Doświadczenie Younga i kwestia detektora

[Hudyvolt]

Nie wiem czy ktoś z was się interesuje mechaniką kwantową, ale jeśli tak to mam pytanie, bo nie znalazłem satysfakcjonującej odpowiedzi na nurtujące mnie pytanie.

W doświadczeniu Younga w wersji z pojedynczą cząstką (fotonem) mówi się o załamaniu funkcji falowej poprzez pomiar położenia/toru cząstki. Dlatego gdy "obserwujemy" układ falowa natura cząstki zanika i tracimy wzór interferencyjny na ekranie za szczelinami.

Nie znalazłem wyjaśnienia w jaki sposób dokonuje się pomiaru położenia/toru cząstki, czy to fotonu czy to elektronu. Pomiar oddziałuje na cząstkę i dlaczego to oddziaływanie nie jest rozważane jako przyczyna utraty zjawiska interferencji.

[deshipu]

ZTCP "pomiaru" dokonuje się tak, że przepuszcza się ją przez szczelinę (mogę się jednak mylić, to było dawno). Ale to nie jest tak, że natura cząsteczki się zmienia. Cząsteczka zachowuje się cały czas tak samo, a to tylko nasze uproszczone modele "falowe" i "cząsteczkowe" nie do końca pasują.

Jeśli interesuje cię tematyka, to najlepsze wyjaśnienie ogólnych koncepcji mechaniki kwantowej znalazłem tutaj: http://lesswrong.com/lw/r6/an_intuitive_explanation_of_quantum_mechanics/

[Elvis]

Hudyvolt, w mechanice kwantowej mówi się o funkcji prawdopodobieństwa wykrycia cząstki w danym miejscu. Nie można nigdy ze 100% pewnością powiedzieć gdzie dana cząstka się znajduje - mówi o tym zasada nieoznaczoności Heisenberga. Więc jak rozumiem "pomiar położenia" to wynik typu: z prawdopodobieństwem 99,0% cząstka znajduje się w obszarze X. Im bardziej zawężamy ten obszar, tym mniejsze prawdopodobieństwo, że cząstka faktycznie tam jest (a pewne jest tylko że "gdzieś" jest).

Samą detekcję cząstki można wykonać na wiele sposobów, np.:

* zwykła fotodioda wykrywa fotony

* ekran pokryty luminoforem (stary kineskop) wykrywa elektrony (i emituje fotony)

* komora pęcherzykowa pozwala na określenie toru cząstki - https://pl.wikipedia.org/wiki/Komora_pęcherzykowa

Jak się to ma do obszarów - jeśli nasza fotodioda wykryje foton, to nie wiemy w którym dokładnie miejscu, ale gdzieś w obszarze detektora. Im mniejsza będzie (teoretyczna) fotodioda, tym mniej pewny pomiar.

Ekspryment Younga polega na umieszczeniu źródła cząstek po przeciwnej stronie przesłony niż detektor (lub detektory). Jeśli wyemitujemy wiązkę cząstek, obraz rejestrowany przez detektory będzie zawierał znane paski interferencyjne.

Natomiast jeśli wyemitujemy tylko jedną cząstkę, zostanie ona wykryta przez jeden z detektorów - możemy więc powiedzieć że znamy jej położenie (z dokładnością do wielkości detektora i pewności pomiaru). Nie będzie wtedy pasków interferencyjnych, po prostu miejsce gdzie padła cząstka.

Możemy wtedy wyemitować kolejną - i takie doświadczenie zostało wykonane na początku XX wieku. Przez kilka miesięcy emitowano kolejno po jednej cząstce. W efekcie powstały paski interferencyjne...

Oznacza to, że nawet jeśli jedna cząstka porusza się przez układ szczelin, wykazuje ona cechy falowe. Zostanie wykryta w określonym miejscu, ale prawdopodobieństwo tego gdzie się znajdzie będzie zgodne z wynikami dla doświadczenia z interferencją.

[Hudyvolt]

deshipu, dzięki za linka, w wolnym czasie poczytam

Nie jestem pewny czy się dobrze rozumiemy.

Dla wyjaśnienia. Podstawowe doświadczenie Younga polega na świeceniu przez dwie wąskie szczeliny o małym rozstawie. Na ekranie za szczelinami widać paski interferencje. Udowadnia to falową naturę światła i tutaj nie ma nic nadzwyczajnego, bo świecąc czy to płomieniem, żarówką, laserem wysyłamy miliony fotonów, więc to, że zachodzi interferencja nikogo nie dziwi.

W przypadku emisji pojedynczego fotonu zaczyna się robić ciekawie. Elvis, tak jak wspomniałeś fotony pojedynczo emitowane są przez bardzo długi czas i każdy zostawia ślad na ekranie za szczelinami i po pełnym czasie eksperymentu widzimy, że te kropki układają się w paski interferencyjne. Pytanie jest dlaczego? Aby doszło do interferencji fala musi "wychodzić" z obu szczelin na raz, czyli foton musi przelatywać przez obie szczeliny na raz. Mechanika kwantowa nazywa to superpozycją, lecący do ekranu foton obiera wszystkie możliwe tory (czyli przez obie szczeliny) i interferuje sam ze sobą.

Najciekawsze dzieje się jednak wtedy gdy nad konkretną szczeliną umieścimy detektor, który sprawdza przez, którą z nich przeleciał foton. Nawet z zasadą nieoznaczoności Heisenberga mamy pewność, którą z nich foton przeleciał.

Elvis trochę przeinaczyłeś, zasada ta mówi, że jednocześnie nie da się zmierzyć położenia i pędu cząstki ze 100% dokładnością. W naszym przypadku obojętnie, którą z tych wartości zmierzymy wiemy ze 100% pewnością przez którą szczelinę foton przeleciał.

I w momencie powtórzenia eksperymentu z kontrolą przez którą szczelinę foton przeleciał zanika efekt interferencji i na ekranie widzimy tylko 2 paski fotonów. Brak pasków interferencyjnych.

Powyżej to teoria, którą poznałem z kilku źródeł.

Mnie interesuje w jaki sposób odbywa się praktyczna detekcja fotonu w szczelinie. Jak wygląda ta aparatura/narzędzie i jak to jest odniesione do faktu, że pomiar cząsteczki na nią wpływa. Np. pomiar fotonu fotodiodą go niszczy, więc jeśli umieścisz fotodiodę w szczelinie to eksperyment nie ma sensu bo zasłaniasz szczelinę.

Znalazłem tylko jeden opis tego w jaki sposób wygląda ta detekcja fotonu na szczelinie. Polegała ona na umieszczeniu cienkiego filtra na jednej ze szczelin i foton uderzając w niego daje sygnał elektryczny i jest emitowany po drugiej stronie. I tutaj moje pytanie czy efekt zaniku zjawiska interferencji to nie efekt ponownej emisji fotonu, a nie zjawisk kwantowych - tutaj na pewno się mylę, bo podważałbym tutaj osiągnięcia ojców mechaniki kwantowej. Liczę tylko na wyjaśnienie, dlaczego tak jest.

To samo zjawisko kwantowe - superpozycja fotonów - można potwierdzić także za pomocą innych eksperymentów, np. za pomocą interferometru. I podobnie tak jak w przypadku szczelin, jeśli nie sprawdzamy, którą drogą interferometru powędrował foton wynik eksperymentu wykazuje interferencję fotonu samego ze sobą. Jak będziemy sprawdzać drogę to zjawisko interferencji zanika.

Komora pęcherzykowa mnie zaciekawiła, poszukam informacji czy ją wykorzystywano w tych eksperymentach. Ale też jest ta wątpliwość czy atmosfera w komorze nie wpływa w takim stopniu na foton, że jej działanie zaburza interferencję.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Elvis]

To ciekawe. Gdzie znalazłeś opis tych doświadczeń z obserwacją toru cząstki?

[Hudyvolt]

Ten filmik to pokazuje. Razem z innymi ciekawostkami kwantowego świata. Uwaga na kota 😋

Przy okazji dobre wyjaśnienie zasady nieoznaczoności:

Na angielskiej Wikipedii znalazłem dosyć obszerny opis tego eksperymentu https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment i chyba odpowiada na moje pytanie. Nie da się zaobserwować, którą drogą porusza się foton. Pomiar fotonu go absorbuje. Można obserwować tor innych cząstek (nie napisali jakich ale pewnie elektronu). Z tego co rozumiem zadowalając się niedokładnym pomiarem położenia/pędu cząstki, w stopniu pozwalającym określić, którą szczeliną przeleciał, nie tracimy w całości wzoru interferencyjnego (jest jednak zdegegradowany).

Potwierdza to też moje przypuszczenia, zanik wzoru interferencyjnego wynika z wpływu pomiaru na cząstkę.

W artykule podlinkowany jest także opis ciekawej własności kwantowej mówiącej o tym, że pomiar wpływa na przeszłość cząstki https://en.wikipedia.org/wiki/Delayed_choice_quantum_eraser

oraz opis, że usunięcie informacji o torze cząstki przywraca wzór interferencyjny. Nawet jest opis eksperymentu DIY.

[Elvis]

Nie przepadam za materiałami z wikipedii - to akurat wyjątkowo mało sprawdzone źródło. Ale za to podaje dobre odnośniki. Sporo jest do świetnej książki Feynmana, która jest dostępna po polsku: http://ksiegarnia.pwn.pl/Feynmana-wyklady-z-fizyki-Tom-1-czesc-2-Optyka-Termodynamika-Fale,68445988,p.html

Wszystko wyjaśnione jest w rozdziale 37.6. Ogólnie nie jest to prawdziwy eksperyment, ale "myślowy". Zamiast fotonów rozpraszane i wykrywane są elektrony, a do ich detekcji wykorzystywane są fotony. Natomiast wnioski są takie jak Twoje - detekcja elektronu zaburza wynik doświadczenia. Jeśli foton ma na tyle duży pęd, żeby wykryć przez którą szczelinę przeszedł elektron, tracimy paski interferencyjne. A gdy pojawiają się paski, nie jesteśmy w stanie ustalić którą szczelinę wybrał elektron.