crithin

Categories:

Корпускулярно-волновой дуализм подтвердили экспериментально. Что это значит?

Иногда вещи, которые на первый взгляд кажутся невероятно простыми, на самом деле оказываются чуть ли не самыми сложными. Взять, к примеру, свет. Древние цивилизации испытывали больше трудностей в понимании его природы, чем в понимании вещества – чего-то, к чему можно прикоснуться. Сегодня мы знаем, что свет – это не только способ переноса энергии от Солнца к Земле, делающей жизнь на нашей планете возможной, но и невидимая сеть из фотонов, которая позволяет электромагнетизму работать на расстоянии. 

Перед вами первый в истории снимок света и как волны, и как частицы. Фото сделано в лаборатории Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) в Федеральной политехнической школе Лозанны
Перед вами первый в истории снимок света и как волны, и как частицы. Фото сделано в лаборатории Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) в Федеральной политехнической школе Лозанны

Интересно, что до конца XVII века существовало две противоположные теории света. Так, Ньютон считал, что свет состоит из крошечных частиц, которые он назвал корпускулами. Но другие ученые, включая современников английского физика, полагали, что свет состоит из волн, как рябь, движущаяся по поверхности воды. Многим позже шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу удалось объединить Ньютоновские корпускулы и волновую теорию света, создав теорию, в которой эти явления были хорошо собраны воедино.

  • Интересный факт
    В работе 1801 года английский физик Томас Юнг описал создание двух узких пучков лучей, идущих от одного и того же источника. Опыт показал, что световые волны интерферируют друг с другом, приводя к появлению на экране темных и светлых полос. Используя пару узких щелей Юнг в конечном итоге заставил свет охватить весь листок бумаги. 

Природа света 

Сегодня мы знаем, что свет может вести себя как частица и как волна. Но достигнуть этого понимания было непросто. Так, к началу XIX века было известно, что волны света могут интерферировать друг с другом (то есть усиливать или ослаблять друг друга).

Если бросить в воду два камушка, в некоторых точках водной глади волны от этих камней будут одновременно подниматься, усиливая друг друга и порождая интенсивную волну. При этом в других точках они будут колебаться в противоположных направлениях и гасить друг друга. В ходе эксперимента Томас Юнг увидел на листе бумаги светлые и темные полосы – это означает, что световые волны подвергались такому же процессу интерференции.

Интерференция волн. Изображение: Юлия Кузьмина для ПостНауки
Интерференция волн. Изображение: Юлия Кузьмина для ПостНауки
Основоположником волновой теории света был Христиан Гюйгенс, развивал ее Опасен-Жен Френель, а Джеймс Клерк Максвелл описал электромагнитное поле и электромагнитное излучение в своих уравнениях, сделав возможным понимание природы света. На основе интерференции можно строить голограммы и объяснить интерференцию и дифракцию.

Однако свет можно также рассматривать как поток частиц – фотонов или квантов света. В основе корпускулярной теории лежат идеи Исаака Ньютона. В ХХ веке эти положения развил Макс Планк. Интересно, что используя представление о свете как о потоке частиц, можно объяснить фотоэффект и теорию излучения. В настоящее время считается, что свет может проявлять себя и как волна и как поток частиц.

Корпускулярно-волновой дуализм 

Итак, свет может в любой момент времени вести себя как частица или волна, однако демонстрировать одно из двух состояний одновременно он не может. Если эксперимент требовал от него свойств волны, то свет вел себя как волна – и то же самое для частицы. Позже этот принцип стал известен как корпускулярно-волновой дуализм.

Эту по-настоящему странную картину в итоге удалось завершить французскому физику Луи де Бройлю в 1924 году. Если свет, который рассматривается как волна, может вести себя как поток частиц, то, возможно, частицы, например электроны, могут вести так, как если бы они были волнами.

ревние греки считали, что свет является формой огня, предполагая, чтоб направлялся из глаз к объектам, которые человек мог видеть.
ревние греки считали, что свет является формой огня, предполагая, чтоб направлялся из глаз к объектам, которые человек мог видеть.

По сути, концепция де Бройля иллюстрировала, насколько квантовая физика подрывала старые предположения, ведь составляющими веществами материи были электроны, или вещества, а фотоны образовывали невидимый свет. И тем не менее, при некоторых обстоятельствах они вели себя как волны, а при других – как частицы. Как только квантовый мир ворвался в мир классической физики, прежние различия стали менее определенными.

Между тем, идея о том, что электроны могут проявлять волновые свойства, отлично вписывалась в модель атома Нобелевского лауреата Нильса Бора. В ней электрон мог занимать только определенные орбитали вокруг ядра и прыгать между орбиталями в квантовых скачках при потере или получении энергии виде фотона. Напомню, что структура волны электрона, окружающая ядро атома, также известна под названием «орбиталь».

Квантовая революция 

Основоположник современной атомной физики, Нильс Бор, пытался разрешить экзистенциальную дилемму квантовой механики. Он изобрел принцип дополнительности, согласно которому в некоторых экспериментах квантовые объекты будут локализованы и действовать как частицы,а в других различных экспериментах точно такой же квантовый объект будет распространяться и действовать как волна.

В 2018 году исследователи из Университета Рочестера в статье, опубликованной в научном журнале Optica, говорят, что разрешили эту странную и неизбежную корпускулярно-волновую двойственность, обнаружив тесную связь между двойственностью и другой столь же странной особенностью квантовой механики, а именно квантовой запутанностью. 

Ведущий автор исследования Сяофэн Цянь и его коллеги пришли к выводу, что каждая из особенностей квантовой странности — запутанность и двойственность — точно контролирует другую.

Запутанность – это квантово-механическое поведение двух частиц, в котором ни одна из них не может быть описана отдельно, независимо от описания другой, даже если частицы разделены огромным расстоянием. Это то же самое свойство, которое нобелевский лауреат по физике Эрвин Шредингер использовал для объяснения своего знаменитого мысленного эксперимента с участием кошки, счетчика Гейгера и небольшого количества яда в запечатанной коробке.
овсем недавно запутанность стала важным элементом в продолжающемся развитии квантовых вычислений и квантовой информатики.
овсем недавно запутанность стала важным элементом в продолжающемся развитии квантовых вычислений и квантовой информатики.

Новое открытие вытекает из открытия о двойственности, сделанного Уильямом Вуттерсом и Войцеком Зуреком, двумя аспирантами-физиками Техасского университета в Остине, когда они размышляли о знаменитом эксперименте по оптике, проведенном Томасом Юнгом. В 1979 году Вуттерс и Зурек предсказали, что в одном и том же эксперименте можно измерить как волнообразное рассеяние, так и частичную локализацию света, но сумма измеренных величин не может быть больше.

Исследователи из Рочестера, однако, отмечают, что эксперимент с двумя щелями Юнга также может привести к тому, что обе меры будут равны нулю, что противоречит принципу дополнительности Бора. Согласно общепринятой интерпретации, это означает, что ни частицы, ни волны нет, но свет все еще можно обнаружить, – говорит Цянь.

Это исследование мало назвать революционным – результатом является первое полное описание взаимодополняемости – недостающей части головоломки квантовой запутанности. Описывая способ учета запутанности, наряду с наличием волн и частиц, работа исследователей из Рочестера означает, что каждый эксперимент Юнга, связанный с двойственностью, даст измеренную сумму с точным значением, которая удовлетворяет условиям, изложенным Бором более девяти десятилетий назад.

Новые особенности 

Но вернемся к корпускулярно-волновому дуализму. Для количественной проверки его фундаментального принципа и взаимодополняемости необходима квантовая составная система, которой можно управлять с помощью экспериментальных параметров. После того, как Нильс Бор ввел концепцию «взаимодополняемости» в 1928 году, лишь несколько идей были проверены экспериментально.

Таким образом, концепция дополнительности и корпускулярно-волнового дуализма все еще остается неуловимой и еще не полностью подтверждена экспериментально.

Но эта проблема, как и любая другая, имеет решение. Так, исследовательская группа из Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) воспользовалась результатами опытов в «схеме однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой» (оптическая схема, которую физики использовали для демонстрации однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой, для проверки предсказанных ранее соотношения дополнительности).

Новое, разработанное исследователями устройство – двухлучевой интерферометр – генерирует фотоны когерентного сигнала (кванты), которые используются для измерения квантовых помех. Затем кванты проходят по двум отдельным путям, прежде чем достичь детектора.

Сопряженные «холостые» фотоны используются для получения информации о пути частиц с контролируемой точностью, что позволяет количественно оценивать комплементарность, – пишет портал Phys.org со ссылкой на исследование.
Схема эксперимента. PPLN1 и PPLN2 – это СПР кристаллы, BS1, BS2 и BS3 – светоделители, DA и DB – детекторы холостой моды. PD – фотодетектор, фиксирующий квантовую интерференцию между сигнальными фотонами.T. H. Yoon / Science Advances, 2021; Перевод N+1
Схема эксперимента. PPLN1 и PPLN2 – это СПР кристаллы, BS1, BS2 и BS3 – светоделители, DA и DB – детекторы холостой моды. PD – фотодетектор, фиксирующий квантовую интерференцию между сигнальными фотонами. T. H. Yoon / Science Advances, 2021; Перевод N+1

Физики также отмечают, что данные, полученные ими на этой установке ранее, могут быть использованы для исследования связи предсказуемости, видимости и квантовой запутанности. В ходе эксперимента им удалось управлять числом фотонов в «холостых модах» с помощью маломощного лазера и, следовательно, чистотой состояний сигнальных фотонов. Полученные результаты продемонстрировали, что экспериментальные данные довольно точно описываются выведенными соотношениями.

  • Интересный факт
    Как пишет в своей книге "Физика для каждого образованного человека" Спектор Анна Артуровна, фотоэлементы сделали возможным звуковое кино. На кинопленку стали наносить звуковую дорожку – прозрачные окошки различной площади. Свет через них достигал фотоэлемента, затем преобразовывался в электрический сигнал и подавался на громкоговоритель.

В целом, из всего вышеописанного можно сделать вывод, к которому в свое время пришел один из выдающихся исследователей ХХ века, физик Ричард Фейнман. "Решение загадки квантовой механики заключается в понимании эксперимента с двумя щелями", – писал он. 

Все потому, что результаты нового исследования, вероятно, будут иметь фундаментальные последствия для лучшего понимания принципа дополнительности и количественного соотношения двойственности волны и частицы. Вообщем, фундаментальные силы природы, кажется, все больше поддаются изучению.

Материал подготовлен специально для Hi-News.ru

Обнаружили ошибку или у вас остались вопросы? Напишите нам:crithin@crithin.ru

Наша группа Вконтакте 

promo crithin июль 24, 2019 21:55 173
Buy for 250 tokens
Отрицателей изменения климата часто обвиняют в приверженности лженауке, в том числе креационизму, астрологии, уфологии, парапсихологии, практикованию альтернативной медицины и любому отклонению от научной истины. Проблема кроется в границе между наукой и лженаукой, поскольку…
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →

Error

Anonymous comments are disabled in this journal

default userpic
lj_frank_bot
Здравствуйте!
Система категоризации Живого Журнала посчитала, что вашу запись можно отнести к категории: Наука.
Если вы считаете, что система ошиблась — напишите об этом в ответе на этот комментарий. Ваша обратная связь поможет сделать систему точнее.
Фрэнк,
команда ЖЖ.
Deleted comment
apollo_musaget
( задорно) — Сорок раз вокруг ноги ... Есть где надыбать искажения, которые потом выдаются за "положительный" результат эксперимента.
ti_eugene

ti_eugene

August 26 2021, 18:57:08 UTC

А мне вот показалось, что автор не делает никаких подтасовок.
Просто дислексический бред несет да и всё.
Suspended comment
master_moose
что свет состоит из волн, как рябь, движущаяся по поверхности воды

Есть в подобных аналогиях какая-то невысказанность. "Рябь, движущаяся по поверхности воды", состоит не из волн, а из воды :). Соответственно, утверждение о том, что свет состоит из волн — это какая-то лажа. Волна — это процесс, но никак не материальная первооснова чего бы то ни было.
andrey_eroshin
Внутри атомов субатомные частицы связаны с ядром благодаря присутствию (других) субатомных частиц, которые ведут себя подобно гравитационным частицам в солнечной системе, точно так же и планеты связаны с солнцем. Движение нескончаемо, поскольку стремление к центру ядра создает сжатие, которое уменьшается благодаря направленному наружу потоку, эти частицы вскоре оказываются на периферии - в разрежённом состоянии, и цикл движения частиц повторяется снова, они направляются к ядру из-за свойственного им притяжения друг к другу. Известно, что вся материя стремится принять статичное состояние, когда все её части одинаково спокойны (из-за рассеяния энергии) и не движутся, подобно желе, но поскольку равенство в веществе из-за свойственных ему различий в размере частиц и в их природе существовать никогда не может, движение никогда не прекращается. Стремится всё время, но это никогда не удаётся.

Из-за этого притяжения к ядру и стремления выровнять плотность движение субатомных частиц имеет волновую природу. Непостоянство повторяющегося характера встречается в Природе часто, поскольку после накопления следует постепенное рассеяние, пока не достигнут определённый порог, и тогда накопление начинается снова. В основе существования космоса лежит пульсация, - пульсация умирающих звезд, пульсация сокращения сердечных мышц, а также аналогичная пульсация субатомных частиц. Повсюду действует один и тот же механизм, и в нём всё происходит со скоростью исхода из причины, - в соответствии с современным причудливым объяснением ученых. Пространство, даже пространство внутри атома, вряд ли где-нибудь является пустым, оно всевозможным способом заполнено крошечными частицами, пока ещё не открытыми человеком. Множество частиц или групп частиц следуют по пути, отличающемся от прямой, так как на своём пути они создают перед собой давление, вызывающее поворот в одну сторону - "зиг", как только они обнаруживают, что снова создали перед собой давление, так им нужно совершать поворот в другую сторону - "заг". Этот путь не хаотический, но становится зигзагообразной линией, результирующая которой направлена прямо, поскольку давление, созданное слева приводит к повороту направо, а давление, созданное справа заставляет найти зону, где действующей силы нет, слева, - там, где только что было создано существенное разрежение. Зигзаг сохраняется всегда.

Человечество предполагает, что одиночная частица переходит в волну, одна частица следует за другой, послушно переходя в своего рода волновую линию. Это происходит и так, и в то же время не так. Если две частицы находились в движении, перемещаясь в одном и том же направлении, поскольку их движение вызвано одной и той же причиной, то они будут создавать танец почти такой же, как в объединении из двух звезд. Они взаимодействуют друг с другом, в то время как одновременно на них воздействуют многие другие факторы. Эти две частицы начинают двигаться врозь друг от друга, чтобы уменьшить возникшую скученность, но затем, когда скученность уменьшилась, обнаруживают, что их снова влечёт друг к другу, и они опять движутся по направлению друг к другу. Действие волны вовсе не такое, как предполагают люди, считая, что движется единая волна. Волна - это множественность движений, каждое из которых происходит с той же самой волновой амплитудой, шириной и частотой. Если люди смогли бы увидеть эту драму, они заметят не волну, а то, что выглядит как труба.
zyrlin
Пространство, даже пространство внутри атома, вряд ли где-нибудь является пустым, оно всевозможным способом заполнено крошечными частицами, пока ещё не открытыми человеком
Если частицы слишком крошечные, намного меньше электрона, то неопределенность их положения и скорости будет гораздо больше электронных орбит. А если эти частицы подчиняются принципу Ферми, то вблизи атомного ядра не сможет находиться больше, чем одна или две таких гипотетических частицы. Получится нечто вроде подобия атома водорода или гелия, но размеры вероятностной фунции этой частицы будут намного больше, а ее амплитуда намного меньше.
ipatyliberalov
Многим позже шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу удалось объединить Ньютоновские корпускулы и волновую теорию света, создав теорию, в которой эти явления были хорошо собраны воедино. — Это вы в Википедии прочитали?
forlaiten
«К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре»

Квантовое взаимодействие осуществляется по формуле Планка в Чёрном теле. Физики квант из формулы Планка вытащили и пихают куда ни попадя ... Материя — до того, как сшиты штаны. Неживое — сшитое. Живое из неживого — глупь низкоуровневого образования. Живое и неживое — из материи. Атом — характеристика данной материи. В квантовой механике о нормальном спектре речи уже нет. Энергия — результат взаимодействия, по Таблице Менделеева, в химических реакциях. Для фотоэффекта нужно писать формулу ... термодинамическую. Эйнштейн термодинамику не изучал и физиком быть не мог. Энергия света нормального спектра, это очень сложно. Из ружья палят, а не стреляют, потому что были такие палицы. Ещё была булава. Той можно было и на Луну отправить, без затрат энергии. Физикам невдомёк, что гравитацию они пытаются объяснить с помощью химических элементов. Неделимую составляющую имеет весь вещественный мир. Физика, это очень сложно.
zyrlin
Корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного излучения был доказан сто лет назад. Точнее дали теоретическое обоснования явлениям, которые были известны тысячи лет — железо при нагревании сначала краснеет, потом белеет. А вот докажут ли дуализм гравитации? Тут нужно говорть не о дуализме, а о тринитаризме. С одной стороны гравитация это поле, наподобие электромагнитного, только одинаковые заряды не отталкиваются, а притягиваются. С другой — искривление пространства и когда масса ускоряется в поле, она типа отклоняется от прямой в искривленном пространстве, как на кривом полу. А с третьей — поток квантов гравитационного поля, именуемых гравитонами, которые пока не обнаружены по причине их малой энергии.
Но ведь если вокруг коллапсирующей звезды искривляется пространство-время, то расстояние до звезды растет (число пи стремится к нулю ;@))) а время замедляется, то есть скорость всех процессов для внешнего наблюдателя стремится к нулю. Значит, поток гравитонов (или, если угодно, напряженность поля) тоже должны стремиться к нулю. То есть никаких черных дыр быть не может! То есть черные дыры могут существовать, но до внешнего наблюдателя они не будут давать не только электромагнитного излучения, но и гравитационного поля.
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →