یک ذره در دو مسیر: فیزیک کوانتومی درست است

11 مه 2022 -توسط دانشگاه صنعتی وین -آزمایشگاه در ILL در گرنوبل Laurent Thion، ILL. اعتبار: دانشگاه صنعتی وین

آزمایش دو شکاف معروف‌ترین و احتمالاً مهم‌ترین آزمایش در فیزیک کوانتومی است: ذرات منفرد به دیواری با دو دهانه شلیک می‌شوند که در پشت آن یک آشکارساز محل رسیدن ذرات را اندازه‌گیری می‌کند. این نشان می دهد که ذرات در یک مسیر بسیار خاص حرکت نمی کنند، همانطور که از اشیاء کلاسیک مشخص است، بلکه در طول چندین مسیر به طور همزمان حرکت می کنند: هر ذره منفرد از هر دو دهانه چپ و راست عبور می کند.

با این حال، به طور معمول، این تنها با انجام مکرر آزمایش و ارزیابی نتایج بسیاری از شناسایی ذرات در پایان قابل اثبات است. در دانشگاه TU Wien، محققان یک نوع جدید از چنین آزمایش تداخل دو طرفه را توسعه دادند که می تواند این نقص را اصلاح کند: یک نوترون منفرد در یک موقعیت خاص اندازه گیری می شود – و به دلیل تنظیم پیچیده اندازه گیری، این اندازه گیری واحد از قبل ثابت می کند که ذره حرکت کرده است. در دو مسیر متفاوت به طور همزمان حتی می توان نسبت توزیع نوترون بین دو مسیر را تعیین کرد. بنابراین، پدیده برهم نهی کوانتومی را می توان بدون توسل به استدلال های آماری اثبات کرد. نتایج اکنون در مجله Physical Review Research منتشر شده است.

آزمایش دو شکاف

استفان اسپونار از موسسه اتمی در TU Wien توضیح می‌دهد: «در آزمایش کلاسیک دو شکاف، یک الگوی تداخلی در پشت شکاف دوتایی ایجاد می‌شود. “ذرات به صورت موج از هر دو دهانه به طور همزمان حرکت می کنند و سپس دو موج جزئی با یکدیگر تداخل می کنند. در برخی مکان ها یکدیگر را تقویت می کنند و در مکان های دیگر یکدیگر را خنثی می کنند.”

احتمال اندازه‌گیری ذره پشت شکاف دوگانه در یک مکان بسیار خاص به این الگوی تداخل بستگی دارد: در جایی که موج کوانتومی تقویت می‌شود، احتمال اندازه‌گیری ذره زیاد است. در جایی که موج کوانتومی لغو می شود، احتمال آن کم است. البته با نگاه کردن به یک ذره نمی توان این توزیع موج را دید. تنها زمانی که آزمایش چندین بار تکرار شود، الگوی موج به طور فزاینده ای نقطه به نقطه و ذره به ذره قابل تشخیص می شود.

هولگر هافمن از دانشگاه هیروشیما، که نظریه پشت این آزمایش را توسعه داده است، می گوید: «بنابراین، رفتار تک تک ذرات بر اساس نتایجی که تنها از طریق بررسی آماری ذرات بسیار قابل مشاهده هستند، توضیح داده می شود. “البته، این کاملا رضایت بخش نیست. بنابراین ما بررسی کرده ایم که چگونه می توان پدیده تداخل دو طرفه را بر اساس تشخیص یک ذره ثابت کرد.”

چرخش نوترون

این امر با کمک نوترون‌ها در منبع نوترونی ILL در گرنوبل امکان‌پذیر شد: نوترون‌ها روی کریستالی فرستاده می‌شوند که موج کوانتومی نوترون را به دو موج جزئی تقسیم می‌کند، بسیار شبیه به آزمایش دو شکاف کلاسیک. دو موج نوترونی جزئی در امتداد دو مسیر مختلف حرکت می کنند و دوباره با هم ترکیب می شوند. آنها تداخل دارند و سپس اندازه گیری می شوند.

علاوه بر این، با این حال، یکی دیگر از ویژگی های نوترون مورد بهره برداری قرار می گیرد: اسپین آن – تکانه زاویه ای ذره. می‌تواند تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی قرار گیرد، تکانه زاویه‌ای نوترون سپس در جهت دیگری قرار می‌گیرد. اگر اسپین نوترون فقط روی یکی از دو مسیر بچرخد، می توان بعداً تعیین کرد که کدام مسیر را طی کرده است. با این حال، الگوی تداخل نیز در نتیجه مکمل بودن در مکانیک کوانتومی ناپدید می شود.

هارتموت لمل، نویسنده اول مقاله کنونی، توضیح می دهد: «بنابراین، ما  نوترون را اندکی می چرخانیم. “سپس الگوی تداخل باقی می ماند، زیرا شما فقط می توانید اطلاعات بسیار کمی در مورد مسیر به دست آورید. برای اینکه همچنان اطلاعات مسیر دقیق به دست آورید، این اندازه گیری ضعیف بارها در آزمایش های معمولی تکرار می شود. با این حال، پس از آن فقط یک بیانیه آماری به دست می آید. در مورد کل مجموعه نوترون ها و می توان کمی در مورد هر نوترون منفرد صحبت کرد.”

معکوس کردن چرخش

اگر پس از ادغام دو موج جزئی نوترونی، از میدان مغناطیسی دیگری برای برگرداندن مجدد اسپین استفاده شود، وضعیت متفاوت است. با آزمون و خطا، زاویه چرخشی که برای برگرداندن چرخش حالت روی هم قرار گرفته به جهت اصلی لازم است، تعیین می شود. قدرت این چرخش معیاری است از میزان حضور نوترون در هر مسیر. اگر فقط مسیری را طی می کرد که چرخش در آن چرخیده است، زاویه کامل چرخش برای چرخش آن به عقب ضروری بود. اگر فقط مسیر دیگری را طی می کرد، اصلاً چرخش معکوس لازم نبود. در آزمایشی که با استفاده از یک تقسیم کننده پرتو نامتقارن خاص انجام شد، نشان داده شد که نوترون ها در یک مسیر تا یک سوم و در مسیر دیگر تا دو سوم وجود دارند.

از طریق محاسبات دقیق، تیم قادر به نشان دادن این بود: در اینجا، فرد صرفاً یک مقدار متوسط را روی کل تمام نوترون‌های اندازه‌گیری شده تشخیص نمی‌دهد، بلکه این عبارت برای هر نوترون منفرد اعمال می‌شود. برای تعیین زاویه چرخش بهینه به نوترون های زیادی نیاز است، اما به محض اینکه این زاویه تنظیم شد، حضور مسیر تعیین شده از آن برای هر نوترون شناسایی شده اعمال می شود.

استفان اسپونار می گوید: نتایج اندازه گیری ما از نظریه کوانتومی کلاسیک پشتیبانی می کند. «تازه این است که نیازی نیست به استدلال‌های آماری رضایت‌بخش متوسل شویم: هنگام اندازه‌گیری یک ذره، آزمایش ما نشان می‌دهد که باید همزمان دو مسیر را طی کرده باشد و نسبت‌های مربوطه را به‌طور واضح کمی می‌کند». این موضوع تفسیرهای جایگزین مکانیک کوانتومی را که سعی در توضیح آزمایش دو شکافی با ذرات موضعی دارند، رد می کند.