Эксперимент Уиллера с отложенным выбором

Джон Уиллер, 1985 год.

Эксперимент Уиллера с отложенным выбором описывает семейство мысленных экспериментов в квантовой физике, предложенных Джоном Арчибальдом Уилером , наиболее известные из которых появились в 1978 и 1984 годах. Эти эксперименты представляют собой попытку решить, «чувствует ли свет каким-то образом экспериментальное устройство в эксперименте с двумя щелями, через которое он проходит, корректируя свое поведение, принимая соответствующее определенное состояние, или же свет остается в неопределенном состоянии, демонстрируя как волновое, так и волновое состояние». подобное и частицеподобное поведение, пока не будет измерено.

Общая цель этих нескольких типов экспериментов состоит в том, чтобы сначала сделать что-то, что, согласно некоторым моделям скрытых переменных, заставит каждый фотон «решить», будет ли он вести себя как частица или как волна, а затем, прежде чем фотон успеет достичь устройства обнаружения, создаст еще одно изменение в системе, из-за которого будет казаться, что фотон «выбрал» вести себя противоположным образом. Некоторые интерпретаторы этих экспериментов утверждают, что фотон является либо волной, либо частицей, и что он не может быть тем и другим одновременно. Намерением Уиллера было исследовать связанные со временем условия, при которых фотон совершает переход между предполагаемыми состояниями бытия. Его работа была плодотворной во многих показательных экспериментах.

Когда эта линия экспериментов была впервые задумана, оказалось очень трудно ее осуществить. Тем не менее, на протяжении многих лет он оказался очень ценным, поскольку побудил исследователей предоставить «все более сложные демонстрации корпускулярно-волнового дуализма одиночных квантов». Как объясняет один экспериментатор: «Поведение волн и частиц может сосуществовать одновременно».

Введение

« Эксперимент Уиллера с отложенным выбором » относится к серии мысленных экспериментов в квантовой физике , первый из которых был предложен им в 1978 году. Другая известная версия была предложена в 1983 году. Все эти эксперименты пытаются решить одни и те же фундаментальные проблемы квантовой физики. . Многие из них обсуждаются в статье Уиллера 1978 года «Прошлое и эксперимент с двумя щелями с отложенным выбором», которая была воспроизведена в книге А. Р. Марлоу « Математические основы квантовой теории» , стр. 9–48.

Согласно принципу дополнительности , можно измерить «частичные» (имеющие точное местоположение) или «волновые» (имеющие частоту или амплитуду) свойства фотона, но не то и другое одновременно . Какая характеристика измеряется, зависит от того, используют ли экспериментаторы прибор, предназначенный для наблюдения частиц или для наблюдения волн. Когда это утверждение применяется очень строго, можно утверждать, что, определив тип детектора, можно заставить фотон проявляться только как частица или только как волна. Обнаружение фотона обычно является разрушительным процессом (см. неразрушающие измерения в квантовом неразрушающем измерении). Например, фотон может быть обнаружен в результате поглощения электроном в фотоумножителе , который принимает его энергию, которая затем используется для запуска каскада событий, вызывающих «щелчок» этого устройства. В случае эксперимента с двумя щелями фотон появляется на экране как сильно локализованная точка в пространстве и времени. Накопление фотонов на экране дает представление о том, должен ли фотон пройти через щели как волна или же он мог пройти как частица. Говорят, что фотон путешествовал как волна, если его накопление приводит к типичной интерференционной картине волн (см. Эксперимент с двумя щелями § Интерференция от отдельных частиц). для анимации, показывающей наращивание). Однако если одну из щелей закрыть или перед щелями поставить два ортогональных поляризатора (что делает различимыми фотоны, проходящие через разные щели), то интерференционная картина не появится, и ее нарастание можно объяснить как результат фотон, путешествующий как частица.

Квантовая механика предсказывает, что фотон всегда движется как волна, однако это предсказание можно увидеть, только обнаружив фотон как частицу. Таким образом, возникает вопрос: может ли фотон решить путешествовать как волна или частица в зависимости от экспериментальной установки? И если да, то когда фотон решит, будет ли он путешествовать как волна или как частица? Предположим, что традиционный эксперимент с двумя щелями подготовлен так, что любую из щелей можно заблокировать. Если обе щели открыты и лазер испускает серию фотонов, то на экране обнаружения быстро появится интерференционная картина. Интерференционную картину можно объяснить только как следствие волновых явлений, поэтому экспериментаторы могут прийти к выводу, что каждый фотон «решил» путешествовать как волна , как только он был испущен. Если доступна только одна щель, то интерференционной картины не будет, поэтому экспериментаторы могут заключить, что каждый фотон «решил» путешествовать как частица , как только он был испущен. Примечательно, однако, что в любом случае фотон должен принять свое решение. прежде чем столкнуться с фактически настроенным сценарием разреза.

Простой интерферометр

Один из способов исследовать вопрос о том, когда фотон решает, действовать ли ему в качестве волны или частицы в эксперименте, — использовать интерферометр Маха – Цендера . Аппарат изображен на изображении справа.

Открытые и закрытые

Если одиночный фотон испускается во входное отверстие устройства в левом нижнем углу, он немедленно сталкивается с светоделителем . Из-за равных вероятностей прохождения и отражения фотон либо продолжит движение прямо вперед, отразится от зеркала в правом нижнем углу и будет обнаружен детектором в верхней части устройства (обозначен синим контуром), либо он отразится от светоделителя, ударится о зеркало в верхнем левом углу и попадет в детектор на правом краю аппарата (красный путь). Чтобы объяснить наблюдение, что фотоны появляются в равных количествах на двух детекторах, но никогда на обоих одновременно, одна гипотеза гласит, что каждый фотон вел себя как частица с момента его испускания до момента его обнаружения, путешествовал ни по тому, ни по другому пути, и его волновая природа не проявилась.

Если прибор изменить так, чтобы второй светоделитель поместили в правом верхнем углу, а зеркала и светоделители отрегулировали точно на одинаковом расстоянии друг от друга, то фотоны с каждого пути рекомбинируются во втором светоделителе и покажут помех, всегда ударяя только по детектору справа. Это объясняется, если в этой конфигурации фотон движется как волна по обоим путям. Траектория, которая заканчивается у детектора наверху, объединяет один маршрут, по которому волна отражается от обоих светоделителей, с другим, по которому она передается через них оба. Это приводит к разнице в длине между двумя маршрутами, из-за которой волна выходит из фазы сама по себе и гасится (деструктивная интерференция), когда она покидает второй светоделитель и направляется к детектору наверху. С другой стороны, траектория к детектору справа включает в себя два одинаковых маршрута — два отражения и два прохождения на сплиттерах — что приводит к совпадению их фаз, следовательно, волны усиливают друг друга (конструктивная интерференция) и всегда попадают этот детектор. Это происходит, даже если одновременно испускается только один фотон, а это означает, что фотон распространяется как волна по обоим путям и интерферирует сам с собой, как это может делать только волна.

То есть, когда наличие второго светоделителя заставляет оба пути достигать обоих детекторов, что делает их пути неразличимыми, фотон демонстрирует волновую характеристику интерференции. В противном случае она случайно попадет в тот или иной детектор, как это произошло бы с частицей, пришедшей только с одного пути; отсюда следует, что фотон, по-видимому, «решает», будет ли он проходить через интерферометр как частица или как волна, в зависимости от ситуации, с которой он столкнется в конце этого пути .

Таким образом, Уилер хотел знать, можно ли экспериментально определить время, в которое фотон принял свое «решение». Можно ли пропустить фотон через область первого светоделителя, в то время как во втором положении светоделителя нет, тем самым заставив его «решить» путешествовать как частица, а затем быстро позволить второму светоделителю взорваться? на его пути? Предположительно, путешествовав как частица до этого момента, пропустит ли светоделитель ее и проявит себя как частица, как если бы второго светоделителя там не было? Или он будет вести себя так, как будто второй светоделитель всегда был там? Будет ли это проявлять интерференционные эффекты? И если оно действительно проявляло эффекты интерференции, то для этого оно должно было вернуться в прошлое и изменить свое «решение» о путешествии как частицы на путешествие как волна? Обратите внимание, что Уилер хотел проверить несколько гипотез, получив объективные данные.

Альберту Эйнштейну не нравились эти возможные последствия квантовой механики. Однако, когда были, наконец, разработаны эксперименты, которые позволили провести как двухщелевую версию эксперимента, так и интерферометрическую версию эксперимента, было убедительно показано, что фотон, который начинает свою жизнь в экспериментальной конфигурации, которая требовала бы от него демонстрации своей корпускулярной природы, но заканчивается находясь в экспериментальной конфигурации, требующей от него демонстрации своей волновой природы, он всегда будет проявлять свои волновые характеристики, интерферируя сам с собой. Аналогично, если эксперимент начался со вторым светоделителем, но его убрали, пока фотон находился в полете, то фотон неизбежно попадет в любой из детекторов без каких-либо признаков интерференционных эффектов. Таким образом, наличие или отсутствие второго светоделителя всегда будет определять, имеет ли он «волновое» или «частичное» проявление. Многие экспериментаторы достигли интерпретации экспериментальных результатов, в которой говорилось, что изменение конечных условий задним числом определит, каким «решил» фотон, когда он входил в первый светоделитель. Как упоминалось выше, Уиллер отверг эту интерпретацию.

Космический интерферометр

Двойной квазар, известный как QSO 0957+561, также известный как «Квазар-близнец», находится на расстоянии чуть менее 9 миллиардов световых лет от Земли.

План Уиллера

Пытаясь избежать разрушения нормальных представлений о причине и следствии, некоторые теоретики предположил, что информация о том, был ли установлен второй светоделитель или нет, могла каким-то образом передаваться из конечной точки экспериментального устройства обратно фотону, когда он только входил в это экспериментальное устройство, что позволяло ему принять правильное «решение». ." Поэтому Уиллер предложил космическую версию своего эксперимента. В этом мысленном эксперименте он задается вопросом, что произойдет, если квазар или другая галактика, находящаяся в миллионах или миллиардах световых лет от Земли, пропустит свой свет вокруг промежуточной галактики или скопления галактик, которые будут действовать как гравитационная линза. Фотон, направляющийся точно к Земле, столкнется с искажением пространства вблизи проходящей через него массивной галактики. В этот момент ему придется «решить», следует ли идти вокруг линзирующей галактики в одну сторону, путешествуя как частица, или идти в обе стороны, путешествуя как волна. Что произойдет, когда фотон достигнет астрономической обсерватории на Земле? Благодаря гравитационному линзированию телескопы обсерватории видят два изображения одного и того же квазара: одно слева от линзирующей галактики, а другое справа от нее. Если фотон путешествовал как частица и попал в телескоп, направленный на изображение левого квазара, он, должно быть, решил путешествовать как частица все эти миллионы лет, или так говорят некоторые экспериментаторы. Этот телескоп направлен не в ту сторону, чтобы уловить что-либо на изображении другого квазара. Если фотон путешествовал как частица и пошел наоборот, то его уловит только телескоп, направленный на правильный «квазар». Итак, миллионы лет назад фотон решил путешествовать под видом частицы и случайно выбрал другой путь. Но теперь экспериментаторы решают попробовать что-то еще. Они направляют выходной сигнал двух телескопов в светоделитель, как показано на схеме, и обнаруживают, что один выходной сигнал очень яркий (что указывает на положительную интерференцию), а другой выходной сигнал по существу равен нулю, что указывает на самоподавление входящих пар волновых функций.

Пути разделены и пути сходятся с помощью светоделителя

Затем Уиллер выступает в роли адвоката дьявола и предполагает, что, возможно, получение этих экспериментальных результатов будет означать, что в тот момент, когда астрономы вставили свой светоделитель, фотоны, покинувшие квазар несколько миллионов лет назад, задним числом решили путешествовать как волны, и что когда астрономы решили снова вытащить свой светоделитель, это решение было передано назад во времени фотонам, которые уходили несколько миллионов лет плюс несколько минут назад, так что фотоны задним числом решили путешествовать как частицы.

Несколько способов реализации основной идеи Уиллера были воплощены в реальных экспериментах, и они подтверждают вывод, который предвидел Уиллер: то, что делается на выходе экспериментального устройства до того, как фотон будет обнаружен, будет определять, проявит ли он интерференционные явления или нет. Ретропричинность — это мираж.

Версия с двойной щелью

Двухщелевой аппарат Уиллера.

Второй тип эксперимента напоминает обычный эксперимент с двумя щелями. Схематическая диаграмма этого эксперимента показывает, что линза на дальней стороне двойных щелей заставляет траекторию каждой щели слегка отклоняться от другой после того, как они пересекаются достаточно близко к этой линзе. В результате две волновые функции каждого фотона будут находиться в суперпозиции на довольно небольшом расстоянии от двойных щелей, и если в области, где волновые функции находятся в суперпозиции, предусмотрен экран обнаружения, то будут видны интерференционные картины. Не существует способа, с помощью которого можно было бы определить, что тот или иной фотон прибыл из одной или другой двойной щели. Однако если экран обнаружения убрать, волновые функции на каждом пути будут накладываться на области все более низких амплитуд, и их совокупные значения вероятности будут намного меньше, чем неподкрепленные значения вероятности в центре каждого пути. Когда телескопы нацелены на перехват центра двух путей, вероятность того, что фотон появится на одном из них, будет равна почти 50%. Когда фотон обнаруживается телескопом 1, исследователи могут связать этот фотон с волновой функцией, вышедшей из нижней щели. Когда один из них будет обнаружен телескопом 2, исследователи могут связать этот фотон с волновой функцией, вышедшей из верхней щели. Объяснение, подтверждающее такую ​​интерпретацию экспериментальных результатов, состоит в том, что фотон вышел из одной из щелей, и на этом дело кончилось. Фотон должен был стартовать в лазере, пройти через одну из щелей и достичь соответствующего телескопа по одной прямой траектории.

Ретрокаузальное объяснение, которое Уиллер не принимает, гласит, что при наличии экрана обнаружения должны проявляться помехи. Чтобы интерференция проявилась, из каждой из двух щелей должна была выйти световая волна. Следовательно, одиночный фотон, попадая в двухщелевую диафрагму, должен был «решить», что ему необходимо пройти через обе щели, чтобы иметь возможность интерферировать с самим собой на экране обнаружения. Чтобы интерференция не проявлялась, одиночный фотон, попадающий в двухщелевую диафрагму, должен «решить» пройти только через одну щель, потому что в этом случае он появится в камере соответствующего одиночного телескопа.

В этом мысленном эксперименте телескопы всегда присутствуют, но эксперимент может начаться с присутствия экрана обнаружения, но затем быть удаленным сразу после того, как фотон покинет двухщелевую диафрагму, или эксперимент может начаться с отсутствия экрана обнаружения, а затем его удаления. вводится сразу после того, как фотон покидает диафрагму. Некоторые теоретики утверждают, что установка или удаление экрана в разгар эксперимента может заставить фотон задним числом принять решение пройти через двойные щели как частица, хотя ранее он проходил через нее как волна, или наоборот. Уилер не принимает эту интерпретацию.

Эксперимент с двумя щелями, как и другие шесть идеализированных экспериментов (микроскоп, расщепленный луч, наклонные зубцы, диаграмма направленности, однофотонная поляризация и поляризация парных фотонов), требует выбора между дополнительными режимами наблюдения. В каждом эксперименте мы находили способ отложить выбор типа искомого явления до самой последней стадии развития явления, и это зависит от того, какой тип устройства обнаружения мы затем выберем. Эта задержка не влияет на экспериментальные предсказания. В этом отношении все, что мы находим, было предвещено в этом единственном и содержательном предложении Бора: «...в отношении наблюдаемых эффектов, достижимых с помощью определенной экспериментальной установки, не может иметь никакого значения, будут ли наши планы по конструированию инструментов или обращению с ними фиксированы заранее, или же мы предпочитаем отложить завершение нашего планирования до более позднего момента, когда частица уже будет на пути от одного инструмента к другому».

Бомовская интерпретация

Один из самых простых способов «придать смысл» парадоксу отложенного выбора — изучить его с помощью механики Бома . Удивительные последствия оригинального эксперимента с отложенным выбором привели Уиллера к выводу, что «ни одно явление не является явлением, пока оно не является наблюдаемым явлением». Уиллер, как известно, сказал, что «прошлое не существует, кроме как записано в настоящем», и что Вселенная «не существует независимо от всех актов наблюдения».

Однако Бом и др. (1985, Nature vol. 315, стр. 294–97) показали, что бомовская интерпретация дает прямое объяснение поведения частицы в условиях отложенного выбора. Подробное обсуждение доступно в статье в открытом доступе Бэзила Хили и Каллагана: в то время как многие квантовые парадоксы, включая отложенный выбор, обобщены в главе 7 книги « Взгляд физика на материю и разум» (PVMM). используя как Бома, так и стандартные интерпретации.

В квантовой механике Бома частица подчиняется классической механике, за исключением того, что ее движение происходит под дополнительным влиянием ее квантового потенциала . Фотон или электрон имеют определенную траекторию и проходят через одну или другую из двух щелей, а не через обе, как это происходит в случае классической частицы. Прошлое детерминировано и остается тем, чем оно было до момента T ₁ , когда экспериментальная конфигурация для его обнаружения в виде волны была изменена на конфигурацию обнаружения частицы во время прибытия T ₂ . При Т ₁ , когда экспериментальная установка была изменена, квантовый потенциал Бома изменяется по мере необходимости, и частица движется классически под новым квантовым потенциалом до Т _2, когда она обнаруживается как частица. Таким образом, механика Бома восстанавливает традиционный взгляд на мир и его прошлое. Прошлое существует как объективная история, которую невозможно изменить задним числом посредством отложенного выбора.

Часто считается, что «квантовый потенциал» Q(r,T) действует мгновенно. Но на самом деле смена экспериментальной установки при Т ₁ занимает конечное время dT. Начальный потенциал Q(r,T<T1 ₎ медленно меняется в течение интервала времени dT и становится новым квантовым потенциалом Q(r,T>T1 ₎ . В книге PVMM, упомянутой выше, делается важное наблюдение (раздел 6.7.1), что квантовый потенциал содержит информацию о граничных условиях, определяющих систему, и, следовательно, любое изменение экспериментальной установки немедленно распознается квантовым потенциалом и определяет динамика бомовской частицы.

Детали эксперимента

Первоначальное обсуждение Джоном Уилером возможности отложенного выбора кванта появилось в эссе под названием «Закон без закона», которое было опубликовано в книге под названием « Квантовая теория и измерение », которую он и Войцех Хуберт Зурек редактировали , стр. 182–213. Он представил свои замечания, повторив спор между Альбертом Эйнштейном, который хотел постижимой реальности, и Нильсом Бором, который считал, что концепция реальности Эйнштейна была слишком ограниченной. Уилер указывает, что Эйнштейн и Бор исследовали последствия лабораторного эксперимента, который будет обсуждаться ниже, в котором свет может пройти из одного угла прямоугольной совокупности полупосеребренных и полностью посеребренных зеркал в другой угол, а затем может показать себя не только тем, что он прошел половину периметра по одному пути, а затем вышел, но также и тем, что прошел обе стороны периметра и затем «сделал выбор» относительно того, выйти ли через один порт или другой. Этот результат справедлив не только для лучей света, но и для одиночных фотонов света. Уиллер заметил:

Эксперимент в форме интерферометра , обсуждавшийся Эйнштейном и Бором, теоретически мог бы быть использован для исследования того, отправляется ли фотон иногда по одному пути, всегда ли следует по двум путям, но иногда использует только один, или же может появиться что-то еще. . Однако было легче сказать: «Во время случайных запусков эксперимента мы вставим второе полупосеребренное зеркало как раз перед тем, как фотон успеет туда попасть», чем придумать способ сделать такое быстрое замена. Скорость света слишком высока, чтобы позволить механическому устройству выполнить эту работу, по крайней мере, в пределах лаборатории. Чтобы обойти эту проблему, понадобилась большая изобретательность.

После публикации нескольких подтверждающих экспериментов Jacques et al. утверждали, что их эксперимент полностью соответствует первоначальной схеме, предложенной Уилером. Их сложный эксперимент основан на интерферометре Маха-Цендера , включающем триггерный алмазный генератор фотонов с центром окраски N-V, поляризацию и электрооптический модулятор, действующий как переключаемый светоделитель. Измерения в закрытой конфигурации показали интерференцию, тогда как измерения в открытой конфигурации позволили определить путь частицы, что сделало интерференцию невозможной.

Первоначально Эйнштейн утверждал, что в таких экспериментах неразумно, чтобы один фотон перемещался одновременно по двум маршрутам. Снимите полупосеребренное зеркало в [верхнем правом углу], и вы обнаружите, что то один счетчик гаснет, то другой. Таким образом, фотон прошел только один путь. Он ездит только по одному маршруту. но он едет обоими путями: он едет обоими путями, но он путешествует только по одному маршруту. Какая ерунда! Насколько очевидно, что квантовая теория противоречива!

Интерферометр в лаборатории

Версия эксперимента с интерферометром Уиллера до недавнего времени не могла быть проведена в лаборатории из-за практической трудности установки или удаления второго светоделителя в течение короткого интервала времени между попаданием фотона в первый светоделитель и его прибытием в это место. предусмотрен второй светоделитель. Эта реализация эксперимента осуществляется путем увеличения длины обоих путей путем вставки длинных отрезков оптоволоконного кабеля. Это значительно увеличивает временной интервал, связанный с проходами через аппарат. Быстродействующее переключаемое устройство на одном пути, состоящее из высоковольтного переключателя, ячейки Поккельса и призмы Глана – Томпсона , позволяет отклонить этот путь от его обычного назначения так, что путь фактически заходит в тупик. . При использовании обходного пути ничто не может достичь ни одного детектора по этому пути, поэтому помех быть не может. При его выключении путь возобновляет свой обычный режим действия и проходит через второй светоделитель, снова вызывая помехи. Эта конструкция фактически не вставляет и не удаляет второй светоделитель, но позволяет переключаться из состояния, в котором интерференция появляется, в состояние, в котором интерференция не может появиться, и делать это в промежутке между попаданием света в первый луч -делитель и свет, выходящий из второго светоделителя. Если бы фотоны «решили» войти в первый светоделитель в виде волн или частиц, им должно было быть направлено отменить это решение и пройти через систему в другом обличье, и они должны были сделать это без какого-либо физического процесса. передаются входящим фотонам или первому светоделителю, потому что такая передача будет слишком медленной даже на скорости света. Интерпретация Уиллером физических результатов будет заключаться в том, что в одной конфигурации двух экспериментов единственная копия волновой функции входящего фотона принимается с 50% вероятностью на одном или другом детекторе, а в другой конфигурации две копии Волновые функции, распространяясь по разным путям, достигают обоих детекторов, находятся в противофазе друг с другом и, следовательно, демонстрируют интерференцию. В одном детекторе волновые функции будут синфазны друг с другом, и в результате фотон со 100% вероятностью появится в этом детекторе. В другом детекторе волновые функции будут сдвинуты по фазе на 180°, будут точно компенсировать друг друга, и вероятность появления связанных с ними фотонов в этом детекторе будет равна 0%.

Интерферометр в космосе

Космический эксперимент, задуманный Уилером, можно было бы описать либо как аналог эксперимента с интерферометром, либо как аналог эксперимента с двумя щелями. Важно то, что с помощью устройства третьего типа — массивного звездного объекта, действующего как гравитационная линза, — фотоны из источника могут прибывать двумя путями. В зависимости от того, как расположены разности фаз между парами волновых функций, могут наблюдаться соответственно различные виды интерференционных явлений. Экспериментаторы могут контролировать, объединять ли входящие волновые функции или нет, и как объединять входящие волновые функции. Здесь нет никаких разностей фаз, вносимых в волновые функции экспериментальной установкой, как это происходит в экспериментах с лабораторным интерферометром, поэтому, несмотря на отсутствие двухщелевого устройства рядом с источником света, космический эксперимент ближе к эксперименту с двумя щелями. Однако Уиллер планировал провести эксперимент по объединению входящих волновых функций с помощью светоделителя.

Основная трудность в проведении этого эксперимента заключается в том, что экспериментатор не может контролировать или знать, когда каждый фотон начал свое путешествие к Земле, и экспериментатор не знает длины каждого из двух путей между далеким квазаром. Следовательно, вполне возможно, что две копии одной волновой функции могут появиться в разное время. Чтобы сопоставить их во времени, чтобы они могли взаимодействовать, потребуется использовать какое-то устройство задержки при первом прибытии. Прежде чем эту задачу можно будет решить, необходимо найти способ расчета временной задержки.

Одно из предложений по синхронизации входных сигналов с двух концов этого космического экспериментального аппарата заключается в характеристиках квазаров и возможности идентификации идентичных событий по некоторым характеристикам сигнала. Информация о квазарах-близнецах, которую Уиллер использовал в качестве основы для своих предположений, достигает Земли с разницей примерно в 14 месяцев. Найти способ удерживать квант света в какой-то петле более года было бы непросто.

Двойные щели в лаборатории и космосе

Замените светоделитель, зарегистрировав проецируемые изображения телескопа на общем экране обнаружения.

Версия эксперимента с двумя щелями Уиллера устроена таким образом, что один и тот же фотон, выходящий из двух щелей, можно зарегистрировать двумя способами. Первый способ позволяет двум путям сойтись вместе, позволяет двум копиям волновой функции перекрываться и демонстрирует интерференцию. Второй путь перемещается дальше от источника фотонов в положение, где расстояние между двумя копиями волновой функции слишком велико, чтобы проявлять интерференционные эффекты. Техническая проблема в лаборатории заключается в том, как вставить экран детектора в точку, подходящую для наблюдения интерференционных эффектов, или убрать этот экран, чтобы открыть детекторы фотонов, которые могут быть ограничены приемом фотонов из узких областей пространства, где находятся щели. Одним из способов решения этой задачи было бы использовать недавно разработанные электрически переключаемые зеркала и просто менять направления двух путей от щелей, включая или выключая зеркало. По состоянию на начало 2014 г. о таком эксперименте не было объявлено.

У космического эксперимента, описанного Уилером, есть и другие проблемы, но для направления копий волновой функции в то или иное место спустя долгое время после того, как вовлеченный фотон, по-видимому, «решил», быть ли ему волной или частицей, вообще не требуется большой скорости. У человека есть около миллиарда лет, чтобы выполнить эту работу.

Космическая версия эксперимента с интерферометром может быть адаптирована для работы в качестве космического устройства с двумя щелями, как показано на иллюстрации.

Текущие интересные эксперименты

Первым реальным экспериментом, который последовал замыслу Уиллера относительно устройства с двумя щелями, которое будет подвергаться окончательному определению метода обнаружения, был эксперимент, проведенный Уолборном и др.

Исследователи, имеющие доступ к радиотелескопам, изначально предназначенным для исследований SETI , объяснили практические трудности проведения межзвездного эксперимента Уиллера.

Недавний эксперимент Мэннинга и др. подтверждает стандартные предсказания стандартной квантовой механики с атомом гелия.

Выводы

Ма, Цайлингер и др. суммировали то, что можно было узнать в результате экспериментов, возникших на основе предложений Уиллера. Они говорят:

Наша работа демонстрирует и подтверждает, что корреляции между двумя запутанными фотонами раскрывают информацию о « путешествии » или интерференционную картину одного (системного) фотона, зависит от выбора измерения другого фотона (окружения), даже когда все события на двух сторонах, которые могут быть пространственно разделены, пространственно разделены. Тот факт, что можно решить, проявляется ли волновая или корпускулярная характеристика спустя долгое время после измерения (и даже в пространственно-подобном отделении от него) учит нас тому, что у нас не должно быть какой-либо наивной реалистичной картины для интерпретации квантовых явлений. Любое объяснение того, что происходит при конкретном индивидуальном наблюдении одного фотона, должно принимать во внимание весь экспериментальный аппарат полного квантового состояния, состоящего из обоих фотонов, и может иметь смысл только после того, как вся информация, касающаяся дополнительных переменных, будет записана. Наши результаты показывают, что точка зрения, согласно которой системный фотон ведет себя либо определенно как волна, либо определенно как частица, потребует связи со скоростью, превышающей скорость света. Поскольку это противоречило бы специальной теории относительности, мы считаем, что от такой точки зрения следует полностью отказаться.

См. также

• Квантовый ластик с отложенным выбором
• Временно-симметричная теория Уиллера – Фейнмана

Библиография

• Жак, Винсент; Ву, Э; Гроссханс, Фредерик; Трейссар, Франсуа; Гранжье, Филипп; Аспект, Ален; Рош, Жан-Франсуа (2007). «Экспериментальная реализация мысленного эксперимента Уиллера с отложенным выбором». Наука . 315 (5814): 966–8. arXiv : Quant-ph/0610241 . Бибкод : 2007Sci...315..966J . дои : 10.1126/science.1136303 . ПМИД   17303748 . S2CID   6086068 .
• Интернет-библиография со списком всех работ Уиллера.
• Джон Арчибальд Уилер, «Прошлое» и «Эксперимент с двумя щелями с отложенным выбором», стр. 9–48, в А. Р. Марлоу, редакторе, «Математические основы квантовой теории» , Academic Press (1978).
• Джон Арчибальд Уилер и Войцех Хуберт Зурек, Квантовая теория и измерения (Принстонская серия по физике)
• Джон Д. Барроу, Пол К.В. Дэвис и младший, Чарльз Л. Харперм Наука и высшая реальность: квантовая теория, космология и сложность ( издательство Кембриджского университета ), 2004 г.
• Сяо-сун Ма, Йоханнес Кофлер и Антон Цайлингер, Мысленные эксперименты с отложенным выбором и их реализации , arXiv : 1407.2930 , март 2016 г. Обзорная статья.

Внешние ссылки

• Классический эксперимент Уиллера с отложенным выбором, Росс Роудс
• «Квантовый ластик», Джон Г. Крамер
• Демистификация экспериментов с отложенным выбором
• «Джон Уиллер - Эксперимент с отложенным выбором (105/130)» . Ютуб . Сеть историй. 6 октября 2017 г. Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г.