Eksperyment Afszara

Część serii artykułów o
mechanice kwantowej
Równanie Schrödingera
Tło
Podstawy
Eksperymenty
preparaty
równania
Interpretacje
Zaawansowane tematy
Naukowcy

Eksperyment Afshar jest odmianą eksperymentu z podwójną szczeliną w mechanice kwantowej, opracowanego i przeprowadzonego przez Shahriara Afshara w prywatnym bostońskim Instytucie Badań nad Masą Indukowaną Promieniowaniem (IRIMS). Wyniki zostały zaprezentowane na seminarium na Harvardzie w marcu 2004 roku. Afshar twierdził, że eksperyment dostarcza informacji o tym, którą z dwóch ścieżek foton przechodzi przez aparat, jednocześnie umożliwiając obserwację interferencji między dwiema ścieżkami, pokazując, że siatka drutów, umieszczony w węzłach wzoru interferencyjnego, nie zmienia wiązek. Afshar twierdził, że eksperyment narusza zasadę komplementarności mechaniki kwantowej , która z grubsza stwierdza, że ​​​​cząsteczkowe i falowe aspekty obiektów kwantowych nie mogą być obserwowane w tym samym czasie, a konkretnie relacja dualności Englert-Greenberger . Eksperyment został powtórzony przez wielu badaczy, ale jego interpretacja jest kontrowersyjna i istnieje kilka teorii, które wyjaśniają efekt bez naruszania komplementarności.

Przegląd

Eksperyment Afshara wykorzystuje wariant klasycznego eksperymentu Thomasa Younga z podwójną szczeliną do tworzenia wzorców interferencji w celu zbadania komplementarności . Jednym z twierdzeń Afshara jest to, że w jego eksperymencie możliwe jest sprawdzenie prążków interferencyjnych strumienia fotonów (pomiar falowej natury fotonów), jednocześnie określając informację „która ścieżka” każdego fotonu (a pomiar cząsteczkowej natury fotonów). W jego eksperymencie otworek A jest skorelowany z detektorem 1, gdy otworek B jest zamknięty, a otworek B jest skorelowany z detektorem 2, gdy otworek A jest zamknięty. Twierdzenie Afshara o naruszeniu zasady komplementarności zależy przede wszystkim od jego twierdzenia, że ​​te korelacje pozostają, a zatem informacja o tym, która ścieżka jest zachowana, gdy oba otwory są otwarte, i cytuje Wheelera na poparcie.

Historia

Eksperymentalna praca Shahriara S. Afshara została wykonana początkowo w Institute for Radiation-Induced Mass Studies (IRIMS) w Bostonie w 2001 r., A później została powielona na Uniwersytecie Harvarda w 2003 r., Kiedy był tam pracownikiem naukowym. Wyniki zostały zaprezentowane na seminarium na Harvardzie w marcu 2004 r. i opublikowane jako materiały konferencyjne przez The International Society for Optical Engineering (SPIE). Eksperyment pojawił się na okładce wydania New Scientist z 24 lipca 2004 roku . Sam artykuł fabularny New Scientist wygenerował wiele odpowiedzi, w tym różne listy do redaktora, które ukazały się w numerach z 7 i 14 sierpnia 2004 r., Argumentując przeciwko wnioskom wyciągniętym przez Afshara, z odpowiedzią Johna G. Cramera . Afshar przedstawił swoją pracę również na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w Los Angeles pod koniec marca 2005 r. Jego recenzowana praca została opublikowana w Foundations of Physics w styczniu 2007 r.

Zestaw doświadczalny

Rys. 1 Eksperyment bez zasłaniania drucianej siatki
Ryc.2 Eksperyment z przeszkadzającą siatką drucianą i zakrytym jednym otworem
Ryc.3 Eksperyment z siatką drucianą i otwartymi obydwoma otworami. Druty leżą na ciemnych prążkach i tym samym blokują bardzo mało światła

Eksperyment wykorzystuje konfigurację podobną do tej w eksperymencie z podwójną szczeliną . W wariancie Afshara światło generowane przez laser przechodzi przez dwa blisko siebie rozmieszczone okrągłe otwory (nie szczeliny). Po podwójnych otworach soczewka ponownie skupia światło, tak że obraz każdego otworka pada na oddzielne detektory fotonów (ryc. 1). Gdy otworek 2 jest zamknięty, foton, który przechodzi przez otworek 1, uderza tylko w detektor fotonów 1. Podobnie, przy zamkniętym otworku 1, foton, który przechodzi przez otworek 2, uderza tylko w detektor fotonów 2. Gdy oba otworki są otwarte, twierdzi Afshar, cytując Wheelera na poparcie, że otworek 1 pozostaje skorelowany z detektorem fotonów 1 (i odwrotnie dla otworka 2 z detektorem fotonów 2), a zatem informacja o tym, w którą stronę jest zachowana, gdy oba otwory są otwarte.

Kiedy światło działa jak fala, z powodu interferencji kwantowej można zaobserwować, że istnieją obszary, których fotony unikają, zwane ciemnymi prążkami . Siatka cienkich drutów jest umieszczona tuż przed soczewką (ryc. 2), tak że druty leżą na ciemnych prążkach wzoru interferencyjnego, który jest tworzony przez konfigurację z dwoma otworami. Jeśli jeden z otworów zostanie zablokowany, wzór interferencyjny nie będzie się już tworzył, a siatka drutów powoduje znaczną dyfrakcję światła i blokuje jego część przed wykryciem przez odpowiedni detektor fotonów. Jednak gdy oba otwory są otwarte, wpływ drutów jest znikomy, porównywalny z przypadkiem, w którym nie ma drutów umieszczonych przed soczewką (ryc. 3), ponieważ druty leżą na ciemnych prążkach obrazu interferencyjnego . Efekt nie jest zależny od natężenia światła (strumienia fotonów).

Aby stwierdzić naruszenie zasady komplementarności , Afshar rozważa przypadek, w którym oba otworki są otwarte i stwierdza zarówno wysoką widoczność V interferencji, jak i wysoką rozróżnialność D (odpowiadającą informacjom o ścieżce), tak że V 2 + D 2 > 1. Jego twierdzenie w dużej mierze zależy od tego, czy informacja o tym, która ścieżka jest zachowana, gdy oba otworki są otwarte.

Interpretacja Afszara

Wniosek Afshara jest taki, że gdy oba otwory są otwarte, światło zachowuje się jak fala, przechodząc przez druty, ponieważ światło przechodzi przez przestrzenie między drutami, ale unika samych drutów, ale także zachowuje się jak cząstki po przejściu. soczewkę, a fotony trafiają do skorelowanego fotodetektora. Afshar argumentuje, że takie zachowanie jest sprzeczne z zasadą komplementarności do tego stopnia, że ​​pokazuje zarówno charakterystykę falową, jak i cząsteczkową w tym samym eksperymencie dla tych samych fotonów.

Przyjęcie

Konkretna krytyka

Wielu naukowców opublikowało krytykę interpretacji jego wyników przez Afshara, z których niektórzy odrzucają twierdzenia o naruszeniu komplementarności, różniąc się jednocześnie sposobem wyjaśniania, w jaki sposób komplementarność radzi sobie z eksperymentem. Afshar odpowiedział na te krytyki w swoich wykładach akademickich, na swoim blogu i na innych forach. Na przykład jeden artykuł kwestionuje podstawowe twierdzenie Afshara, że relacja dualizmu Englert-Greenberger . Naukowcy ponownie przeprowadzili eksperyment, stosując inną metodę pomiaru widoczności wzoru interferencyjnego niż zastosowana przez Afshara, i nie stwierdzili naruszenia komplementarności, stwierdzając: „Wynik ten pokazuje, że eksperyment można doskonale wyjaśnić za pomocą kopenhaskiej interpretacji mechanika kwantowa."

Poniżej znajduje się streszczenie artykułów kilku krytyków, podkreślających ich główne argumenty i nieporozumienia, jakie mają między sobą:

  • Ruth Kastner , Komitet Historii i Filozofii Nauki, University of Maryland, College Park .
    Krytyka Kastnera, opublikowana w recenzowanym artykule, opiera się na przeprowadzeniu eksperymentu myślowego i zastosowaniu do niego logiki Afshara, aby odsłonić jego wadę. Sugeruje, że eksperyment Afshara jest równoważny przygotowaniu elektronu w stanie rozpędu, a następnie zmierzeniu jego spinu bocznego. Nie oznacza to, że ktoś odkrył stan spinu góra-dół i stan spinu bocznego dowolnego elektronu jednocześnie. Zastosowane do eksperymentu Afshara: „Jednakże nawet po usunięciu siatki, ponieważ foton jest przygotowany w superpozycji S , pomiar na ostatnim ekranie w t 2 nigdy tak naprawdę nie jest pomiarem „w którą stronę” (termin tradycyjnie dołączany do obserwowalna na podstawie szczeliny ponieważ nie może nam powiedzieć, „przez którą szczelinę faktycznie przeszedł foton”.
  • Daniel Reitzner , Centrum Badań nad Informacją Kwantową, Instytut Fizyki Słowackiej Akademii Nauk , Bratysława , Słowacja .
    Reitzner przeprowadził symulacje numeryczne, opublikowane w przeddruku, układu Afshara i uzyskał te same wyniki, które Afshar uzyskał eksperymentalnie. Na tej podstawie argumentuje, że fotony wykazują zachowanie falowe, w tym wysoką widoczność prążków, ale nie mają informacji, w którą stronę, aż do momentu, w którym trafią w detektor: „Innymi słowy rozkład dwuszczytowy jest wzorem interferencyjnym, a foton zachowuje się jak fala i nie wykazuje żadnych właściwości cząstek, dopóki nie uderzy w płytkę. W rezultacie informacji, w którą stronę nigdy nie można uzyskać w ten sposób.
  • WG Unruh , profesor fizyki na University of British Columbia
    Unruh, podobnie jak Kastner, postępuje poprzez ustanowienie układu, który uważa za równoważny, ale prostszy. Rozmiar efektu jest większy, aby łatwiej było dostrzec błąd w logice. Zdaniem Unruha wadą jest to, że w przypadku, gdy w miejscu ciemnych prążków istnieje przeszkoda, „wyciągnięcie wniosku, że JEŚLI cząsteczka została wykryta w detektorze 1, TO musiała pochodzić ze ścieżki 1. Podobnie, JEŚLI wykryto w detektorze 2, to pochodziło ze ścieżki 2”. Innymi słowy, akceptuje istnienie wzorca interferencji, ale odrzuca istnienie informacji w którą stronę.
  • Luboš Motl , były adiunkt fizyki na Uniwersytecie Harvarda .
    Krytyka Motla, opublikowana na jego blogu, opiera się na analizie rzeczywistej konfiguracji Afshara, zamiast proponowania innego eksperymentu, takiego jak Unruh i Kastner. W przeciwieństwie do Unruha i Kastnera wierzy on, że informacja w którą stronę zawsze istnieje, ale argumentuje, że zmierzony kontrast wzoru interferencji jest w rzeczywistości bardzo niski: „Ponieważ ten sygnał (zakłócenie) z drugiego, środkowego obrazu jest mały (równoważnie, wpływa tylko na bardzo małą część fotonów), kontrast V jest również bardzo mały i spada do zera dla nieskończenie cienkich drutów”. Twierdzi również, że eksperyment można zrozumieć za pomocą klasycznej elektrodynamiki i „nie ma on nic wspólnego z mechaniką kwantową”.
  • Ole Steuernagel ze Szkoły Fizyki, Astronomii i Matematyki Uniwersytetu Hertfordshire w Wielkiej Brytanii.
    Steuernagel dokonuje ilościowej analizy różnych transmitowanych, załamywanych i odbijanych modów w konfiguracji, która różni się tylko nieznacznie od Afshara. Dochodzi do wniosku, że relacja dualności Englert-Greenberger jest ściśle spełniona, aw szczególności, że widoczność prążków dla cienkich drutów jest niewielka. Podobnie jak niektórzy inni krytycy, podkreśla, że ​​wnioskowanie o wzorze interferencji to nie to samo, co jego pomiar: „Wreszcie, największą słabością analizy podanej przez Afshara jest wnioskowanie, że wzór interferencji musi być obecny ” .
  • Andrew Knight argumentuje, że twierdzenie Afshara o naruszeniu komplementarności jest prostą logiczną niekonsekwencją: ustawiając eksperyment w taki sposób, aby fotony były przestrzennie spójne w dwóch otworach, otworki są z konieczności nie do odróżnienia przez te fotony. „Innymi słowy, Afshar i in. twierdzą jednym tchem, że zorganizowali eksperyment w taki sposób, że otworki A i B są z natury nie do odróżnienia przez pewne fotony [konkretnie fotony, które są wytwarzane tak, aby były przestrzennie spójne na szerokości rozpiętej przez otworki, które w ten sposób nie są w stanie ich rozróżnić], oraz w kolejny oddech, aby rozróżnić otworki A i B z tymi samymi fotonami.

Konkretne wsparcie

  • Flores i in. skrytykować konfigurację Kastnera i zaproponować alternatywną konfigurację eksperymentalną. Usuwając soczewkę Afshara i powodując nakładanie się dwóch wiązek pod małym kątem, Flores i in. miał na celu wykazanie, że zachowanie pędu gwarantuje zachowanie informacji o tym, która ścieżka, gdy oba otworki są otwarte. Ale ten eksperyment jest nadal przedmiotem sprzeciwu Luboza, że ​​​​2 wiązki mają submikroskopowy wzór dyfrakcyjny utworzony przez zbieżność wiązek przed szczelinami; rezultatem byłby pomiar, która szczelina była otwarta, zanim przewody zostały kiedykolwiek osiągnięte.

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Afshar_experiment&oldid=1140102489 ”