из источника с двумя максимумами интенсивности. Однако такие комментаторы, как Свенссон,[46] указали, что на самом деле нет конфликта между слабые измерения выполненный в этом варианте двухщелевого эксперимента и Принцип неопределенности Гейзенберга. Слабые измерения с последующим последующим отбором не позволяли одновременно измерять положение и импульс для каждой отдельной частицы, но, скорее, позволяли измерять среднюю траекторию частиц, прибывших в разные положения. Другими словами, экспериментаторы создавали статистическую карту ландшафта полной траектории.[46]

Другие варианты

Лабораторный двухщелевой агрегат; расстояние между верхними стойками примерно 2,5 см (один дюйм).
Картины распределения интенсивности в ближней зоне для плазмонных щелей с одинаковой шириной (A) и неравной шириной (B).

В 1967 году Пфлегор и Мандель продемонстрировали интерференцию двух источников, используя два отдельных лазера в качестве источников света.[47][48]

Экспериментально в 1972 году было показано, что в системе с двумя щелями, где в любой момент времени была открыта только одна щель, тем не менее наблюдалась интерференция при условии, что разница в пути была такой, что зарегистрированный фотон мог исходить из любой щели.[49][50] Условия эксперимента были таковы, что плотность фотонов в системе была намного меньше единицы.

В 1999 г. был успешно проведен эксперимент с двумя щелями с молекулами бакибола (каждая из которых содержит 60 атомов углерода).[28][51] Бакиболл достаточно большой (диаметр около 0,7нм, почти в полмиллиона раз больше, чем протон), которые можно увидеть под электронный микроскоп.

В 2005 году Э. Р. Элиэль представил экспериментальное и теоретическое исследование оптического пропускания тонкого металлического экрана, перфорированного двумя субволновыми щелями, разделенными множеством оптических длин волн. Показано, что общая интенсивность диаграммы с двумя щелями в дальней зоне уменьшается или увеличивается в зависимости от длины волны падающего светового луча.[52]

В 2012 году исследователи из Университет Небраски – Линкольн провели эксперимент с двумя щелями с электронами, как описано Ричард Фейнман, используя новые инструменты, которые позволили контролировать пропускание двух щелей и отслеживать события обнаружения одного электрона. Электроны запускались электронной пушкой и проходили через одну или две щели 62 нм шириной и высотой 4 мкм.[53]

В 2013 году эксперимент с двумя щелями был успешно проведен с молекулами, каждая из которых состояла из 810 атомов (общая масса которых превышала 10000 атомные единицы массы ).[1][2] Рекорд был поднят до 2000 атомов (25000 а.е.м.) в 2019 году.[54]

Гидродинамические аналоги пилотной волны

Гидродинамические аналоги были разработаны, которые могут воссоздать различные аспекты квантово-механических систем, включая интерференцию одиночных частиц через двойную щель.[55] Капля силиконового масла, отскакивая от поверхности жидкости, самодвижется за счет резонансного взаимодействия с собственным волновым полем. Капля мягко разбрызгивает жидкость при каждом отскоке. В то же время рябь от прошлых отскоков влияет на его курс. Взаимодействие капли с ее собственными волнами, которые образуют так называемый пилотная волна, заставляет его проявлять поведение, которое ранее считалось характерным для элементарных частиц, включая поведение, которое обычно принималось как доказательство того, что элементарные частицы распространяются в пространстве, как волны, без какого-либо конкретного местоположения, пока они не будут измерены.[56][57]

Поведение, имитируемое с помощью этой гидродинамической системы пилот-волн, включает квантовую дифракцию одиночных частиц,[58] туннелирование, квантованные орбиты, расщепление орбитальных уровней, спин и мультимодальная статистика. Также можно вывести отношения неопределенности и принципы исключения. Доступны видеоролики, иллюстрирующие различные функции этой системы. (См. Внешние ссылки.)

Однако более сложные системы, которые включают две или более частицы в суперпозиции, не поддаются такому простому, классически интуитивному объяснению.[34] Соответственно, гидродинамический аналог запутывания не разработан.[55] Тем не менее возможны оптические аналоги.[59]

Формулировка классической волновой оптики

Двухщелевая дифракционная картина на плоской волне
Фотография двухщелевой интерференции солнечного света.
Две щели освещаются плоской волной.

Большая часть поведения света может быть смоделирована с помощью классической теории волн. В Принцип Гюйгенса – Френеля одна из таких моделей; в нем говорится, что каждая точка на волновом фронте генерирует вторичный вейвлет, и что возмущение в любой последующей точке может быть найдено с помощью подведение итогов вклад отдельных вейвлетов в этот момент. При этом суммировании необходимо учитывать фаза так же хорошо как амплитуда отдельных вейвлетов. Только интенсивность светового поля можно измерить - оно пропорционально квадрату амплитуды.

В эксперименте с двойной щелью две щели освещаются одним лазерным лучом. Если ширина прорезей достаточно мала (меньше длины волны лазерного света), прорези рассеивают свет на цилиндрические волны. Эти два цилиндрических волновых фронта накладываются друг на друга, и амплитуда, а следовательно, и интенсивность в любой точке объединенных волновых фронтов зависит как от величины, так и от фазы двух волновых фронтов. Разница в фазе между двумя волнами определяется разницей в расстоянии, пройденном двумя волнами.

Если расстояние просмотра велико по сравнению с расстоянием между щелями ( дальнее поле ), разность фаз можно найти, используя геометрию, показанную на рисунке внизу справа. Разница в пути между двумя волнами, бегущими под углом θ дан кем-то:

Где d - расстояние между двумя прорезями. Когда две волны находятся в фазе, то есть разность хода равна целому числу длин волн, суммарная амплитуда и, следовательно, суммарная интенсивность максимальны, а когда они находятся в противофазе, то есть разность хода равна половине длина волны, полторы длины волны и т. д., тогда две волны компенсируются и суммарная интенсивность равна нулю. Этот эффект известен как вмешательство. Максимумы интерференционных полос возникают при углах

где λ - длина волны света. Угловой шаг полос, θж, дан кем-то

Шаг бахромы на расстоянии z из щелей дается

Например, если две прорези разделены 0,5 мм (d) и подсвечиваются 0,6 мкм длина волны лазера (λ), то на расстоянии 1 м (z) шаг бахромы составит 1,2 мм.

Если ширина прорезей б больше длины волны, Фраунгофера дифракция уравнение дает интенсивность дифрагированного света как:[60]

Где функция sinc определяется как sinc (Икс) = грех (Икс)/Икс за Икс ≠ 0 и sinc (0) = 1.

Это проиллюстрировано на рисунке выше, где первая диаграмма - дифракционная картина одиночной щели, заданная грех функция в этом уравнении, а второй рисунок показывает объединенную интенсивность света, дифрагированного от двух щелей, где потому что функция представляет собой тонкую структуру, а более грубая структура представляет дифракцию на отдельных щелях, как описано грех функция.

Аналогичные расчеты для ближнее поле можно сделать с помощью Дифракция Френеля уравнение. По мере того, как плоскость наблюдения приближается к плоскости, в которой расположены щели, дифракционные картины, связанные с каждой щелью, уменьшаются в размере, так что область, в которой возникает интерференция, уменьшается, и может полностью исчезнуть, когда нет перекрытия в две дифрагированные картины.[61]

Интерпретации эксперимента

Словно Кот Шредингера мысленный эксперимент, эксперимент с двумя щелями часто используется, чтобы подчеркнуть различия и сходства между различными интерпретации квантовой механики.

Копенгагенская интерпретация

В Копенгагенская интерпретация, выдвинутый некоторыми из пионеров в области квантовой механики, утверждает, что нежелательно постулировать что-либо, выходящее за рамки математических формул и видов физических устройств и реакций, которые позволяют нам получить некоторые знания о том, что происходит в атомный масштаб. Одна из математических конструкций, которая позволяет экспериментаторам очень точно предсказать определенные экспериментальные результаты, иногда называется волной вероятности. По своей математической форме это аналогично описанию физической волны, но ее «гребни» и «впадины» указывают уровни вероятности возникновения определенных явлений (например, искры света в определенной точке на экране детектора) что можно наблюдать в макромире обычного человеческого опыта.

О вероятности «волны» можно сказать, что она «проходит через пространство», потому что значения вероятности, которые можно вычислить из ее математического представления, зависят от времени. Нельзя говорить о местонахождении какой-либо частицы, такой как фотон, между моментом его испускания и моментом его обнаружения просто потому, что для того, чтобы сказать, что что-то находится где-то в определенное время, нужно это обнаружить. Требование для возможного появления интерференционной картины состоит в том, чтобы частицы испускались, и чтобы имелся экран с по крайней мере двумя различными путями, по которым частица должна пройти от излучателя к экрану обнаружения. Эксперименты ничего не наблюдают между моментом испускания частицы и ее прибытием на экран обнаружения. Если затем трассировка лучей выполняется так, как если бы световая волна (как это понимается в классической физике) была достаточно широкой, чтобы пройти оба пути, то эта трассировка лучей будет точно предсказывать появление максимумов и минимумов на экране детектора, когда много частиц проходят через аппарата и постепенно «раскрашиваем» ожидаемую интерференционную картину.

Формулировка интеграла по путям

Один из бесконечного числа равновероятных путей, используемых в интеграле по путям Фейнмана (см. Также: Винеровский процесс )

Копенгагенская интерпретация похожа на формулировка интеграла по путям квантовой механики, предоставленной Фейнманом. Формулировка интеграла по путям заменяет классическое понятие единой уникальной траектории системы суммой по всем возможным траекториям. Траектории складываются вместе с помощью функциональная интеграция.

Каждый путь считается равновероятным и, следовательно, вносит одинаковую сумму. Тем не менее фаза этого вклада в любой заданной точке на пути определяется действие по пути:

Затем все эти вклады складываются, и величина конечного результата в квадрате, чтобы получить распределение вероятностей для положения частицы:

Как всегда бывает при расчете вероятность, тогда результаты должны быть нормализованный путем навязывания:

Подводя итог, можно сказать, что распределение вероятности результата - это нормализованный квадрат нормы суперпозиция, по всем путям от исходной точки до конечной точки волны распространение пропорционально к действию на каждом пути. Различия в кумулятивном действии на разных путях (и, следовательно, относительные фазы вкладов) дают картина интерференции наблюдается в эксперименте с двумя щелями. Фейнман подчеркнул, что его формулировка - это просто математическое описание, а не попытка описать реальный процесс, который мы можем измерить.

Реляционная интерпретация

Момент неопределенности
Пример принципа неопределенности, связанный с реляционной интерпретацией. Чем больше известно о положении частицы, тем меньше известно о скорости, и наоборот.

Согласно реляционная интерпретация квантовой механики, впервые предложенный Карло Ровелли,[62] наблюдения, подобные тем, что проводились в эксперименте с двумя щелями, являются результатом взаимодействия между наблюдатель (измерительное устройство) и наблюдаемый объект (с которым происходит физическое взаимодействие), а не какое-либо абсолютное свойство, которым обладает объект. В случае электрона, если он изначально «наблюдается» на определенной щели, то взаимодействие наблюдателя с частицей (фотон-электрон) включает информацию о положении электрона. Это частично ограничивает возможное расположение частицы на экране. Если он «наблюдается» (измеряется с помощью фотона) не в конкретной щели, а, скорее, на экране, то в процессе взаимодействия отсутствует информация о «каком пути», поэтому определяется «наблюдаемое» положение электрона на экране. строго по функции вероятности. Это делает результирующий узор на экране таким же, как если бы каждый отдельный электрон прошел через обе щели. Также высказывалось предположение, что пространство и расстояние сами по себе являются относительными, и что электрон может казаться «одновременно в двух местах» - например, в обеих щелях, - потому что его пространственные отношения к определенным точкам на экране остаются идентичными в обоих случаях. места прорези.[63]

Интерпретация многих миров

Физик Дэвид Дойч аргументирует в своей книге Ткань реальности что эксперимент с двумя щелями свидетельствует о многомировая интерпретация. Однако, поскольку каждая интерпретация квантовой механики эмпирически неразличима, некоторые ученые скептически относятся к этому утверждению.

Теория де Бройля – Бома

Бомовские траектории
Траектории частиц по теории Де Бройля – Бома в эксперименте с двумя щелями.

Альтернатива стандартному пониманию квантовой механики - Теория де Бройля – Бома утверждает, что частицы всегда имеют точное местоположение и что на их скорости влияет волновая функция. Таким образом, хотя отдельная частица будет проходить через одну конкретную щель в эксперименте с двумя щелями, так называемая «пилотная волна», которая влияет на нее, будет проходить через обе. Две щелевые траектории де Бройля-Бома были впервые рассчитаны Крисом Дьюдни во время работы с Крисом Филиппидисом и Бэзилом Хили в колледже Биркбек (Лондон).[64] Теория де Бройля-Бома дает те же статистические результаты, что и стандартная квантовая механика, но обходится без многих ее концептуальных трудностей.[65]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c "Физики побили рекорд двойственности частиц и волн "
  2. ^ а б c Эйбенбергер, Сандра; и другие. (2013). «Интерференция волны материи с частицами, выбранными из молекулярной библиотеки, с массами, превышающими 10000 а.е.м.». Физическая химия Химическая физика. 15 (35): 14696–14700. arXiv:1310.8343. Bibcode:2013PCCP ... 1514696E. Дои:10.1039 / C3CP51500A. PMID  23900710. S2CID  3944699.
  3. ^ Хотя нет сомнений в том, что демонстрация Юнга оптической интерференции с использованием солнечного света, отверстий и карточек сыграла жизненно важную роль в принятии волновой теории света, есть некоторый вопрос, проводил ли он когда-либо эксперимент по интерференции с двумя щелями. .
  4. ^ а б Ледерман, Леон М .; Кристофер Т. Хилл (2011). Квантовая физика для поэтов. США: Книги Прометея. С. 102–111. ISBN  978-1616142810.
  5. ^ а б c d е ж Фейнман, Ричард П .; Роберт Б. Лейтон; Мэтью Сэндс (1965). Лекции Фейнмана по физике, Vol. 3. Эддисон-Уэсли. С. 1.1–1.8. ISBN  978-0201021189.
  6. ^ Фейнман, 1965, с. 1.5
  7. ^ Дорогой, Дэвид (2007). «Дуальность волна – частица». Интернет-энциклопедия науки. Миры Дэвида Дарлинга. Получено 18 октября 2008.
  8. ^ Фейнман, 1965, с. 1,7
  9. ^ Леон Ледерман; Кристофер Т. Хилл (27 сентября 2011 г.). Квантовая физика для поэтов. Книги Прометея, Издательства. п. 109. ISBN  978-1-61614-281-0.
  10. ^ "... если в эксперименте с двумя щелями детекторы, регистрирующие исходящие фотоны, размещаются сразу за диафрагмой с двумя щелями: фотон регистрируется в одном детекторе, а не в обоих ..." Мюллер-Кирстен, Х. Дж. У. (2006). Введение в квантовую механику: уравнение Шредингера и интеграл по траекториям. США: World Scientific. п. 14. ISBN  978-981-2566911.
  11. ^ Плотницкий, Аркадий (2012). Нильс Бор и дополнительность: введение. США: Springer. С. 75–76. ISBN  978-1461445173.
  12. ^ "Кажется, что свет проходит через одну или другую щель в форме фотонов, если мы ставим эксперимент, чтобы обнаружить, через какую щель проходит фотон, но проходит через обе щели в форме волны, если мы проводим интерференционный эксперимент." Рэй, Аластер И.М. (2004). Квантовая физика: иллюзия или реальность?. Великобритания: Издательство Кембриджского университета. С. 9–10. ISBN  978-1139455275.
  13. ^ Фейнман, Лекции Фейнмана по физике, 3: Квантовая механика с.1-1 «Но есть один счастливый случай - электроны ведут себя точно так же, как свет».
  14. ^ Видеть: Эксперимент Дэвиссона-Гермера Дэвиссон, К. Дж. (1928). «Дифракция электронов на кристалле никеля». Технический журнал Bell System. 7: 90–105. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1928.tb00342.x.
  15. ^ Чарльз Сандерс Пирс впервые предложил использовать этот эффект в качестве независимого от артефакта эталонного стандарта для длина
    • К.С. Пирс (июль 1879 г.). «Заметка о ходе экспериментов по сравнению длины волны с измерителем». Американский журнал науки, на что ссылается Crease, Robert P. (2011). Мир в равновесии: исторический поиск абсолютной системы измерения. Нью-Йорк: W.W. Нортон. п. 317. ISBN  978-0-393-07298-3. п. 203.
  16. ^ Грин, Брайан (1999). Элегантная вселенная: суперструны, скрытые измерения и поиски окончательной теории. Нью-Йорк: W.W. Нортон. стр.97–109. ISBN  978-0-393-04688-5.
  17. ^ Фейнман, 1965, глава 3
  18. ^ Сэр Джеффри, Ингрэм Тейлор (1909). «Интерференция с тусклым светом». Проф. Кам. Фил. Soc. 15: 114.
  19. ^ Йёнссон, Клаус (1 августа 1961 г.). "Elektroneninterferenzen an mehreren künstlich hergestellten Feinspalten". Zeitschrift für Physik (на немецком). 161 (4): 454–474. Bibcode:1961ZPhy..161..454J. Дои:10.1007 / BF01342460. ISSN  0044-3328. S2CID  121659705.
  20. ^ Йёнссон, Клаус (1 января 1974 г.). «Дифракция электронов на множественных щелях». Американский журнал физики. 42 (1): 4–11. Bibcode:1974AmJPh..42 .... 4J. Дои:10.1119/1.1987592. ISSN  0002-9505.
  21. ^ Мерли, П. Дж .; Missiroli, GF; Поцци, Г. (1976). «О статистическом аспекте явления электронной интерференции». Американский журнал физики. 44 (3): 306–307. Bibcode:1976AmJPh..44..306M. Дои:10.1119/1.10184.
  22. ^ Роза, Р. (2012). «Эксперимент Мерли – Миссироли – Поцци с двумя щелями по электронной интерференции». Физика в перспективе. 14 (2): 178–194. Bibcode:2012ФП .... 14..178Р. Дои:10.1007 / s00016-011-0079-0. ЧВК  4617474. PMID  26525832.
  23. ^ «Самый красивый эксперимент». Мир физики 2002 | ссылка мертва.
  24. ^ Фраббони, Стефано; Габриэлли, Алессандро; Карло Газзади, Джан; Джорджи, Филиппо; Маттеуччи, Джорджио; Поцци, Джулио; Чезари, Никола Семприни; Вилла, Мауро; Зокколи, Антонио (май 2012 г.). «Эксперимент Юнга-Фейнмана с двумя щелями с одиночными электронами: построение интерференционной картины и распределения времени прихода с использованием детектора пикселей с быстрым считыванием». Ультрамикроскопия. 116: 73–76. Дои:10.1016 / j.ultramic.2012.03.017. ISSN  0304-3991.
  25. ^ Sala, S .; Арига, А .; Ereditato, A .; Ferragut, R .; Giammarchi, M .; Leone, M .; Pistillo, C .; Скамполи, П. (2019). «Первая демонстрация волновой интерферометрии антивещества». Достижения науки. 5 (5): eaav7610. Bibcode:2019SciA .... 5.7610S. Дои:10.1126 / sciadv.aav7610. ЧВК  6499593. PMID  31058223.
  26. ^ Грин, Брайан (2007). Ткань космоса: пространство, время и фактура реальности. ООО Рэндом Хаус. п. 90. ISBN  978-0-307-42853-0.
  27. ^ Донати, О; Missiroli, GF; Поцци, G (1973). "An Experiment on Electron Interference". Американский журнал физики. 41 (5): 639–644. Bibcode:1973AmJPh..41..639D. Дои:10.1119/1.1987321.
  28. ^ а б New Scientist: Quantum wonders: Corpuscles and buckyballs, 2010 (Introduction, subscription needed for full text, quoted in full in [1] В архиве 25 September 2017 at the Wayback Machine )
  29. ^ Wave Particle Duality of C60 В архиве 31 марта 2012 г. Wayback Machine
  30. ^ lNairz, Olaf; Brezger, Björn; Arndt, Markus; Anton Zeilinger, Abstract (2001). "Diffraction of Complex Molecules by Structures Made of Light". Phys. Rev. Lett. 87 (16): 160401. arXiv:quant-ph/0110012. Bibcode:2001PhRvL..87p0401N. Дои:10.1103/physrevlett.87.160401. PMID  11690188. S2CID  21547361.
  31. ^ Nairz, O; Arndt, M; Zeilinger, A (2003). "Quantum interference experiments with large molecules" (PDF). Американский журнал физики. 71 (4): 319–325. Bibcode:2003AmJPh..71..319N. Дои:10.1119/1.1531580. Архивировано из оригинал (PDF) 8 августа 2017 г.. Получено 4 июн 2015.
  32. ^ Brian Greene, Элегантная Вселенная, п. 104, pp. 109–114
  33. ^ Greene, Brian (2004). The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality. Кнопф. стр.204–213. Bibcode:2004fcst.book.....G. ISBN  978-0-375-41288-2.
  34. ^ а б Baggott, Jim (2011). The Quantum Story: A History in 40 Moments. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. pp. 76. ("The wavefunction of a system containing N particles depends on 3N position coordinates and is a function in a 3N-dimensional configuration space or 'phase space'. It is difficult to visualize a reality comprising imaginary functions in an abstract, multi-dimensional space. No difficulty arises, however, if the imaginary functions are not to be given a real interpretation.")
  35. ^ Harrison, David (2002). "Complementarity and the Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics". UPSCALE. Dept. of Physics, U. of Toronto. Получено 21 июн 2008.
  36. ^ Cassidy, David (2008). "Quantum Mechanics 1925–1927: Triumph of the Copenhagen Interpretation". Вернер Гейзенберг. Американский институт физики.
  37. ^ Boscá Díaz-Pintado, María C. (29–31 March 2007). "Updating the wave-particle duality". 15th UK and European Meeting on the Foundations of Physics. Лидс, Великобритания. Получено 21 июн 2008.
  38. ^ Bartell, L. (1980). "Complementarity in the double-slit experiment: On simple realizable systems for observing intermediate particle-wave behavior". Физический обзор D. 21 (6): 1698–1699. Bibcode:1980PhRvD..21.1698B. Дои:10.1103/PhysRevD.21.1698.
  39. ^ Zeilinger, A. (1999). «Эксперимент и основы квантовой физики». Обзоры современной физики. 71 (2): S288 – S297. Bibcode:1999RvMPS..71..288Z. Дои:10.1103/RevModPhys.71.S288.
  40. ^ P. Mittelstaedt; A. Prieur; R. Schieder (1987). "Unsharp particle-wave duality in a photon split-beam experiment". Основы физики. 17 (9): 891–903. Bibcode:1987FoPh...17..891M. Дои:10.1007/BF00734319. S2CID  122856271.
  41. ^ D.M. Greenberger and A. Yasin, "Simultaneous wave and particle knowledge in a neutron interferometer", Письма по физике A 128, 391–4 (1988).
  42. ^ Wootters, W. K.; Zurek, W. H. (1979). "Complementarity in the double-slit experiment: Quantum nonseparability and a quantitative statement of Bohr's principle" (PDF). Phys. Ред. D. 19 (2): 473–484. Bibcode:1979PhRvD..19..473W. Дои:10.1103/PhysRevD.19.473. Получено 5 февраля 2014.
  43. ^ а б Hillmer, R.; Kwiat, P. (2007). "A do-it-yourself quantum eraser". Scientific American. Vol. 296 no. 5. pp. 90–95. Bibcode:2007SciAm.296e..90H. Дои:10.1038/scientificamerican0507-90. Получено 11 января 2016.
  44. ^ а б Chiao, R. Y.; P. G. Kwiat; Steinberg, A. M. (1995). "Quantum non-locality in two-photon experiments at Berkeley". Quantum and Semiclassical Optics: Journal of the European Optical Society Part B. 7 (3): 259–278. arXiv:quant-ph/9501016. Bibcode:1995QuSOp...7..259C. Дои:10.1088/1355-5111/7/3/006. S2CID  118987962.
  45. ^ Francis, Matthew (21 May 2012). "Disentangling the wave-particle duality in the double-slit experiment". Ars Technica.
  46. ^ а б Svensson, Bengt E. Y. (2013). "Pedagogical Review of Quantum Measurement Theory with an Emphasis on Weak Measurements". Quanta. 2 (1): 18–49. arXiv:1202.5148. Дои:10.12743/quanta.v2i1.12.
  47. ^ Pfleegor, R. L.; Mandel, L. (July 1967). "Interference of Independent Photon Beams". Физический обзор. 159 (5): 1084–1088. Bibcode:1967PhRv..159.1084P. Дои:10.1103/PhysRev.159.1084.
  48. ^ "Interference of Independent Photon Beams: The Pfleegor-Mandel Experiment". Архивировано из оригинал 3 января 2011 г.. Получено 16 июн 2011.>
  49. ^ Sillitto, R.M.; Wykes, Catherine (1972). "An interference experiment with light beams modulated in anti-phase by an electro-optic shutter". Письма о физике A. 39 (4): 333–334. Bibcode:1972PhLA...39..333S. Дои:10.1016/0375-9601(72)91015-8.
  50. ^ "To a light particle"
  51. ^ Arndt, Markus; Nairz, Olaf; Vos-Andreae, Julian; Keller, Claudia; Van Der Zouw, Gerbrand; Zeilinger, Anton (1999). "Wave–particle duality of C60 molecules". Природа. 401 (6754): 680–682. Bibcode:1999Natur.401..680A. Дои:10.1038/44348. PMID  18494170. S2CID  4424892.
  52. ^ Schouten, H.F.; Kuzmin, N.; Dubois, G.; Visser, T.D.; Gbur, G.; Alkemade, P.F.A.; Blok, H.; Hooft, G.W.; Lenstra, D.; Eliel, E.R. (7 February 2005). "Plasmon-Assisted Two-Slit Transmission: Young's Experiment Revisited". Phys. Rev. Lett. 94 (5): 053901. Bibcode:2005PhRvL..94e3901S. Дои:10.1103/physrevlett.94.053901. PMID  15783641.
  53. ^ Bach, Roger; и другие. (March 2013). "Controlled double-slit electron diffraction". Новый журнал физики. 15 (3): 033018. arXiv:1210.6243. Bibcode:2013NJPh...15c3018B. Дои:10.1088/1367-2630/15/3/033018. S2CID  832961.
  54. ^ Yaakov Y. Fein; Philipp Geyer; Patrick Zwick; Filip Kiałka; Sebastian Pedalino; Marcel Mayor; Stefan Gerlich; Markus Arndt (September 2019). "Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa". Природа Физика. 15 (12): 1242–1245. Bibcode:2019NatPh..15.1242F. Дои:10.1038/s41567-019-0663-9. S2CID  203638258.
  55. ^ а б Bush, John WM (2015). "Pilot-wave hydrodynamics" (PDF). Ежегодный обзор гидромеханики. 47 (1): 269–292. Bibcode:2015AnRFM..47..269B. Дои:10.1146/annurev-fluid-010814-014506. HDL:1721.1/89790. Получено 21 июн 2015.
  56. ^ Bush, John W. M. (2010). "Quantum mechanics writ large". PNAS. 107 (41): 17455–17456. Bibcode:2010PNAS..10717455B. Дои:10.1073/pnas.1012399107. ЧВК  2955131.
  57. ^ Natalie Wolchover (30 June 2014). "Have We Been Interpreting Quantum Mechanics Wrong This Whole Time?". Проводной.
  58. ^ Couder, Y.; Fort, E. (2012). "Probabilities and trajectories in a classical wave-particle duality". Journal of Physics: Серия конференций. 361 (1): 012001. Bibcode:2012JPhCS.361a2001C. Дои:10.1088/1742-6596/361/1/012001.
  59. ^ Li, Pengyun; Sun, Yifan; Yang, Zhenwei; Song, Xinbing; Zhang, Xiangdong (2016). "Classical hypercorrelation and wave-optics analogy of quantum superdense coding". Научные отчеты. 5: 18574. Bibcode:2015NatSR...518574L. Дои:10.1038/srep18574. ЧВК  4686973. PMID  26689679.
  60. ^ Jenkins FA and White HE, Fundamentals of Optics, 1967, McGraw Hill, New York
  61. ^ Longhurst RS, Physical and Geometrical Optics, 1967, 2nd Edition, Longmans
  62. ^ Rovelli, Carlo (1996). "Relational Quantum Mechanics". Международный журнал теоретической физики. 35 (8): 1637–1678. arXiv:quant-ph/9609002. Bibcode:1996IJTP...35.1637R. Дои:10.1007/BF02302261. S2CID  16325959.
  63. ^ Filk, Thomas (2006). "Relational Interpretation of the Wave Function and a Possible Way Around Bell's Theorem". Международный журнал теоретической физики. 45 (6): 1205–1219. arXiv:quant-ph/0602060. Bibcode:2006IJTP...45.1166F. Дои:10.1007/s10773-006-9125-0. S2CID  10743236.
  64. ^ Philippidis, C.; Dewdney, C.; Hiley, B. J. (1979). "Quantum interference and the quantum potential". Il Nuovo Cimento B. 52 (1): 15–28. Bibcode:1979NCimB..52...15P. Дои:10.1007/bf02743566. ISSN  1826-9877. S2CID  53575967.
  65. ^ "Bohmian Mechanics". Стэнфордская энциклопедия философии. Лаборатория метафизических исследований Стэнфордского университета. 2017 г.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

Interactive animations

Single particle experiments

Hydrodynamic analog

Компьютерное моделирование