Одна частица на двух путях: квантовая физика верна

Эксперимент с двумя щелями — самый известный и, вероятно, самый важный эксперимент в квантовой физике: отдельные частицы выстреливаются в стену с двумя отверстиями, за которыми детектор измеряет, куда попадают частицы. Это показывает, что частицы движутся не по очень определенному пути, как известно из классических объектов, а по нескольким путям одновременно: каждая отдельная частица проходит как через левое, так и через правое отверстие. Обычно это может быть доказано путем многократного проведения эксперимента и оценки результатов многих обнаружений частиц в конце. В TU Wien исследователи разработали новый вариант такого двустороннего интерференционного эксперимента, который может исправить этот недостаток: один нейтрон измеряется в определенном положении — и благодаря сложной измерительной установке это единственное измерение уже доказывает, что частица двигалась по двум разным траекториям одновременно. Можно даже определить соотношение, в котором нейтрон был распределен между двумя путями. Таким образом, явление квантовой суперпозиции может быть доказано без необходимости прибегать к статистическим аргументам. Результаты теперь опубликованы в журнале Physical Review Research.

Эксперимент с двумя щелями

«В классическом эксперименте с двумя щелями — за двойной щелью создается интерференционная картина», — объясняет Стефан Спонар из Атомного института в TU Wien. «Частицы движутся как волна через оба отверстия одновременно, и затем две частичные волны интерферируют друг с другом. В некоторых местах они усиливают друг друга, в других местах они нейтрализуют друг друга». Вероятность измерения частицы за двойной щелью в очень определенном месте зависит от этой интерференционной картины: там, где квантовая волна усиливается, вероятность измерения частицы высока. Там, где квантовая волна нейтрализуется, вероятность невелика. Конечно, это волновое распределение нельзя увидеть, глядя на одну частицу. Только когда эксперимент повторяется много раз, волновая картина становится все более узнаваемой точка за точкой и частица за частицей. «Таким образом, поведение отдельных частиц объясняется на основе результатов, которые становятся видимыми только при статистическом исследовании многих частиц», — говорит Хольгер Хофманн из Университета Хиросимы, который разработал теорию, лежащую в основе эксперимента. «Конечно, это не совсем удовлетворительно. Поэтому мы рассмотрели, как явление двусторонней интерференции может быть доказано на основе обнаружения одной частицы «.

Вращение нейтрона

Это стало возможным с помощью нейтронов в источнике нейтронов ILL в Гренобле: нейтроны направляются на кристалл, который расщепляет квантовую волну нейтрона на две частичные волны, очень похожие на классический эксперимент с двумя щелями. Две частичные нейтронные волны движутся по двум разным траекториям и снова рекомбинируются. Они создают помехи, а затем измеряются. Однако, кроме того, используется еще одно свойство нейтрона: его спин — угловой момент частицы. На него могут влиять магнитные поля, тогда угловой момент нейтрона указывает в другом направлении. Если спин нейтрона вращается только по одному из двух путей, впоследствии можно определить, какой путь он выбрал. Однако затем интерференционная картина также исчезает, как следствие взаимодополняемости в квантовой механике. «Поэтому мы немного поворачиваем спин нейтрона», — объясняет Хартмут Леммель, первый автор текущей публикации. «Тогда интерференционная картина остается, потому что вы можете получить очень мало информации о пути. Чтобы по-прежнему получать точную информацию о траектории, это «слабое» измерение повторяется много раз в обычных экспериментах. Однако тогда мы получаем только статистическое утверждение о целом ансамбле нейтронов и мало что можем сказать о каждом отдельном нейтроне.»

Изменение направления вращения

Ситуация иная, если после слияния двух нейтронных парциальных волн используется другое магнитное поле, чтобы снова повернуть вращение вспять. Методом проб и ошибок определяется угол поворота, необходимый для поворота вращения наложенного состояния обратно в исходное направление. Сила этого вращения является мерой того, насколько сильно нейтрон присутствовал на каждом пути. Если бы он прошел только ту траекторию, по которой был повернут спин, для его обратного поворота потребовался бы полный угол поворота. Если бы он выбрал только другой путь, никакого обратного вращения вообще не потребовалось бы. В эксперименте, проведенном с использованием специального асимметричного светоделителя, было показано, что нейтроны присутствовали на одну треть в одном пути и на две трети в другом. С помощью подробных расчетов команда смогла показать: здесь не просто определяется среднее значение по совокупности всех измеренных нейтронов, но это утверждение применимо к каждому отдельному нейтрону. Требуется много нейтронов, чтобы определить оптимальный угол поворота, но как только он установлен, наличие траектории, определенное на его основе, применяется к каждому обнаруженному нейтрону. «Результаты наших измерений подтверждают классическую квантовую теорию», — говорит Стефан Спонар. «Новизна заключается в том, что не нужно прибегать к неудовлетворительным статистическим аргументам: при измерении одной частицы наш эксперимент показывает, что она, должно быть, прошла два пути одновременно, и однозначно определяет соответствующие пропорции». Это исключает альтернативные интерпретации квантовой механики, которые пытаются объяснить эксперимент с двумя щелями с локализованными частицами.

Опубликовано: May 11, 2022 https://phys.org/news/2022-05-particle

Автор: https://phys.org/partners/vienna-university-of-technology/ Венский технологический университет (нем. Technische Universität Wien, TU Wien; ранее: k.k. Polytechnisches Institut, Императорский и Королевский политехнический институт в 1815-1872 годах; Техническая высшая школа, Технологический колледж в 1872-1975 годах) — один из крупнейших университетов Вены, столицы Австрии. Университет пользуется высоким международным и внутренним признанием как в преподавании, так и в научных исследованиях и является уважаемым партнером инновационно ориентированных предприятий. В настоящее время в нем обучается около 26 200 студентов (19% иностранных студентов/30% женщин), восемь учебных заведений и около 4000 сотрудников (1800 преподавателей). Преподавание и научные исследования университета сосредоточены на инженерных и естественных науках.

Website https://www.tuwien.ac.at/en/

More information: Hartmut Lemmel et al, Quantifying the presence of a neutron in the paths of an interferometer, Physical Review Research (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.023075