क्वांटम यांत्रिकी के केंद्र में

XNUMXवीं सदी के महानतम भौतिकविदों में से एक, रिचर्ड फेनमैन ने तर्क दिया कि क्वांटम यांत्रिकी को समझने की कुंजी "डबल स्लिट प्रयोग" थी। यह वैचारिक रूप से सरल प्रयोग, जो आज भी किया गया है, आश्चर्यजनक खोजें प्रदान कर रहा है। वे दिखाते हैं कि क्वांटम यांत्रिकी सामान्य ज्ञान के साथ कितनी असंगत है, जिसने अंततः पिछले पचास वर्षों के सबसे महत्वपूर्ण आविष्कारों को जन्म दिया।

पहली बार डबल-स्लिट प्रयोग किया। थॉमस यंग (1) उन्नीसवीं सदी की शुरुआत में इंग्लैंड में।

यांग के लिए प्रयोग

प्रयोग यह दिखाने के लिए किया गया था कि प्रकाश तरंग प्रकृति का है न कि कण प्रकृति का, जैसा कि पहले दावा किया गया था। आइजैक न्यूटन. यंग ने बस यह प्रदर्शित किया कि प्रकाश आज्ञा का पालन करता है हस्तक्षेप - एक घटना जो सबसे विशिष्ट विशेषता है (लहर के प्रकार और जिस माध्यम में यह फैलता है) की परवाह किए बिना। आज, क्वांटम यांत्रिकी इन दोनों तार्किक रूप से विरोधाभासी विचारों को समेट लेती है।

आइए हम डबल-स्लिट प्रयोग के सार को याद करें। हमेशा की तरह, मैं पानी की सतह पर एक लहर की बात कर रहा हूं जो उस स्थान के चारों ओर संकेंद्रित रूप से घूमती है जहां कंकड़ फेंका जाता है। 

तरंग विक्षोभ के स्थान से निकलने वाले क्रमिक शिखरों और गर्तों से बनती है, जबकि शिखरों के बीच एक स्थिर दूरी बनी रहती है, जिसे तरंग दैर्ध्य कहा जाता है। लहर के रास्ते में, आप एक अवरोध लगा सकते हैं, उदाहरण के लिए, एक बोर्ड के रूप में जिसमें दो संकीर्ण स्लिट कटे हुए हों जिससे पानी स्वतंत्र रूप से बह सके। पानी में एक कंकड़ फेंकने के बाद, लहर विभाजन पर रुक जाती है - लेकिन पूरी तरह से नहीं। दो नई संकेंद्रित तरंगें (2) अब दोनों स्लिटों से विभाजन के दूसरी ओर फैलती हैं। वे एक-दूसरे को ओवरलैप करते हैं, या, जैसा कि हम कहते हैं, एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करते हैं, जिससे सतह पर एक विशिष्ट पैटर्न बनता है। उन स्थानों पर जहां एक लहर का शिखर दूसरे के शिखर से मिलता है, पानी का उभार तीव्र हो जाता है, और जहां एक खोखला घाटी से मिलता है, वहां अवसाद गहरा हो जाता है।

2. दो झिरियों से निकलने वाली तरंगों का व्यतिकरण।

यंग के प्रयोग में, एक बिंदु स्रोत द्वारा उत्सर्जित एकल-रंग प्रकाश दो स्लिट वाले एक अपारदर्शी डायाफ्राम से होकर गुजरता है और उनके पीछे एक स्क्रीन से टकराता है (आज हम लेजर प्रकाश और एक सीसीडी का उपयोग करना पसंद करेंगे)। प्रकाश तरंग की एक हस्तक्षेप छवि स्क्रीन पर बारी-बारी से प्रकाश और अंधेरे धारियों (3) की एक श्रृंखला के रूप में देखी जाती है। इस परिणाम ने इस धारणा को मजबूत किया कि प्रकाश एक लहर थी, इससे पहले XNUMX के दशक की शुरुआत में खोजों से पता चला था कि प्रकाश भी एक लहर थी। फोटॉन प्रवाह हल्के कण होते हैं जिनका कोई विराम द्रव्यमान नहीं होता है। बाद में पता चला कि रहस्यमय तरंग-कण द्वैतसबसे पहले प्रकाश के लिए खोजा गया, द्रव्यमान से संपन्न अन्य कणों पर भी लागू होता है। यह जल्द ही दुनिया के एक नए क्वांटम यांत्रिक विवरण का आधार बन गया।

3. प्रयोग के बारे में यंग का दृष्टिकोण

कण भी हस्तक्षेप करते हैं

1961 में, ट्यूबिंगन विश्वविद्यालय के क्लॉस जोंसन ने एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन नामक विशाल कणों के हस्तक्षेप का प्रदर्शन किया। दस साल बाद, बोलोग्ना विश्वविद्यालय के तीन इतालवी भौतिकविदों ने इसी तरह का एक प्रयोग किया एकल-इलेक्ट्रॉन हस्तक्षेप (डबल स्लिट के बजाय तथाकथित बाइप्रिज्म का उपयोग करना)। उन्होंने इलेक्ट्रॉन किरण की तीव्रता को इतना कम कर दिया कि इलेक्ट्रॉन एक-एक करके, एक के बाद एक, द्विप्रिज्म से होकर गुजरे। इन इलेक्ट्रॉनों को एक फ्लोरोसेंट स्क्रीन पर रिकॉर्ड किया गया था।

प्रारंभ में, इलेक्ट्रॉनों के निशान स्क्रीन पर बेतरतीब ढंग से वितरित किए गए थे, लेकिन समय के साथ उन्होंने हस्तक्षेप फ्रिंज की एक स्पष्ट हस्तक्षेप छवि बनाई। यह असंभव लगता है कि अलग-अलग समय पर स्लिट से गुजरने वाले दो इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं। इसलिए हमें यह स्वीकार करना होगा एक इलेक्ट्रॉन स्वयं में हस्तक्षेप करता है! लेकिन तब इलेक्ट्रॉन को एक ही समय में दोनों स्लिटों से गुजरना होगा।

उस छेद का निरीक्षण करना आकर्षक हो सकता है जिसके माध्यम से इलेक्ट्रॉन वास्तव में गुजरा। हम बाद में देखेंगे कि इलेक्ट्रॉन की गति को परेशान किए बिना यह अवलोकन कैसे किया जाए। यह पता चला है कि अगर हमें यह जानकारी मिलती है कि इलेक्ट्रॉन ने स्वीकार कर लिया है, तो हस्तक्षेप... गायब हो जाएगा! "कैसे" जानकारी हस्तक्षेप को समाप्त करती है। क्या इसका मतलब यह है कि एक सचेत पर्यवेक्षक की उपस्थिति भौतिक प्रक्रिया के पाठ्यक्रम को प्रभावित करती है?

डबल-स्लिट प्रयोगों के और भी अधिक आश्चर्यजनक परिणामों के बारे में बात करने से पहले, मैं हस्तक्षेप करने वाली वस्तुओं के आकार के बारे में एक संक्षिप्त विषयांतर करूँगा। द्रव्यमान वाली वस्तुओं के क्वांटम हस्तक्षेप की खोज पहले इलेक्ट्रॉनों के लिए की गई, फिर बढ़ते द्रव्यमान वाले कणों के लिए: न्यूट्रॉन, प्रोटॉन, परमाणु और अंत में बड़े रासायनिक अणुओं के लिए।

2011 में, क्वांटम हस्तक्षेप की घटना को प्रदर्शित करने वाली वस्तु के आकार का रिकॉर्ड टूट गया था। यह प्रयोग उस समय वियना विश्वविद्यालय में एक डॉक्टरेट छात्र द्वारा किया गया था। सैंड्रा आइबेनबर्गर और उसके सहयोगी. डबल-ब्रेक प्रयोग के लिए, एक जटिल कार्बनिक अणु को चुना गया जिसमें लगभग 5 प्रोटॉन, 5 हजार न्यूट्रॉन और 5 हजार इलेक्ट्रॉन थे! एक बेहद जटिल प्रयोग में इस विशाल अणु का क्वांटम हस्तक्षेप देखा गया।

इससे यह विश्वास पुष्ट हुआ कि न केवल प्राथमिक कण, बल्कि प्रत्येक भौतिक वस्तु भी क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अधीन है। केवल यह कि कोई वस्तु जितनी अधिक जटिल होती है, वह अपने पर्यावरण के साथ उतनी ही अधिक अंतःक्रिया करती है, जो उसके सूक्ष्म क्वांटम गुणों का उल्लंघन करती है और हस्तक्षेप प्रभावों को नष्ट कर देती है।.

क्वांटम उलझाव और प्रकाश का ध्रुवीकरण

डबल-स्लिट प्रयोगों के सबसे आश्चर्यजनक परिणाम फोटॉन को ट्रैक करने की एक विशेष विधि का उपयोग करने से आए, जिसने किसी भी तरह से इसकी गति को परेशान नहीं किया। यह विधि तथाकथित सबसे अजीब क्वांटम घटनाओं में से एक का उपयोग करती है बहुत नाजुक स्थिति. इस घटना को 30 के दशक में क्वांटम यांत्रिकी के मुख्य रचनाकारों में से एक ने देखा था, इरविन श्रोडिंगर.

संशयवादी आइंस्टीन (यह भी देखें 🙂) ने इन्हें दूरी पर भूतिया क्रिया कहा। हालाँकि, केवल आधी सदी बाद ही इस प्रभाव का महत्व समझ में आया और आज यह भौतिकविदों के लिए विशेष रुचि का विषय बन गया है।

यह प्रभाव किस बारे में है? यदि दो कण जो एक समय में एक-दूसरे के करीब थे, एक-दूसरे के साथ इतनी दृढ़ता से बातचीत करते हैं कि उन्होंने एक प्रकार का "जुड़वा संबंध" बनाया, तो यह संबंध तब भी बना रहता है जब कण सैकड़ों किलोमीटर दूर होते हैं। तब कण एकल प्रणाली के रूप में व्यवहार करते हैं। इसका मतलब यह है कि जब हम एक कण पर कोई क्रिया करते हैं तो उसका प्रभाव तुरंत दूसरे कण पर पड़ता है। हालाँकि, इस तरह से हम दूर तक सूचना असमय प्रसारित नहीं कर सकते।

फोटॉन एक द्रव्यमान रहित कण है - प्रकाश का एक प्राथमिक भाग, जो एक विद्युत चुम्बकीय तरंग है। संबंधित क्रिस्टल की एक प्लेट (जिसे पोलराइज़र कहा जाता है) से गुज़रने के बाद, प्रकाश रैखिक रूप से ध्रुवीकृत हो जाता है, यानी। विद्युत चुम्बकीय तरंग का विद्युत क्षेत्र वेक्टर एक निश्चित तल में दोलन करता है। बदले में, किसी अन्य विशिष्ट क्रिस्टल (तथाकथित क्वार्टर-वेव प्लेट) से एक निश्चित मोटाई की प्लेट के माध्यम से रैखिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश को पारित करके, इसे गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश में परिवर्तित किया जा सकता है, जिसमें विद्युत क्षेत्र वेक्टर एक पेचदार में चलता है ( तरंग प्रसार की दिशा में दक्षिणावर्त या वामावर्त गति। तदनुसार, हम रैखिक या गोलाकार ध्रुवीकृत फोटॉन के बारे में बात कर सकते हैं।

उलझे हुए फोटॉनों के साथ प्रयोग

4ए. नॉनलाइनियर बीबीओ क्रिस्टल एक आर्गन लेजर द्वारा उत्सर्जित फोटॉन को आधी ऊर्जा और परस्पर लंबवत ध्रुवीकरण के साथ दो उलझे हुए फोटॉन में परिवर्तित करता है। ये फोटॉन अलग-अलग दिशाओं में बिखरते हैं और डिटेक्टर डी1 और डी2 द्वारा रिकॉर्ड किए जाते हैं, जो एक संयोग काउंटर एलसी से जुड़े होते हैं। दो स्लिट वाला एक डायाफ्राम एक फोटॉन के पथ पर रखा जाता है। जब दोनों डिटेक्टर दोनों फोटॉन के लगभग एक साथ आगमन का पता लगाते हैं, तो सिग्नल डिवाइस की मेमोरी में संग्रहीत हो जाता है, और डिटेक्टर डी 2 स्लिट के समानांतर चलता है। इस तरह से रिकॉर्ड किए गए डिटेक्टर डी2 की स्थिति के आधार पर फोटॉन की संख्या को बॉक्स में दिखाया गया है, जिसमें मैक्सिमा और मिनिमा हस्तक्षेप का संकेत देते हैं।

2001 में, बेलो होरिज़ोंटे में ब्राज़ीलियाई भौतिकविदों के एक समूह का नेतृत्व किया गया स्टीफन वालबोर्न असामान्य प्रयोग। इसके लेखकों ने एक विशेष क्रिस्टल (BBO के रूप में संक्षिप्त) के गुणों का उपयोग किया, जो आर्गन लेजर द्वारा उत्सर्जित फोटॉनों के एक निश्चित हिस्से को आधे ऊर्जा वाले दो फोटॉनों में परिवर्तित करता है। ये दो फोटोन आपस में उलझे हुए हैं; जब उनमें से एक में, उदाहरण के लिए, क्षैतिज ध्रुवीकरण होता है, तो दूसरे में ऊर्ध्वाधर ध्रुवीकरण होता है। ये फोटॉन दो अलग-अलग दिशाओं में चलते हैं और वर्णित प्रयोग में अलग-अलग भूमिका निभाते हैं।

उन फोटॉन में से एक जिसे हम कॉल करने जा रहे हैं को नियंत्रित करने, सीधे फोटॉन डिटेक्टर D1 (4a) पर जाता है। डिटेक्टर संयोग काउंटर नामक उपकरण पर विद्युत संकेत भेजकर अपना आगमन दर्ज करता है। LK दूसरे फोटॉन पर एक हस्तक्षेप प्रयोग किया जाएगा; हम उसे बुलाएंगे सिग्नल फोटॉन. इसके पथ में एक डबल स्लिट है जिसके बाद दूसरा फोटॉन डिटेक्टर डी2 है, जो डिटेक्टर डी1 की तुलना में फोटॉन स्रोत से थोड़ा आगे है। यह डिटेक्टर हर बार संयोग काउंटर से संबंधित सिग्नल प्राप्त होने पर दोहरे स्लॉट के सापेक्ष अपनी स्थिति में बदलाव कर सकता है। जब डिटेक्टर डी1 एक फोटॉन का पता लगाता है, तो यह संयोग काउंटर को एक संकेत भेजता है। यदि, एक क्षण बाद, डिटेक्टर डी2 भी एक फोटॉन का पता लगाता है और मीटर को एक सिग्नल भेजता है, तो यह पहचान लेगा कि यह उलझे हुए फोटॉनों से आया है, और यह तथ्य डिवाइस की मेमोरी में संग्रहीत हो जाएगा। यह प्रक्रिया डिटेक्टर में प्रवेश करने वाले यादृच्छिक फोटॉन के पंजीकरण को समाप्त करती है।

उलझे हुए फोटॉन 400 सेकंड तक बने रहते हैं। इस समय के बाद, डी2 डिटेक्टर को स्लिट की स्थिति के सापेक्ष 1 मिमी स्थानांतरित कर दिया जाता है, और उलझे हुए फोटॉनों की गिनती में 400 सेकंड और लग जाते हैं। फिर डिटेक्टर को 1 मिमी तक फिर से घुमाया जाता है और प्रक्रिया को कई बार दोहराया जाता है। यह पता चला है कि डिटेक्टर डी 2 की स्थिति के आधार पर इस तरह से दर्ज किए गए फोटॉनों की संख्या के वितरण में यंग के प्रयोग (4 ए) में प्रकाश और अंधेरे और हस्तक्षेप फ्रिंज के अनुरूप विशेषता मैक्सिमा और मिनिमा है।

हम फिर से इसका पता लगाएंगे डबल स्लिट से गुजरने वाले एकल फोटॉन एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप करते हैं.

ऐसा कैसे?

प्रयोग में अगला कदम उस छेद को निर्धारित करना था जिसके माध्यम से एक विशेष फोटॉन अपनी गति को परेशान किए बिना गुजर जाएगा। यहाँ प्रयुक्त गुण क्वार्टर वेव प्लेट. प्रत्येक स्लिट के सामने एक क्वार्टर-वेव प्लेट रखी गई थी, जिसमें से एक ने घटना फोटॉन के रैखिक ध्रुवीकरण को दक्षिणावर्त गोलाकार ध्रुवीकरण में बदल दिया, और दूसरे ने बाएं हाथ के परिपत्र ध्रुवीकरण (4 बी) में बदल दिया। यह सत्यापित किया गया कि फोटॉन ध्रुवीकरण के प्रकार ने गिने गए फोटॉनों की संख्या को प्रभावित नहीं किया। अब, किसी फोटॉन के स्लिट से गुजरने के बाद उसके ध्रुवीकरण के घूर्णन का निर्धारण करके, हम यह संकेत दे सकते हैं कि फोटॉन उनमें से किस स्लिट से होकर गुजरा है। "किस दिशा में" जानने से हस्तक्षेप समाप्त हो जाता है।

4बी. स्लिट के सामने क्वार्टर-वेव प्लेट (छायांकित आयत) रखकर, "कौन सा पथ" के बारे में जानकारी प्राप्त की जा सकती है और हस्तक्षेप छवि गायब हो जाएगी।

4सी. डिटेक्टर डी1 के सामने उचित रूप से उन्मुख पोलराइज़र पी रखने से "किस पथ" की जानकारी मिट जाती है और हस्तक्षेप बहाल हो जाता है।

वास्तव में, एक बार जब क्वार्टर-वेव प्लेटों को स्लिट्स के सामने ठीक से रखा जाता है, तो हस्तक्षेप का संकेत देने वाला पहले देखा गया गिनती वितरण गायब हो जाता है। सबसे अजीब बात यह है कि यह एक जागरूक पर्यवेक्षक की भागीदारी के बिना होता है जो उचित माप कर सकता है! बस क्वार्टर-वेव प्लेटें रखने से हस्तक्षेप-दबाने वाला प्रभाव पैदा होता है।. तो फोटॉन को कैसे पता चलता है कि प्लेटों को डालने के बाद, हम उस अंतराल को निर्धारित कर सकते हैं जिसके माध्यम से वह गुजरा है?

हालाँकि, यह विचित्रता का अंत नहीं है। अब हम सिग्नल फोटॉन हस्तक्षेप को सीधे प्रभावित किए बिना उसका पुनर्निर्माण कर सकते हैं। ऐसा करने के लिए, डिटेक्टर डी1 तक पहुंचने वाले नियंत्रण फोटॉन के मार्ग में एक ध्रुवीकरणकर्ता रखें ताकि यह ध्रुवीकरण के साथ प्रकाश संचारित कर सके जो कि दोनों उलझे हुए फोटॉन (4सी) के ध्रुवीकरण का एक संयोजन है। यह तुरंत सिग्नल फोटॉन की ध्रुवीयता को तदनुसार बदल देता है। अब निश्चित रूप से यह निर्धारित करना संभव नहीं है कि स्लिट्स पर आपतित फोटॉन का ध्रुवीकरण क्या है, और फोटॉन किस स्लिट से होकर गुजरा है। इस मामले में, हस्तक्षेप बहाल हो गया है!

विलंबित चयन जानकारी मिटाएँ

ऊपर वर्णित प्रयोग इस तरह से किए गए थे कि सिग्नल फोटॉन डिटेक्टर डी1 तक पहुंचने से पहले डिटेक्टर डी2 द्वारा नियंत्रण फोटॉन का पता लगाया गया था। सिग्नल फोटॉन डिटेक्टर डी2 तक पहुंचने से पहले ड्राइविंग फोटॉन के ध्रुवीकरण को बदलकर "किस तरह" जानकारी को मिटा दिया गया था। तब कोई कल्पना कर सकता है कि नियंत्रण फोटॉन ने पहले ही अपने "जुड़वा" को बता दिया है कि आगे क्या करना है: हस्तक्षेप करना या नहीं।

अब हम प्रयोग को इस तरह से संशोधित करते हैं कि नियंत्रण फोटॉन डिटेक्टर डी1 पर सिग्नल फोटॉन को पंजीकृत करने के बाद डिटेक्टर डी2 से टकराता है। ऐसा करने के लिए, डिटेक्टर D1 को फोटॉन स्रोत से दूर ले जाएं। हस्तक्षेप पैटर्न समान दिखता है. अब यह निर्धारित करने के लिए कि फोटॉन ने कौन सा पथ लिया है, स्लिट के सामने क्वार्टर-वेव प्लेटें रखें। हस्तक्षेप पैटर्न गायब हो जाता है. इसके बाद, आइए डिटेक्टर डी1 के सामने एक उचित रूप से उन्मुख पोलराइज़र रखकर "किस तरफ" जानकारी मिटा दें। हस्तक्षेप पैटर्न फिर से प्रकट होता है! फिर भी डिटेक्टर डी2 द्वारा सिग्नल फोटॉन का पता चलने के बाद मिटाया गया। यह कैसे संभव है? फोटॉन के बारे में कोई भी जानकारी उस तक पहुंचने से पहले उसे ध्रुवता परिवर्तन के बारे में पता होना चाहिए।

5. लेज़र किरण के साथ प्रयोग।

यहां घटनाओं का प्राकृतिक क्रम उलटा है; प्रभाव कारण से पहले आता है! यह परिणाम हमारे आस-पास की वास्तविकता में कार्य-कारण के सिद्धांत को कमजोर करता है। या शायद जब उलझे हुए कणों की बात आती है तो समय कोई मायने नहीं रखता? क्वांटम उलझाव स्थानीयता के सिद्धांत का उल्लंघन करता है, जो शास्त्रीय भौतिकी में लागू होता है, जिसके अनुसार कोई वस्तु केवल उसके तत्काल परिवेश से प्रभावित हो सकती है।

ब्राज़ीलियाई प्रयोग के बाद से इसी तरह के कई प्रयोग किए गए हैं, जो यहां प्रस्तुत परिणामों की पूरी तरह पुष्टि करते हैं। अंत में पाठक इन अप्रत्याशित घटनाओं के रहस्य को स्पष्ट रूप से समझाना चाहेंगे। दुर्भाग्य से, ऐसा नहीं किया जा सकता. क्वांटम यांत्रिकी का तर्क उस दुनिया के तर्क से भिन्न है जिसे हम हर दिन देखते हैं। हमें इसे विनम्रतापूर्वक स्वीकार करना चाहिए और इस तथ्य पर खुशी मनानी चाहिए कि क्वांटम यांत्रिकी के नियम सूक्ष्म जगत में होने वाली घटनाओं का सटीक वर्णन करते हैं, जिनका उपयोग अधिक उन्नत तकनीकी उपकरणों में उपयोगी रूप से किया जाता है।