Эксперимент Уиллера с отложенным выбором - Википедия - Wheelers delayed-choice experiment

Джон Уиллер, 1995

Часть серии на
Квантовая механика
${ Displaystyle я HBAR { гидроразрыва { partial} { partial t}} | psi (t) rangle = { hat {H}} | psi (t) rangle}$ Уравнение Шредингера
Вступление Глоссарий История Учебники
Фон Классическая механика Старая квантовая теория Обозначение Бра – Кет Гамильтониан Вмешательство
Основы Согласованность Декогеренция Комплементарность Уровень энергии Запутанность Гамильтониан Принцип неопределенности Основное состояние Вмешательство Измерение Нелокальность Наблюдаемый Оператор Квантовая Квантовая флуктуация Квантовое число Квантовый шум Квантовая область Квантовое состояние Квантовая система Квантовая телепортация Кубит Вращение Суперпозиция Симметрия (Спонтанное) нарушение симметрии Состояние вакуума Распространение волн Волновая функция Коллапс волновой функции Дуальность волна-частица Волна материи
Последствия Эффект Зеемана Эффект Старка Эффект Ааронова – Бома Квантование Ландау Квантовый эффект Холла Квантовый эффект Зенона Квантовое туннелирование Фотоэлектрический эффект Эффект Казимира
Эксперименты Неравенство Белла Дэвиссон-Гермер Двойная щель Элицур – Вайдман Франк-Герц Неравенство Леггетта – Гарга Мах – Цендер Поппер Квантовый ластик  (отложенный выбор ) Кот Шредингера Штерн-Герлах Отсроченный выбор Уиллера
Составы Обзор Гейзенберг Взаимодействие Матрица Фазовое пространство Шредингер Суммирование по историям (интеграл по путям)
Уравнения Дирак Хеллманн-Фейнман Кляйн – Гордон Липпманн-Швингер Паули Ридберг Шредингер
Интерпретации Обзор Байесовский Последовательные истории Копенгаген де Бройль-Бом Ансамбль Скрытая переменная Многомиры Объективный коллапс Квантовая логика Реляционный Стохастик Транзакционный
Дополнительные темы Квантовый отжиг Квантовый хаос Квантовые вычисления Квантовая геометрия Матрица плотности Квантовая теория поля Дробная квантовая механика Квантовая гравитация Квантовая информатика Квантовое машинное обучение Теория возмущений (квантовая механика) Релятивистская квантовая механика Теория рассеяния Самопроизвольное параметрическое преобразование с понижением частоты Квантовая статистическая механика
Ученые Ааронов Колокол Блэкетт Блох Бом Бор Родившийся Bose де Бройль Candlin Комптон Дирак Дэвиссон Дебай Эренфест Эйнштейн Эверетт Фок Ферми Фейнман Глаубер Gutzwiller Гейзенберг Гильберта Иордания Крамерс Паули ягненок Ландо Лауэ Мозли Милликен Оннес Планк Раби Раман Ридберг Шредингер Зоммерфельд фон Нейман Weyl Вена Вигнер Zeeman Цайлингер Гоудсмит Уленбек Ян
Категории ► Квантовая механика

Эксперимент Уиллера с отложенным выбором на самом деле несколько мысленные эксперименты в квантовая физика, предложено Джон Арчибальд Уиллер, самые известные из которых появились в 1978 и 1984 годах.^[1] Эти эксперименты представляют собой попытку определить, «чувствует» ли свет каким-либо образом экспериментальный прибор в двухщелевой эксперимент он будет проходить и корректировать свое поведение, чтобы соответствовать, принимая соответствующее определенное состояние для него, или остается ли свет в неопределенном состоянии, ни волна, ни частица, пока не будут измерены.^[2]

Общая цель этих нескольких типов экспериментов - сначала сделать что-то, что, согласно некоторым моделям скрытых переменных,^[3] заставит каждый фотон «решить», будет ли он вести себя как частица или как волна, а затем, прежде чем фотон успеет достичь детектирующего устройства, произведет другое изменение в системе, которое заставит казаться, что фотон «выбрал» противоположное поведение. Некоторые интерпретаторы этих экспериментов утверждают, что фотон либо волна, либо частица, и что он не может быть тем и другим одновременно. Намерение Уиллера состояло в том, чтобы исследовать связанные со временем условия, при которых фотон совершает переход между предполагаемыми состояниями бытия. Его работа была плодотворной благодаря множеству показательных экспериментов. Он, возможно, не ожидал возможности того, что другие исследователи склонятся к выводу, что фотон сохраняет и свою «волновую природу», и «природу частицы» до тех пор, пока не закончит свою жизнь, например, будучи поглощенным электроном, который приобретает свою энергии и, следовательно, поднимается до более высокой энергии орбитальный в его атоме.

Эта линия экспериментов оказалась очень сложной для выполнения, когда она была впервые задумана. Тем не менее, за прошедшие годы он оказался очень ценным, поскольку побудил исследователей обеспечить «все более изощренные демонстрации дуальности одиночных квантов волна-частица».^[4][5] Как объясняет один экспериментатор, «поведение волны и частицы может сосуществовать одновременно». ^[6]

Вступление

"Эксперимент Уиллера с отложенным выбором"относится к серии мысленные эксперименты в квантовая физика, первая из которых была предложена им в 1978 году. Другая известная версия была предложена в 1983 году. Все эти эксперименты пытаются решить одни и те же фундаментальные проблемы в квантовая физика. Многие из них обсуждаются в статье Уиллера 1978 г. «Прошлое и эксперимент с двойной прорезью« отложенный выбор »», которая была воспроизведена в статье А. Р. Марлоу. Математические основы квантовой теории, стр. 9–48.

Согласно принцип дополнительности можно измерить «частицы-подобные» (например, точное местоположение) или «волнообразные» (например, частотные или амплитудные) свойства фотона, но не оба одновременно. Какая характеристика измеряется, зависит от того, используют ли экспериментаторы устройство, предназначенное для наблюдения за частицами или для наблюдения за волнами.^[7] Когда это утверждение применяется очень строго, можно утверждать, что, определив тип детектора, можно заставить фотон проявиться только как частица или только как волна. Обнаружение фотона - деструктивный процесс, потому что фотон никогда нельзя увидеть в полете. Когда фотон обнаружен, он «появляется» в результате его гибели, например, будучи поглощенным электроном в фотоумножитель который принимает свою энергию, которая затем используется для запуска каскада событий, вызывающих «щелчок» этого устройства. Фотон всегда появляется в какой-то сильно локализованной точке пространства и времени. В устройствах, которые обнаруживают фотоны, места на его экране обнаружения, которые указывают на прием фотона, указывают на то, проявлял ли он свою волновую природу во время полета от источника фотона к устройству обнаружения. Поэтому обычно говорят, что в двухщелевой эксперимент фотон проявляет свою волновую природу, когда проходит через обе щели, и появляется как тусклый свет на экране обнаружения, и проявляет свою частичную природу, когда проходит только через одну щель и появляется на экране как сильно локализованное мерцание.

Учитывая интерпретацию квантовой физики, которая гласит, что фотон либо в своем обличии как волна, либо как частица, возникает вопрос: когда фотон решает, будет ли он двигаться как волна или как частица? Предположим, что традиционный эксперимент с двумя щелями подготовлен так, что любая из щелей может быть заблокирована. Если обе щели открыты и лазер испускает серию фотонов, то на экране обнаружения быстро появляется интерференционная картина. Интерференционная картина может быть объяснена только как следствие волновых явлений, поэтому экспериментаторы могут сделать вывод, что каждый фотон «решает» двигаться как волна, как только он испускается. Если доступна только одна щель, интерференционной картины не будет, поэтому экспериментаторы могут сделать вывод, что каждый фотон «решает» путешествовать как частица, как только он испускается.

Простой интерферометр

Один из способов исследовать вопрос о том, когда фотон решает, действовать ли в эксперименте как волна или как частица, - это использовать метод интерферометра. Вот простая принципиальная схема интерферометра в двух конфигурациях:

Открытые и закрытые

Если одиночный фотон испускается во входной порт устройства в нижнем левом углу, он немедленно встречает светоделитель. Из-за равной вероятности передачи или отражения фотон либо продолжит движение прямо, либо будет отражен зеркалом в правом нижнем углу и будет обнаружен детектором в верхней части устройства, либо будет отражен лучом. -сплиттер, ударьте по зеркалу в верхнем левом углу и войдите в детектор на правом краю устройства. Наблюдая за тем, что фотоны появляются в равных количествах на двух детекторах, экспериментаторы обычно говорят, что каждый фотон вел себя как частица с момента его излучения до момента его обнаружения, прошел либо один путь, либо другой, и далее утверждают что его волновая природа не проявляется.

Если устройство изменить так, чтобы второй светоделитель был помещен в верхнем правом углу, то часть лучей с каждого пути будет перемещаться вправо, где они будут объединяться, чтобы показать помехи на экране обнаружения. Экспериментаторы должны объяснять эти явления следствием волновой природы света. Каждый фотон должен был пройти оба пути как волна, потому что, если каждый фотон двигался как частица только по одному пути, то множество фотонов, посланных во время эксперимента, не образовали бы интерференционной картины.

Поскольку больше ничего не изменилось от экспериментальной конфигурации к экспериментальной, и поскольку в первом случае говорят, что фотон «решил» путешествовать как частица, а во втором случае говорят, что он «решил» двигаться как волна, Уиллер хотел знать, можно ли экспериментально определить время, в которое фотон принимает свое «решение». Можно ли позволить фотону пройти через область первого светоделителя, когда во втором положении нет светоделителя, что заставит его «решить» двигаться, а затем быстро позволить второму светоделителю сработать? на свой путь? Предположительно перемещаясь как частица до этого момента, сможет ли светоделитель пропустить ее и проявить себя, как частица, если бы второго светоделителя не было? Или он будет вести себя так, как будто второй светоделитель всегда был рядом? Проявит ли это интерференционные эффекты? И если он действительно проявлял интерференционные эффекты, то для этого он должен был вернуться во времени и изменить свое «решение» о путешествии как частица на перемещение как волна. Обратите внимание, что Уиллер хотел исследовать несколько гипотетических утверждений, получив объективные данные.

Альберту Эйнштейну не нравились эти возможные следствия квантовой механики.^[8] Однако, когда были наконец разработаны эксперименты, допускающие как вариант эксперимента с двумя щелями, так и версию эксперимента с интерферометром, было окончательно показано, что фотон может начать свою жизнь в экспериментальной конфигурации, которая потребовала бы от него демонстрации своей частицной природы. в экспериментальной конфигурации, которая потребовала бы от него демонстрации своей волновой природы, и что в этих экспериментах он всегда будет проявлять свои волновые характеристики, вмешиваясь в себя. Более того, если эксперимент был начат со вторым светоделителем на месте, но он был удален, пока фотон находился в полете, то фотон неизбежно обнаружился бы в детекторе и не показал бы никаких признаков интерференционных эффектов. Таким образом, наличие или отсутствие второго светоделителя всегда будет определять проявление «волны или частицы». Многие экспериментаторы^{[ВОЗ? ]} пришли к интерпретации экспериментальных результатов, согласно которой изменение конечных условий задним числом определить, чем фотон «решил» быть, входя в первый светоделитель. Как упоминалось выше, Уиллер отверг эту интерпретацию.

Космический интерферометр

Двойной квазар, известный как QSO 0957 + 561, также известный как «Двойной квазар», находится на расстоянии чуть менее 9 миллиардов световых лет от Земли. ^[9]

Эта статья может быть сбивает с толку или неясно читателям. Пожалуйста, помоги нам прояснить статью. Возможно обсуждение этого вопроса на страница обсуждения. (Октябрь 2018 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

План Уиллера

В попытке избежать разрушения нормальных представлений о причине и следствии некоторые теоретики^{[ВОЗ? ]} предположил, что информация о том, был ли установлен второй светоделитель или нет, могла быть каким-то образом передана от конечной точки экспериментального устройства обратно к фотону, поскольку он только что входил в это экспериментальное устройство, что позволило ему принять правильное "решение" . " Поэтому Уиллер предложил космическую версию своего эксперимента. В этом мысленном эксперименте он спрашивает, что произойдет, если квазар или другая галактика в миллионах или миллиардах световых лет от Земли пропускает свой свет вокруг промежуточной галактики или скопления галактик, которые будут действовать как гравитационная линза. Фотон, направляющийся точно к Земле, столкнется с искажением пространства в непосредственной близости от промежуточной массивной галактики. В этот момент он должен будет «решить», идти ли одним путем вокруг линзирующей галактики, путешествуя как частица, или идти в обе стороны, путешествуя как волна. Что произойдет, когда фотон попадет в астрономическую обсерваторию на Земле? Благодаря гравитационному линзированию телескопы в обсерватории видят два изображения одного и того же квазара: одно слева от линзирующей галактики, а другое - справа от нее. Если фотон путешествовал как частица и попал в ствол телескопа, нацеленного на левое изображение квазара, он, должно быть, решил путешествовать как частица все эти миллионы лет, или, по крайней мере, так говорят некоторые экспериментаторы. Этот телескоп указывает неверный путь, чтобы уловить что-либо с другого изображения квазара. Если фотон путешествовал как частица и пошел другим путем, то его уловит только телескоп, направленный на правый «квазар». Итак, миллионы лет назад фотон решил путешествовать в облике частицы и случайно выбрал другой путь. Но теперь экспериментаторы решают попробовать другое. Они направляют выходной сигнал двух телескопов в светоделитель, как показано на схеме, и обнаруживают, что один выход очень яркий (что указывает на положительную интерференцию), а другой выходной сигнал по существу равен нулю, что указывает на самокомпенсирование входящих пар волновых функций.

Пути разделены и пути сходятся с помощью светоделителя

Затем Уиллер играет защитника дьявола и предполагает, что, возможно, получение этих экспериментальных результатов будет означать, что в тот момент, когда астрономы вставили свой светоделитель, фотоны, которые покинули квазар несколько миллионов лет назад, задним числом решили путешествовать в виде волн, и что когда астрономы решили снова вытащить свой светоделитель, это решение было передано во времени фотонам, которые уходили в прошлое на несколько миллионов лет плюс несколько минут, так что фотоны задним числом решили путешествовать как частицы.

Несколько способов реализации основной идеи Уиллера были воплощены в реальных экспериментах, и они подтверждают вывод, который ожидал Уиллер - что то, что делается на выходном порте экспериментального устройства до того, как фотон будет обнаружен, будет определять, проявляет ли он явления интерференции или нет. Ретропричинность - это мираж.^{[нужна цитата ]}

Версия с двойной прорезью

Двухщелевой аппарат Уиллера.^[10]

Второй вид экспериментов напоминает обычный эксперимент с двумя щелями. Схематическая диаграмма этого эксперимента показывает, что линза на дальней стороне двойных щелей заставляет путь от каждой щели немного отклоняться от другой после того, как они пересекаются друг с другом довольно близко к этой линзе. В результате две волновые функции для каждого фотона будут находиться в суперпозиции на довольно коротком расстоянии от двойных щелей, и если экран обнаружения предусмотрен в области, в которой волновые функции находятся в суперпозиции, то будут видны интерференционные картины. Нет никакого способа, с помощью которого можно было бы определить, что какой-либо данный фотон прибыл из одной или другой двойной щели. Однако, если экран обнаружения удален, волновые функции на каждом пути будут накладываться на области с более низкими и более низкими амплитудами, и их совокупные значения вероятности будут намного меньше, чем неусиленные значения вероятности в центре каждого пути. Когда телескопы нацелены на пересечение центра двух путей, будет почти 50% равная вероятность того, что фотон появится на одном из них. Когда фотон обнаруживается телескопом 1, исследователи могут связать этот фотон с волновой функцией, выходящей из нижней щели. Когда один из них обнаружен в телескоп 2, исследователи могут связать этот фотон с волновой функцией, которая вышла из верхней щели. Объяснение, которое поддерживает эту интерпретацию экспериментальных результатов, состоит в том, что фотон вышел из одной из щелей, и это конец материи. Фотон должен был стартовать в лазере, пройти через одну из щелей и прибыть по единственному прямолинейному пути к соответствующему телескопу.

Обратное объяснение, которое Уиллер не принимает, гласит, что при установленном экране обнаружения помехи должны проявляться. Для проявления интерференции из каждой из двух щелей должна выходить световая волна. Следовательно, одиночный фотон, попадая в двухщелевую диафрагму, должен был «решить», что ему нужно пройти через обе щели, чтобы иметь возможность мешать самому себе на экране обнаружения (не следует ли размещать экран обнаружения перед двойные щели?). Чтобы интерференция не проявлялась, одиночный фотон, попадающий в двухщелевую диафрагму, должен был «решить» пройти только через одну щель, потому что это заставило бы его проявиться в камере соответствующего одиночного телескопа.

В этом мысленном эксперименте телескопы присутствуют всегда, но эксперимент может начаться с присутствия экрана обнаружения, но затем его можно удалить сразу после того, как фотон покинет двухщелевую диафрагму, или эксперимент может начаться при отсутствии экрана обнаружения, а затем его отключении. вставляется сразу после того, как фотон покидает диафрагму. Некоторые теоретики утверждают, что вставка или удаление экрана в разгар эксперимента может заставить фотон задним числом решить пройти через двойные щели как частица, когда он ранее прошел через нее как волна, или наоборот. Уиллер не принимает эту интерпретацию.

Эксперимент с двойной щелью, как и другие шесть идеализированных экспериментов (микроскоп, разделенный луч, наклонные зубцы, диаграмма направленности, однофотонная поляризация и поляризация парных фотонов), требует выбора между дополнительными режимами наблюдения. В каждом эксперименте мы находили способ отложить этот выбор типа явления, которое нужно искать, до самой последней стадии развития явления, и это зависит от того, какой тип устройства обнаружения мы затем выберем. Эта задержка не влияет на экспериментальные прогнозы. На этот счет все, что мы находим, было предвосхищено в той одинокой и содержательной фразе Бора: «... это ... не может иметь никакого значения в отношении наблюдаемых эффектов, которые можно получить с помощью определенной экспериментальной установки, будь то наши планы по созданию инструментов или обращению с ними. фиксируются заранее, или мы предпочитаем отложить завершение нашего планирования до более позднего момента, когда частица уже будет перемещаться от одного инструмента к другому ».^[11]

Бомовская интерпретация

Один из самых простых способов "разобраться" в парадоксе отложенного выбора - изучить его с помощью Бомовская механика. Удивительные последствия первоначального эксперимента с отложенным выбором привели Уиллера к выводу, что «ни одно явление не является феноменом, пока оно не станет наблюдаемым», что является очень радикальной позицией. Как известно, Уиллер сказал, что «прошлое не существует, кроме как записано в настоящем», и что Вселенная не «существует вне зависимости от всех актов наблюдения».

Однако Bohm et al. (1985, Nature vol. 315, pp294–97) показали, что бомовская интерпретация дает прямое объяснение поведения частицы при установке отложенного выбора, не прибегая к столь радикальному объяснению. Подробное обсуждение доступно в статье с открытым исходным кодом Бэзила Хили и Каллагана,^[12] в то время как многие квантовые парадоксы, включая отложенный выбор, удобно и компактно обсуждаются в главе 7 книги. Взгляд физика на материю и разум (PVMM) ^[13] используя как бомовские, так и стандартные интерпретации.

В квантовой механике Бома частица подчиняется классической механике, за исключением того, что ее движение происходит под дополнительным влиянием ее квантовый потенциал. Фотон или электрон имеют определенную траекторию и проходят через одну или другую из двух щелей, а не через обе, как это происходит в случае классической частицы. Прошлое определено и остается таким, каким оно было до момента Т₁ когда экспериментальная конфигурация для его обнаружения как волна был изменен на обнаружение частица во время прибытия Т₂. В Т₁, когда экспериментальная установка была изменена, квантовый потенциал Бома изменяется по мере необходимости, и частица классически движется под новым квантовым потенциалом до тех пор, пока Т₂ когда он обнаруживается как частица. Таким образом, бомовская механика восстанавливает общепринятый взгляд на мир и его прошлое. Прошлое существует как объективная история, которую нельзя изменить задним числом из-за отложенного выбора, вопреки радикальной точке зрения Уиллера.

Считается, что «квантовый потенциал» Q (r, T) действует мгновенно. Но на самом деле смена экспериментальной установки при T₁ занимает конечное время dT. Первоначальный потенциал. Q (г, Т <Т₁) медленно изменяется в течение интервала времени dT, чтобы стать новым квантовым потенциалом Q (r, T> T₁). В упомянутой выше книге PVMM делается важное наблюдение (раздел 6.7.1), что квантовый потенциал содержит информацию о граничных условиях, определяющих систему, и, следовательно, любое изменение экспериментальной установки немедленно распознается квантовым потенциалом и определяет динамика бомовской частицы.

Детали эксперимента

Оригинальное обсуждение Джоном Уилером возможности кванта отсроченного выбора появилось в эссе под названием «Закон без закона», которое было опубликовано в книге, которую он и Войцех Хуберт Зурек отредактировали, под названием Квантовая теория и измерения, стр 182–213. Он представил свои замечания, повторив спор между Альбертом Эйнштейном, который хотел постижимой реальности, и Нильсом Бором, который считал, что концепция реальности Эйнштейна слишком ограничена. Уилер указывает, что Эйнштейн и Бор исследовали последствия лабораторного эксперимента, который будет обсуждаться ниже, в котором свет может проникать из одного угла прямоугольной решетки полупрозрачных и полностью посеребренных зеркал в другой угол, а затем может показать себя не только как пройдя половину периметра по единственному пути и затем вышедшего, но также как прошедшего оба пути по периметру и затем «сделавшего выбор» относительно выхода через один порт или другой. Этот результат справедлив не только для лучей света, но также и для отдельных фотонов света. Уиллер заметил:

Эксперимент в форме интерферометр, рассмотренный Эйнштейном и Бором, теоретически может быть использован для исследования того, движется ли фотон иногда по единственному пути, всегда следует по двум путям, а иногда только по одному, или может появиться что-то еще. Однако было проще сказать: «Во время случайных запусков эксперимента мы вставим второе полупрозрачное зеркало непосредственно перед тем, как фотон будет рассчитан на то, чтобы попасть туда», чем найти способ сделать такое быстрое подмена. Скорость света слишком велика, чтобы позволить механическому устройству выполнять эту работу, по крайней мере, в пределах лаборатории. Чтобы обойти эту проблему, потребовалась большая изобретательность.

После того, как были опубликованы несколько подтверждающих экспериментов, Жак и др. заявили, что их эксперимент полностью следует оригинальной схеме, предложенной Уилером.^[14][15] Их сложный эксперимент основан на Интерферометр Маха – Зендера, включающий триггерный генератор фотонов N – V центра окраски алмаза, поляризацию и электрооптический модулятор, действующий как переключаемый светоделитель. Измерение в закрытой конфигурации показало интерференцию, тогда как измерение в открытой конфигурации позволило определить путь частицы, что сделало интерференцию невозможной.

Первоначально Эйнштейн утверждал, что в таких экспериментах для одного фотона неразумно перемещаться по двум маршрутам. Уберите наполовину посеребренное зеркало [вверху справа], и вы обнаружите, что один счетчик гаснет, а другой - другой. Таким образом, фотон прошел только один маршрут. Он едет только по одному маршруту. но он путешествует по обоим маршрутам: он проходит по обоим маршрутам, но движется только по одному маршруту. Какая чепуха! Насколько очевидно несостоятельность квантовой теории!

Интерферометр в лаборатории

Вариант эксперимента с интерферометром по Уиллеру до недавнего времени не мог быть проведен в лаборатории из-за практических трудностей с установкой или удалением второго светоделителя в короткий промежуток времени между входом фотона в первый светоделитель и его прибытием в место предусмотрел второй светоделитель. Эта реализация эксперимента достигается путем увеличения длины обоих путей путем вставки длинных отрезков оптоволоконного кабеля. Это значительно увеличивает временной интервал прохождения через устройство. Высокоскоростное переключаемое устройство на одном пути, состоящее из переключателя высокого напряжения, Ячейка Поккельса, а Призма Глана – Томпсона, позволяет отклонить этот путь от его обычного пункта назначения, так что путь фактически заходит в тупик. Во время объезда ничто не может достичь ни одного детектора по этому пути, поэтому помехи быть не могут. Когда он выключен, тракт возвращается к своему обычному режиму действия и проходит через второй светоделитель, вызывая повторное появление помех. Эта компоновка фактически не вставляет и не удаляет второй светоделитель, но позволяет переключаться из состояния, в котором возникает интерференция, в состояние, в котором интерференция не может появиться, и делать это в интервале между попаданием света в первый луч. -делитель и свет, выходящий из второго светоделителя. Если фотоны «решили» войти в первый светоделитель в виде волн или частиц, им, должно быть, было дано указание отменить это решение и пройти через систему в другом своем обличье, и они должны были сделать это без какого-либо физического процесса. передается входящим фотонам или первому светоделителю, потому что такая передача была бы слишком медленной даже со скоростью света. Интерпретация физических результатов Уилером состояла бы в том, что в одной конфигурации из двух экспериментов одна копия волновой функции входящего фотона принимается с вероятностью 50% на одном или другом детекторе, а в другой конфигурации - две копии волновой функции входящего фотона. волновые функции, распространяясь по разным путям, достигают обоих детекторов, не совпадают по фазе друг с другом и, следовательно, имеют интерференцию. В одном детекторе волновые функции будут синхронизированы друг с другом, и в результате фотон будет иметь 100% вероятность появления в этом детекторе. В другом детекторе волновые функции будут сдвинуты по фазе на 180 °, будут точно компенсировать друг друга, и будет 0% вероятность того, что соответствующие фотоны появятся в этом детекторе.^[16]

Интерферометр в космосе

Космический эксперимент, представленный Уилером, можно описать либо как аналог эксперимента с интерферометром, либо как аналог эксперимента с двумя щелями. Важно то, что с помощью третьего типа устройств, массивного звездного объекта, действующего как гравитационная линза, фотоны от источника могут приходить двумя путями. В зависимости от того, как расположены разности фаз между парами волновых функций, соответственно могут наблюдаться различные виды интерференционных явлений. Экспериментаторы могут контролировать, следует ли объединять входящие волновые функции или нет, и как объединять входящие волновые функции.Нет никакой разности фаз, вносимой в волновые функции экспериментальным устройством, как в экспериментах с лабораторным интерферометром, поэтому, несмотря на отсутствие устройства с двойной щелью рядом с источником света, космический эксперимент ближе к эксперименту с двойной щелью. Однако Уиллер планировал провести эксперимент по объединению входящих волновых функций с помощью светоделителя.^[17]

Основная трудность в проведении этого эксперимента заключается в том, что экспериментатор не может контролировать или знать, когда каждый фотон начал свой путь к Земле, а экспериментатор не знает длины каждого из двух путей между далеким квазаром. Следовательно, вполне возможно, что две копии одной волновой функции могут прибыть в разное время. Сопоставление их по времени, чтобы они могли взаимодействовать, потребует использования какого-то устройства задержки при первом прибытии. Прежде чем эту задачу можно будет выполнить, необходимо найти способ вычислить время задержки.

Одно из предложений по синхронизации входов с двух концов этого космического экспериментального устройства заключается в характеристиках квазары и возможность идентификации идентичных событий некоторой характеристики сигнала. Информация от квазаров-близнецов, которую Уилер использовал в качестве основы для своих предположений, достигла Земли примерно через 14 месяцев.^[18] Найти способ удержать квант света в какой-то петле более года будет непросто.

Двойные щели в лаборатории и космосе

Замените светоделитель, зарегистрировав проецируемые изображения телескопа на общем экране обнаружения.

Вариант эксперимента с двойной щелью Уиллера устроен так, что один и тот же фотон, выходящий из двух щелей, может быть обнаружен двумя способами. Первый способ позволяет двум путям соединяться, позволяет двум копиям волновой функции перекрываться и показывает интерференцию. Второй способ перемещает дальше от источника фотона в положение, где расстояние между двумя копиями волновой функции слишком велико, чтобы показать эффекты интерференции. Техническая проблема в лаборатории заключается в том, как вставить экран детектора в точку, подходящую для наблюдения за интерференционными эффектами, или удалить этот экран, чтобы обнаружить детекторы фотонов, которые могут быть ограничены приемом фотонов из узких областей пространства, где находятся щели. Одним из способов решения этой задачи было бы использование недавно разработанных зеркал с электрическим переключением и простое изменение направления двух путей от прорезей путем включения или выключения зеркала. По состоянию на начало 2014 года о таком эксперименте не сообщалось.

Космический эксперимент, описанный Уилером, имеет другие проблемы, но направление копий волновых функций в то или иное место спустя долгое время после того, как задействованный фотон, по-видимому, «решил», быть ли им волной или частицей, вообще не требует большой скорости. У человека есть около миллиарда лет, чтобы выполнить эту работу.

Космическая версия эксперимента с интерферометром может быть легко адаптирована для работы в качестве космического устройства с двойной щелью, как показано на иллюстрации. Уилер, похоже, не учел эту возможность. Однако это обсуждалось другими авторами.^[19]

Текущие интересующие эксперименты

Первый реальный эксперимент, последовавший за намерением Уиллера о том, чтобы устройство с двумя щелями подвергалось определению метода обнаружения в конце игры, был проведен Уолборном. и другие.^[20]

Исследователи, имеющие доступ к радиотелескопам, изначально предназначенным для SETI исследования объяснили практические трудности проведения межзвездного эксперимента Уиллера.^[21]

Недавний эксперимент Мэннинга и другие. подтверждает стандартные предсказания стандартной квантовой механики с атомом гелия.^[22]

Выводы

Ма, Цайлингер и другие. суммировали то, что можно узнать в результате экспериментов, возникших из предложений Уиллера. Они говорят:

Любое объяснение того, что происходит в конкретном индивидуальном наблюдении одного фотона, должно учитывать всю экспериментальную аппаратуру полного квантового состояния, состоящего из обоих фотонов, и оно может иметь смысл только после того, как вся информация, касающаяся дополнительных переменных, будет записана. Наши результаты демонстрируют, что точка зрения, согласно которой фотон системы ведет себя определенно как волна или определенно как частица, требует связи со скоростью, превышающей скорость света. Поскольку это было бы сильным противоречием специальной теории относительности, мы считаем, что от такой точки зрения следует полностью отказаться.^[23]

Смотрите также

• Квантовый ластик с отложенным выбором
• Симметричная по времени теория Уиллера – Фейнмана

Библиография

• Жак, Винсент; Wu, E; Гроссханс, Фредерик; Treussart, François; Гранжье, Филипп; Аспект, Ален; Рош, Жан-Франсуа (2007). «Экспериментальная реализация эксперимента Уиллера с отложенным выбором Gedanken». Наука. 315 (5814): 966–8. arXiv:Quant-ph / 0610241. Bibcode:2007Sci ... 315..966J. Дои:10.1126 / science.1136303. PMID  17303748.
• Он-лайн библиография, в которой перечислены все работы Уиллера.
• Джон Арчибальд Уиллер, «Прошлое» и «Эксперимент с двойной щелью с отложенным выбором», стр. 9–48, в A.R. Марлоу, редактор, Математические основы квантовой теории, Academic Press (1978)
• Джон Арчибальд Уиллер и Войцех Хуберт Зурек, Квантовая теория и измерения (Принстонская серия по физике)
• Джон Д. Барроу, Пол С. В. Дэвис и младший Чарльз Л. Харперм Наука и конечная реальность: квантовая теория, космология и сложность (Издательство Кембриджского университета) 2004 г.
• Сяо-Сон Ма, Йоханнес Кофлер и Антон Цайлингер, Геданкен-эксперименты с отложенным выбором и их реализация, arXiv:1407.2930, Март 2016. Обзорная статья.

Рекомендации

внешняя ссылка

• Классический эксперимент Уиллера с отложенным выбором, Росс Родс
• Квантовый ластик Джона Г. Крамера
• Демистификация экспериментов с отложенным выбором
• "Джон Уиллер - эксперимент с отложенным выбором (105/130)". YouTube. Сеть историй. 6 октября 2017.