(управляет ли сознание материей)

В "опыте Юнга" электроны из электронной пушки пролетают через 1 или 2 щели в преграде и оставляют след на экране.

При пролете через одну щель электроны оставляют одну полоску на экране против щели, как будто, электрон - частица.

Интересное происходит при пролете через 2 щели в преграде.

Электроны проявляют себя как волна (интерференционная картина из множества полос как результат наложения волн), если не наблюдать за тем, через какую щель пролетал каждый электрон.

А если наблюдать, через какую из 2 щелей пролетел каждый электрон, то на экране будет 2 полоски (то есть, электроны вели себя как частицы).

Получается 2 возможных варианта:

1. Поведение электрона зависит от того, наблюдал ли за ним человек или нет. То есть, сознание человека влияет на поведение электрона.

2. На электрон влияет то техническое устройство ("детектор"), которое фиксирует через какую щель он летит. (Далее информация передается человеку от детектора, и человек тут не при чем).
Чтобы разобраться с этим решили записывать данные с включенного детектора и картину на экране, но не сообщать всё это человеку.

Выяснилось. Если во время эксперимента не наблюдать за пролетом электронов через каждую щель, а записать показатели детекторов обоих щелей о пролете через них каждого электрона, но, эти данные не изучить человеком, а сразу уничтожить после эксперимента, то мы получим на экране волновую картину, а не две полоски. Это называется "стирание данных".

А, если, данные не уничтожать, а изучить после опыта, то, на экране получится 2 полоски напротив щелей.

Вот это стирание данных наиболее удивительно. Но, прежде чем разобраться с этим, надо точно выяснить - реальный ли это эксперимент или вымышленный?

В википедии есть небольшая статья без всяких ссылок, где стирание данных названо "Эксперимент квантового ластика" :

Эксперимент имеет две стадии: сначала экспериментатор отмечает через какую прорезь прошел каждый фотон без нарушения движения, и демонстрирует нарушение интерференционной картины. Эта стадия показывает, что существует «путевая» информация, которая вызывает повреждение интерференционной картины, но нет механического нарушения (как полагалось в начале создания квантовой теории). Вторая стадия проходит, стирая «путевую» информацию, и демонстрируя, что интерференционная картина восстановлена.

Из того что я накопал в интернете выходит, что в дискуссиях на русском языке народ разделился на 2 категории - одни считают, что хоть стирай данные, хоть не стирай, всё равно, на экране будут 2 полоски, другие считают что при стирании данных с детекторов на экране получится волновая картина с множеством полос (более 2).

Я брал инфу, в том числе, отсюда:

Опыт Юнга объясняет Том Кэмпбел.
Корпускулярно-волновой дуализм

Стараюсь максимально просто объяснить чтобы и самому понять.

В опыте Томаса Юнга 1803 года фотоны света пролетали через одну или две щели в преграде и оставляли след на экране. При пролете через одну щель фотоны оставляют одну полоску на экране напротив щели. А при пролете через две щели фотоны проявляют себя как волна, потому что на экране возникает так называемая "интерференционная картина", которая может возникать при наложения двух волн одинаковой частоты, исходящих из 2-х точек (или щелей). Она представляет собой чередование ярких и светлых полос.

Яркие полосы там где гребни волн налагаются друг на друга, а темные - где верхний гребень одной волны налагается на нижний гребень другой (противофаза).

Тогда ученые поняли впервые, что фотон - волна. Давно это было. Позже тоже самое выяснилось и о электроне и многих других частицах.

Чтобы в этом точно убедиться, этот опыт, по мере развития техники, усовершенствовали до такой степени, что смогли стрелять не пучком электронов, а отдельными электронами. И оказалось, что каждый отдельный электрон создавал на экране интерференционную картину как будто он волна.

Все бы было так просто, если бы кому-то не пришло в голову понаблюдать , через какую из 2 щелей пролетел каждый электрон. И под наблюдением, к изумлению ученых, на экране появились две полоски (то есть, электроны вели себя как частицы - каждый раз пролетали только через одну щель).

Что значит "наблюдать"? Это значит, возле каждой щели ставился специальный датчик, который подавал сигнал, если именно через его щель пролетала частица.

Получается 2 возможных варианта объяснения:

1. "Мистический": Поведение электрона зависит от того, ведется ли за ним наблюдение или нет.

2. "Естественный": на электрон влияет то техническое устройство ("датчик"), которое фиксирует, через какую щель пролетает частица.

К еще большему удивлению ученых выяснилось, что результат одинаков для разных видов датчиков, точнее, для разных технологий наблюдения и для разных частиц. То есть, любое наблюдение одинаково влияет на поведение. Независимость от способа наблюдения усиливала подозрение в пользу мистического варианта объяснения как будто важен сам факт наблюдения, а не влияние прибора.

Чтобы разобраться с этим, решили усложнить опыт так, чтобы полностью исключить влияние датчика. Каким образом? Поставили эксперимент так, чтобы датчик пролета частицы через щель срабатывал ПОСЛЕ того , как частица уже проявила себя либо как частица, либо как волна, оставив соответствующий след на экране.

И вот именно тут произошло подтверждение мистического объяснения. Оказалось, будущие действия влияли на прошлые события. Если показания с датчика считывались после прилета частицы на экран, то оказывалось, что частица не вела себя как волна. А если не считывались - то на экране оставался след от волны.

Этот вариант эксперимента называется "Эксперимент с отложенным выбором ". Потому что вы на будущее переносите решение считывать ли информацию о том, через какую щель летела частица, или не считывать.

Вот об этом из Википедии https://goo.gl/iJrYUv:

Основной результат эксперимента заключается в том, что не имеет значения, был процесс стирания выполнен до или после того, как фотоны достигли экрана детектора (и заявили о себе либо как частица либо как волна)

В пользу того, что на результат влияет сам факт наблюдения, а не наличие физического датчика, говорит то, что самые выдающиеся нобелевские физики 20 века Эйнштейн, Бор и другие много обсуждали это явление. Если бы всё упиралось в обычное физическое влияние детектора, никто бы не удивился, и говорить было бы не о чем. Напротив, ученые повыдвигали много сложных теорий по объяснению феномена. Точнее, по законам микромира на основании открытого феномена, при котором будущее наблюдение как-то влияет на прошлое событие. В частности, Эйнштейн так выразился:

«Вы действительно верите в то, что Луны нет на небе, пока мы не взглянем на неё?»

А теперь подробнее. Как технически проводится эксперимент?

Каким образом можно установить датчик, до которого частица долетит после того, как она уже прилетела на экран? Разве такое возможно? Раз прилетела на экран, то, дальше никуда не летит.

Для начала надо познакомиться с важнейшим понятием квантовой механики "запутанная пара ".

Это 2 частицы, которые появились в результате одного события, и, находясь на любом расстоянии друг от друга , обладают взаимосвязанными свойствами таким образом, что изменения какого-либо параметра одного члена запутанной пары очень быстро влияют на этот же параметр другого фотона, даже, если он находится на другом краю вселенной.

Что такое "очень быстро"? Это, по крайней мере, в 100 000 раз быстрее скорости света!!! (А, возможно, эта скорость передачи информации внутри запутанной пары вообще... бесконечна!!! Просто у науки пока нет инструментов для измерения таких скоростей).

Когда было открыто существование таких связанных между собой пар частиц, появилась возможность для эксперимента с отложенным выбором. Одна частица оставляет след на экране, (она называется "сигнальная частица"), а другая продолжает лететь в другом направлении в сторону датчика-указателя щели, через которую летит частица. Это называется "холостая частица". Если датчик будет включен, то, в экспериментах всегда оказывалось, что сигнальная частица оставила след на экране как след от частицы, а не от волны. А если он не был включен, то, на экране был след волны.

Напоминаю, до экрана частица долетает раньше чем до датчика. Но, долетев до экрана в лаборатории на Земле, она уже "знает" будет ли включен датчик, даже если он стоит на Луне. В этом заключается мистический элемент.

Сразу возникает желание включить или выключить датчик после того, как частица уже прилетела на экран. Но это не возможно. Поскольку датчик стоит в этом эксперименте дальше экрана, то любой сигнал на его включение будет идти некоторое время не выше скорости света. И наша команда дойдет до него в идеальном случае одновременно с фотоном, а в реальности всегда хотя бы на мгновение дольше.

Теперь не важные, но любопытные технические детали эксперимента.

В начале полета частицы её помечают определенным образом. То есть, вместо датчика, на пути полёта частиц устанавливается постановщик меток на частицу (или "маркировка"). И тогда, будучи помеченной, она оставляет на экране точечный след, как частица. А, если на пути полета к экрану с этой же частицы снять уже поставленную метку (стереть "квантовым ластиком"), после чего нельзя определить, через какую щель пролетел сигнальный фотон, то, эта частица оставит на экране след, как волна (интерференционная картина).

(Иностранное слово "Ластик" - это аналог стирательной резинки, то есть, средство удаления информации).

Данные стираются квантовым методом. Это называется "Эксперимент квантового ластика ".

А теперь самое интересное. У этого эксперимента есть вариант с возможностью удалить информацию "после того как", после того как фотон достигнет экрана. И о чудо! Выяснилось, что если метку стереть уже "после того как", то, это стирание влияет на след на экране, оставленный ранее! То есть, будущее действие повлияло на прошлое событие.

Этот вариант эксперимента называется "Эксперимент квантового ластика с отложенным выбором ".

Как создается запутанная пара фотонов? В начале, фотон пропускается через кристалл бета-бората бария (BBO), который преобразует единичный фотон в пару запутанных фотонов пониженной частоты, сигнальный и холостой, которые летят в разные стороны.

Последний технический вопрос. Каким образом ставится и снимается метка с частиц?

Это зависит от каждого типа частиц. Например, фотоны могут имеют поляризацию. Перед каждой прорезью в двухщелевой пластине помещается поляризатор, выполняя поляризацию по часовой стрелке для света, проходящего через одну щель, и против часовой стрелки для света, проходящего через другую щель. Эта поляризация регистрируется на датчике, "маркируя" таким образом фотоны и разрушая интерференционную картину.

Наконец, линейный поляризатор устанавливается на пути первого запутанного фотона из пары, придавая ему диагональную поляризацию (см. рис. 2). Запутанность гарантирует дополнительную диагональную поляризацию у второго фотона, который проходит через двухщелевую пластину. Это нивелирует влияние круговых поляризаторов: каждый фотон будет давать смесь света, поляризованного по часовой стрелке и против неё. Следовательно, второй детектор больше не может определить, какой именно путь был выбран, и интерференционная картина восстанавливается.

Вот вопрос, который я буду задавать специалистам:

Здравствуйте!

Если стирать метку с "холостого" фотона запутанной пары ПОСЛЕ того как его "сигнальный" фотон уже долетел до детектора, то, восстановится интерференционная картина, которую создает сигнальный фотон?

Если отвечают "ДА", то будущее управляет прошлым. Если нет, то не управляет. Но, правильный ответ "ДА". Это результат эксперимента. Но не порядочным ученым не нравится сам факт влияния будущего на прошлое, и они будут словоблудить, признавая-отрицая оно и тоже.

Я одного такого молодого русского физика вызвал на публичную дискуссию. Публично он отказался, а в личной переписке ходил по кругу, то признавая, то отрицая то, что признавал и постоянно меня унижал всякими намеками на мою тупость и суеверие.

Лев Худой в 8 мая 2016 в 01:52

Спросите Итана №46: Что такое квантовое наблюдение

• Научно-популярное ,
• Физика

• Перевод

Можно увидеть многое, просто наблюдая
- Йоги Бера

Читатель спрашивает:

А что такое «наблюдение»? У меня есть два примера, которые я тем меньше понимаю, чем больше о них думаю: эксперимент Юнга и теорема Белла. Чем больше я о них думаю, тем меньше я понимаю, что на самом деле означает «наблюдение».

Давайте начнём с рассмотрения этих двух классических примеров странности квантового мира.

Сначала возьмём эксперимент Юнга. Давно известно, что частицы ведут себя не так, как волны. Если вы возьмёте экран с двумя щелями и будете кидать туда камушки, или пульки, или другие макроскопические предметы, большинство камушков будет задержано экраном. Несколько пролетят через щели. Можно ожидать, и по сути, так и происходит, что несколько камушков пролетят через левую щель, и несколько – через правую.

И у вас будут две кучки камушков, составляющих кривую в виде колокола (нормальное распределение), по одной для каждой щели. И это происходит вне зависимости от того, смотрите вы на камушки в момент броска, или нет. Побросали камушки, получили такую картинку. Всё.

А что, если у вас есть бассейн с водой, и вы с одной его стороны создаёте волны? Вы можете разместить экран с двумя щелями, чтобы волны могли проходить только через щели. В результате у вас появится два источника волн.

В результате вы получите картину интерференции, где есть пики и провалы, а также промежутки, где будет просто средняя высота воды без волн. Это называется интерференцией – иногда пики и провалы складываются и усиливают друг друга, иногда пик складывается с провалом и взаимно компенсируются.

Эксперимент Юнга был серией экспериментов, проводимых с 1799 по 1801 года. Через две щели светили светом, чтобы понять, будет он вести себя, как частицы, или как волны. Теперь этот стандартный эксперимент студенты повторяют в лабораториях. В результате получается такая картина:

Очевидно, тут происходит интерференция. Открытый в начале 1900-х фотоэлектрический эффект, согласующийся с идеей квантификации света на фотоны с разными энергиями, вроде бы говорил о том, что свет состоит из частиц, а не из волн – и всё равно он создавал такую интерференционную картину, проходя через две щели.

Дальше ещё страньше. В 1920-х физики решили провести тот же эксперимент, только с электронами вместо фотонов. Что случится, если направить поток электронов (например, от радиоактивного источника, испытывающего бета-распад) на две щели с экраном позади них? Какую картину мы увидим?

Как ни странно, источник электронов также даёт интерференционную картину!

«Погодите-ка»,- сказали все. «Каким-то образом электроны интерферируют с другими электронами от источника распада. Давайте-ка будем пускать их поодиночке и посмотрим, что получится на экране».

Поэтому они так и сделали, и начали смотреть, какая картинка будет вырисовываться после каждого электрона. Вот, что они увидели.

Получилось, что каждый электрон интерферировал сам с собой, проходя через щели! Чот и привело физиков к вопросу о том, как это происходит – раз электроны являются частицами, они могут проходить только через одну из щелей, словно камушки или пульки.

Так как же? Они сделали «ворота» (в которые можно светить фотонами, чтобы те взаимодействовали с тем, что проходит через щель), чтобы определить, через какую щель проходит каждый конкретный электрон. В результате, конечно, получилось, что электрон проходил через одну из двух щелей. Но затем, посмотрев на получающуюся картинку, они обнаружили, что она превратилась в картину, нарисованную частицами, а не волнами. Иначе говоря, электрон будто бы знал, наблюдаете вы за ним или нет!

Или, как говорят физики, акт наблюдения изменяет результат эксперимента. Это может показаться странным, но именно это и происходит во всех квантовых системах, организованных таким образом: всё работает так, как будто оно находится в волновой суперпозиции всех возможных результатов, но как только вы делаете ключевое «наблюдение», оно заставляет систему выдать вам один реальный ответ.

Другой пример, о котором говорит наш читатель, это квантовая запутанность.

Многие частицы можно создать так, что они будут находиться в запутанном состоянии: когда вы будете знать, например, что у одной должен быть положительный спин, а у другой – отрицательный (например, ±½ для электронов, ±1 для фотонов, и т.п.), но не знаете, у какой из них какой спин. Пока вы не совершите измерение, вам придётся обращаться с ними так, будто каждая частица находится в суперпозиции позитивного и негативного состояния. Но когда вы «наблюдаете» свойства одной из них, вы сразу же узнаёте о соответствующем свойстве другой.

Это странно – как и в случае с электронами, проходящими через щель, частицы ведут себя по разному, в зависимости от того, находятся они в суперпозиции состояний, или же их заставили принять одно из «чистых» состояний. В теории можно запутать две частицы, передвинуть одну из них на расстояние светового года, пронаблюдать первую, узнать её спин, и сразу же узнать спин другой. Вам не надо будет ждать год, чтобы сигнал пришёл к вам со скоростью света.

Если вам кажется, что это странно, то так оно и есть. Сам Эйнштейн был обескуражен этим, и решение этого, сделанное Беллом, состоит в том, что квантовая запутанность – это нелокальный феномен.

Если вы наблюдаете две частицы, а затем разводите их на большую дистанцию, то получаете (а). Если вы запутываете их, а затем разводите, они обе не определены, пока вы не одну из них не наблюдали (b). Но, пронаблюдав одну из них, вы тут же узнаёте состояние другой (с).

При этом тот, кто находится рядом с частицей, отодвинутой на световой год, не сможет заметить в ней никаких изменений, когда вы измерите свою. Только после того, как вы сведёте ваши частицы вместе (или передадите информацию о них, что ограничивается скоростью света), вы сможете пронаблюдать состояния обеих частиц.

Теперь можно ответит на вопрос читателя: что есть наблюдение?

Несмотря на то, что вы могли подумать, прочтя эти строки, наблюдение не имеет ничего общего с вами, с наблюдателем. Все разговоры про измерения и наблюдения прячут правду – чтобы произвести эти измерения, вам надо сделать так, чтобы квантовая частица провзаимодействовала с той, которую мы пытаемся наблюдать. И если нам нужно провести эти измерения, нам нужно, чтобы это взаимодействие прошло с определённым уровнем энергии.

Это не имеет ничего общего с вами или с «актом наблюдения», а зависит от того, провзаимодействуете ли вы с достаточной энергией для того, чтобы «сделать наблюдение», или, иначе говоря, удастся ли вам перевести частицу в одно из квантовых состояний.

Для электрона, проходящего сквозь щель, это означает взаимодействие с фотоном, который ограничит его позицию достаточно для того, чтобы он явно прошёл через одну из щелей. Для фотона со спином +1 или -1 это означает проведение измерения чувствительного к его поляризации, что означает взаимодействие, чувствительное к типу электромагнитного поля, создаваемого фотона.

Поэтому, наблюдение – это квантовое взаимодействие, достаточное для определения квантового состояния системы.

Рассмотрим квантовое стирание для фотона, где маркером пути является его поляризация.

На рис. 10, а источник S испускает одиночные фотоны, плоско поляризованные в направлении h , перпендикулярном рисунку. Фотон в виде волны проходит через щели 1 и 2 и регистрируется детектором D , который сканирует область регистрации, поперечную оптической оси. В результате прохождения через установку большого числа фотонов возникает интерференционная картина.

Рис. 10 . Квантовое стирание локализации фотона

Перед щелью 1 устанавливаем полуволновую пластинку E , показанную на рис. 10, б . Она поворачивает плоскость поляризации на
в направленииv и является маркером пути фотона через щели. Фотоны с взаимно перпендикулярными поляризациями проходят через разные щели, между собой не интерферируют, интенсивности излучений складываются, получается распределение света на экране регистратора, показанное на рис. 9, б .

Стираем информацию о пути фотона, устанавливая перед регистратором анализатор G с углом поляризации
. Анализатор проектирует на свою ось вектора электрических полей, прошедших щели 1 и 2. Выходящие из анализатора поля имеют одинаковые направления и уменьшенные в два раза интенсивности согласно закону Малюса.

.

Информация о путях фотона через щели стерта, он оказывается волной, проходит одновременно через две щели, интерференция восстанавливается, как показано на рис. 10, в .

Особенностью рассматриваемых процессов является то, что все действия производятся над одиночным фотоном.

По поводу квантового стирания возникает вопрос: как «узнает фотон» во что ему превратиться – в частицу, и проходить через одну щель как на рис. 10, б , или в волну, и проходить одновременно через две щели, как на рис. 10, в ? Ведь место, где должен быть сделан выбор, расположено до щелей, а место, где реально этот выбор делается, расположено после щелей – там, где ставится или не ставится анализатор. Причина и следствие поменялись местами? Ответ на этот вопрос связан с квантовой нелокальностью микрообъекта.

Квантовая нелокальность

Классические представления основаны на локальности объекта и отсутствии дальнодействия , когда характеристики объекта существуют до измерения, а взаимно удаленные измерительные приборы не влияют на изучаемый объект и на показания друг друга. Эйнштейн, Подольский и Розен в 1935 г. сформулировали парадокс ЭПР, который, как они считали, опровергает полноту описания явлений при помощи квантовой механики. Эксперименты с интерферометрами, проведенные в конце ХХ века, подтвердили выводы квантовой механики и поставили под сомнение принцип локальности объекта.

Интерферометр – устройство, где проявляются волновые свойства объекта. Модификация конструкции интерферометра позволяет преобразовать поведение микрообъекта из волнового в корпускулярное и наоборот. Если это происходит в процессе движения объекта через интерферометр, то изменение поведения объекта называется задержанным выбором состояния в виде частицы или волны. Опыт теоретически разрабатывал Уилер с 1978 г. по 1983 г. Эксперимент с фотонами реализовал V. Jacques et al . в 2006 г. (Science 315 , 966 (2007)), используя интерферометр Маха–Цендера. Подобный эксперимент с атомами гелия выполнен в 2015 г., также подтвердивший предсказания квантовой механики.

Джон Арчибальд Уилер (1911–2008)

В интерферометре Маха–Цендера, показанном на рис. 11, а , одиночный фотон направляется от источника S к делителю B 1, который содержит полупрозрачное зеркало, напыленное на стеклянную пластинку. Фотонодержит полупрозрачное зеркало, показанное на рисунке 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 проходит B 1 в прямом направлении, или отражается вниз, с вероятностями
и поступает в канал 1 или 2. Отразившись от зеркалM 1 и M 2, фотон проходит делитель B 2, аналогичный B 1, и регистрируется детектором D 1 или D 2. Делители расположены так, что обеспечивается одинаковый оптический путь фотона к детектору для каждого канала. Зеркала M 1 и M 2 сдвигают фазы в каждом канале на одинаковую величину, что не влияет на разность фаз и в формулах не учитывается.

Рис. 11 . Интерферометр Маха–Цендера

Из рис. 11, а получаем амплитуды вероятности прохождения фотона по двум каналам к детекторам:

–амплитуда прохождения делителя
;

–амплитуда отражения от делителя
.

При отражении теряется фаза
, тогда
. Получаем вероятности срабатывания детекторов

,

. (3)

Следовательно, при прохождении фотона одновременно по двум каналам в виде волны срабатывает только детектор D 2.

При убранном делителе B 2 интерферометр показан на рис. 11, б . Фотон попадает к детектору D 1, проходя по каналу 1, и к детектору D 2, проходя по каналу 2. Из рис. 11, б получаем

,

,

. (4)

Рис. 11 . Интерферометр Маха–Цендера

Следовательно, срабатывания детекторов равновероятны. Активизированный детектор указывает канал, по которому прошел фотон. Он распространяющаяся лишь по одному из возможных каналов, интерференция отсутствует. Фотон ведет себя как классическая локализованная частица. Удаление второго делителя превращает фотон в частицу .

В эксперименте с задержанным выбором V. Jacques et al . использовали интерферометр Маха–Цендера со световодами в каналах 1 и 2 протяженностью 48 м. Свет проходит это расстояние за 160 нс. Квантовый генератор случайных чисел меняет состояние делителя B 2 – удаляет его из схемы, или подключает, за 40 нс. Два события – прохождение фотоном первого делителя и манипуляция со вторым делителем, разделены пространственно-подобным интервалом, что исключает возможность передачи информации о состоянии второго делителя к фотону, проходящему первый делитель. В рамках классической физики судьба фотона решается на первом делителе – он идет по одному каналу как частица, или одновременно по двум каналам как волна. Эксперимент подтвердил результаты квантовой механики (3) и (4), основанные на том, что все решается наличием или отсутствием второго делителя. Тогда в рамках классической физики возникает вопрос – как «узнает» фотон во что превратиться – в волну или частицу, если о подключении или удалении второго делителя можно узнать лишь после того, как фотон прошел первое разветвление каналов, где решается его судьба? Из изложенных особенностей квантового поведения следует, что до момента срабатывания детектора фотон остается суперпозицией волны и частицы . Как сказал Клышко – «фотон является фотоном (то есть локазизованной частицей), если это – зарегистрированный фотон». Для незарегистрированного фотона факт суперпозиции волны и частицы подтвердили последующие эксперименты, где второй делитель используется в квантовом режиме в виде суперпозиции состояний подключенного и отключенного элемента оптической схемы. Следовательно, незарегистрированный фотон не локализован в пространстве-времени, но присутствует во всех каналах одновременно и реагирует мгновенно на изменения в конструкции устройства, где бы эти изменения ни проводились . Такое поведение микрообъекта называется квантовой нелокальностью , и это можно рассматривать как нахождение вне пространства-времени . Регистрация частицы локализует ее и переводит в пространство-время. Другие варианты объяснения проведенного эксперимента требуют нарушения постулата специальной теории относительности о невозможности перемещения со скоростью, превышающей скорость света, или нарушения принципа причинности о запрете опережающего сигнала. Использовать квантовую нелокальность для передачи информации со сверхсветовой скоростью невозможно из-за вероятностного характера квантовых процессов, отображающихся в пространстве-времени.

Интерференция света в опыте Юнга

Иллюстрация: Timm Weitkamp (CC BY)

Команда физиков из Австралийского национального университета реализовала мысленный эксперимент Уилера с отложенным выбором, заменив фотоны сверххолодными метастабильными атомами гелия. Новая работа подтвердила классические положения принципа дополнительности Нильса Бора. опубликована в Nature Physics .

В 1978 году Джон Арчибальд Уилер предложил более изощренный вариант классического двущелевого опыта Юнга, доказавшего волновую природу света. По Юнгу пучок света направляется на перегородку с двумя узкими щелями. При этом размер каждой щели примерно соответствует длине волны излучаемого света. Проходя сквозь щели, свет попадает на проекционный экран позади. Если бы фотоны проявляли исключительно корпускулярные свойства, то на экране были бы два ярко освещенных участка позади щелей и темный участок между ними. В то же время, если фотоны проявляют волновые свойства, то каждая щель становится вторичным источником волн. Эти волны интерферируют, и вместо двух освещенных полос, возникает множество светлых и темных зон на проекционном экране. Причем один из локальных максимумов освещенности находится там, где должно быть темное место (в случае, если бы фотон был только частицей).

Казалось бы, волновая природа света экспериментально доказана, однако, математически это значило, что фотон одновременно проходит через обе щели. Тогда физики попытались, посредством измерения, определить - через какую щель в действительности пролетает один фотон. Выяснилось, что в случае наблюдения фотон вновь начал действовать как частица, как если бы «знал», что за ним наблюдают. Факт наблюдения словно разрушает волновую функцию. И наоборот, как только наблюдения нет, фотон вновь начинает интерферировать сам с собой, действуя как волна.

Констатируя экспериментально наблюдаемый корпускулярно-волновой дуализм, Нильс Бор постулировал принцип дополнительности. Он гласит, что если наблюдатель измеряет свойства квантового объекта как частицы, то он ведет себя как частица. Если же измеряются его волновые свойства, то для наблюдателя он ведет себя как волна. Поэтому для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два, казалось бы, противоречащих друг другу представления, которые, в итоге, оказываются взаимно дополняющими, что и отражено в названии принципа.

Чтобы преодолеть это противоречие и проверить эффект наблюдателя Уилер предложил использовать интерферометр Маха – Цандера . Он состоит из четырех зеркал. Первое расщепляет поток света на два пучка, которые затем отражаются от двух непрозрачных зеркал и сводятся вновь вместе в четвертом зеркале. По двум сторонам от него стоят детекторы. Фотоны необходимо выпускать по одному.

Одиночный фотон как бы расщепляется на два в первом зеркале, или, иными словами, проявляет волновые свойства. Затем он отражается от двух идеальных зеркал, вновь интерферирует сам с собой в четвертом полупрозрачном зеркале, и наконец попадает в один из детекторов. Для каждого конкретного фотона срабатывает только один из детекторов, но если повторять опыт много раз, получится некоторое нетривиальное соотношение отсчетов двух детекторов. Это соотношение показывает, что частица, достигнув четвертого зеркала, ведет себя как волна. Если же четвертое зеркало убрать, то соотношение между срабатываниями будет 50:50. Это выглядит так, как будто в момент первого расщепления частица уже «решила», по какому пути она пойдет.

Идея Уилера заключалась в том, чтобы появление в схеме четвертого зеркала решалось посредством генератора случайных чисел уже после того, как фотон вошел в интерферометр, но до того, как его поглотил один из детекторов – так называемый отложенный выбор. Таким образом, экспериментаторы лишали бы фотон возможности «узнать», производится ли наблюдение или нет, и тем самым определить свое «поведение» – предстать частицей или волной. Впервые эту гипотетическую схему удалось реализовать лишь в 2007 году.

Схема интерферометра Маха - Цендера

Изображение: Wikimedia Commons

Слева классическая схема эксперимента Уиллера. Справа его новая реализация на атомах и с использованием лазерных имульсов

Изображение: Manning A.G. et als.

В новом исследовании австралийские физики использовали более массивные частицы – атомы, тем самым протестировав экспериментальную схему Уилера в совершенно новых условиях.

Ученые использовали сверххолодные атомы гелия, выпуская их поодиночке из оптической дипольной ловушки . Под действием гравитации атомы начинали падать в специальный детектор в виде микроканальной пластины . Спустя миллисекунду после начала падения лазерный луч «ударял» по атому, заставляя его занять суперпозицию двух дипольных моментов , направленных в разные стороны. Это был аналог «первого расщепляющего зеркала» Уилера.

Затем ученые решали – применить ли им второй лазерный импульс, для рекомбинации этих двух состояний. Всего могло быть два варианта такого смешанного состояния: первое в виде суммы двух волн и второе в виде разности. Какое из них возникнет, определял квантовый генератор случайных чисел. После применения второго лазерного импульса уже нельзя было определенно сказать - в каком из двух состояний находится атом. Всего таких экспериментальных проб было совершено больше тысячи.

Выяснилось, что если второй лазерный импульс не применялся, то вероятность детекции каждого из дипольных моментов равнялась 0,5. В то же время, после воздействия второго лазерного импульса наблюдалась четкая картина интерференции, выраженной в виде синусоиды, так же как и в опыте Юнга.

Таким образом, подтвердилось предположение Нильса Бора о том, что не имеет смысла приписывать то или иное поведение частицам – как волны или как собственно частицы - до того как было произведено измерение. Впрочем, существует еще одно маловероятное объяснение, что частицы каким-то образом получают информацию из будущего. Оно предполагает, что информация может передаваться быстрее света, что невозможно с точки зрения теории относительности.