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 



источник - crithincrithin 
[367 ссылок 53 комментариев 5200 посещений]
читать полный текст со всеми комментариями
blog comments powered by Disqus

Добавить комментарий



Топы по Месяцам

Твиттер @t30p

Twitter января 21, 19:00
[1$] Рефлексы Как бы не пыжился в распальцовке венец природы, он, так или https://ift.tt/3An9RH1

Twitter января 21, 19:00
Вернуться в пещеру В детские годы, помимо островов, у меня был и другой объект https://ift.tt/3ApapfE

Twitter января 21, 18:40
Приходил кот Вчера я испытала эмоциональный шок. Сижу в комнате, вышивку вышиваю под аудио. Саша кричит из кухни: Т https://blog.t30p.ru/post.aspx?id=e44ed573-e394-432f-98ae-df14ccbe756c

Twitter января 21, 18:30
RT @kattyfun1: Виявляється у нас в парламенті питаннями інтеграції України до ЄС займається особа, яка знаходиться під санкціями США за роб…

Twitter января 21, 18:20
про конфликты и отношения - продолжениеПервую часть можно найти здесь — https://ru-psiholog.livejournal.com/9243748 https://blog.t30p.ru/post.aspx?id=3ca31793-303c-48f1-ade8-551a653e33a4

Twitter января 21, 18:00
Признание... Вячеслав Володин заявил, что фракции в Госдуме на следующей неделе будут обсуждать признание ДНР и ЛНР https://blog.t30p.ru/post.aspx?id=7a7cb522-466b-4020-bb0e-67782cdc873b

Twitter января 21, 17:40
Про маникюр Убежден, что маникюр (и педикюр) это чисто глупость и развод теть на бабло.Потому что на вопрос на хуя https://blog.t30p.ru/post.aspx?id=d2b8f2e3-b1b0-43f0-ab02-7aea5e9d2cb5

Twitter января 21, 17:20
Охота за цветом "Жёлтый, Красный, Голубой, Hе угнаться За тобой!" Задача"Жёлтый,Красный,Голубой,Hе угнатьсяЗа тобо https://blog.t30p.ru/post.aspx?id=3c7c37da-aff0-400c-88b5-b84f72da7d7a

Twitter января 21, 17:00
Переход угрожаемого периода в фазу горячей войны России и НАТОПереход от угрожаемого периода к горячей фазе войны м https://blog.t30p.ru/post.aspx?id=f37cf05f-80bd-4671-80e4-11e4923abd99

Twitter января 21, 16:40
Логика империи Всего два утверждения. 1. Введение (США) санкций противссийских банков, которые в случае начала но https://blog.t30p.ru/post.aspx?id=271668a9-0811-48d7-9ad0-603d43176efa

Twitter января 21, 16:20
Мощность извержения вулкана Хунга составила десять мегатоннИсследователи из NASA оценили мощность извержения вулкан https://blog.t30p.ru/post.aspx?id=06d6a6fe-74ec-451b-a7e2-73c538c2f183

Twitter января 21, 16:07
RT @Makarov_51: Вот... ремонт в колидоре доделол... https://twitter.com/Makarov_51/status/1484356159045734407/photo/1

Twitter января 21, 16:00
Упаковка отечественных компьютеров вызывает уважение. Сразу видно, сделано в России.[more]Выдерживает небольшой ато https://blog.t30p.ru/post.aspx?id=92861aed-dee7-4e83-8057-2b45d837f822

Twitter января 21, 15:46
RT @ArmedForcesUkr: Якщо російські окупанти наважаться на вторгнення, на них чекатимемо ми, за кожним деревом, будинком! Слава Нації!🇺🇦🇺🇦🇺🇦…

Twitter января 21, 15:46
@ArmedForcesUkr Поздравляю, в топе твиттера с 303 ретвитами и 2 ответами на 5е место http://www.t30p.ru/t https://twitter.com/ArmedForcesUkr/status/1484255021743194115

Twitter января 21, 15:40
ВКС России получили два серийных истребителя Су-57Как сообщил в своем докладе на состоявшемся 20 января 2022 года в https://blog.t30p.ru/post.aspx?id=3496b96a-75b9-410b-b89f-dd4b1af76adf

Twitter января 21, 15:26
@PLuWex Поздравляю, Вы попали в топ твиттера с 281 ретвитами и 2 ответами на 6е место http://www.t30p.ru/t https://twitter.com/PLuWex/status/1484186555275255809

Twitter января 21, 15:26
RT @PLuWex: Свой бессмертный подвиг он совершил 21 января 1987-го в Афганистане. После катапультирования с подбитого штурмовика, раненый со…

Twitter января 21, 15:20
Кто и где именно избил Красу России 2021?Насмешливое презрение вызывает страна, в которой можно безнаказанно избить https://blog.t30p.ru/post.aspx?id=7b7af621-b13a-4c24-9f11-0e268e63bdc7

Twitter января 21, 15:05
@igorlachen Поздравляю, Вы попали в топ твиттера с 386 ретвитами и 2 ответами на 5е место http://www.t30p.ru/t https://twitter.com/igorlachen/status/1484213293044711424

follow me