Афшарский эксперимент
| Часть серии статей о |
| Квантовая механика |
|---|
Эксперимент Афшара — это вариация квантовомеханического эксперимента с двумя щелями , разработанного и проведенного Шахриаром Афшаром в 2004 году. [ 1 ] [ 2 ] В эксперименте свет, генерируемый лазером , проходит через два близко расположенных отверстия и перефокусируется линзой так , что изображение каждого отверстия попадает на отдельный детектор одиночных фотонов . размещается сетка из тонких проволок Кроме того, непосредственно перед линзой на темных краях интерференционной картины . [ 3 ]
Афшар заявил, что эксперимент дает информацию о том, какой путь проходит фотон через аппарат, одновременно позволяя наблюдать интерференцию между путями. [ 4 ] [ 5 ] По мнению Афшара, это нарушает принцип дополнительности квантовой механики . [ 3 ] [ 6 ]
Эксперимент был проанализирован и повторен рядом исследователей. [ 7 ] Существует несколько теорий, объясняющих этот эффект, не нарушая дополнительности. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Джон Г. Крамер утверждает, что этот эксперимент доказывает, что транзакционная интерпретация квантовой механики превосходит другие интерпретации.
История
[ редактировать ]Экспериментальная работа Шахриара Афшара первоначально проводилась в Институте радиационно-индуцированных массовых исследований (IRIMS). [ 12 ] в Бостоне и позднее воспроизведен в Гарвардском университете , когда он находился там в качестве приглашенного исследователя . [ 1 ] Результаты были впервые представлены на семинаре в Гарварде в марте 2004 года. [ 2 ] Эксперимент был представлен на обложке научно-популярного журнала New Scientist от 24 июля 2004 года , одобренного профессором Джоном Г. Крамером из Вашингтонского университета . [ 1 ] [ 13 ] Тематическая статья New Scientist вызвала множество откликов, в том числе различные письма редактору, появившиеся в номерах от 7 и 14 августа 2004 года, в которых приводились доводы против выводов, к которым пришел Афшар. [ 14 ] Результаты были опубликованы в материалах конференции SPIE в 2005 году. [ 4 ] Последующая статья была опубликована в научном журнале Foundations of Physics в январе 2007 года. [ 3 ] и опубликовано в журнале New Scientist в феврале 2007 года. [ 15 ]
Экспериментальная установка
[ редактировать ]
В эксперименте используется установка, аналогичная той, что использовалась для эксперимента с двумя щелями . В варианте Афшара свет, генерируемый лазером , проходит через два близко расположенных круглых отверстия (не щели). После двойных отверстий линза перефокусирует свет так, что изображение каждого отверстия попадает на отдельные детекторы фотонов (рис. 1). Когда отверстие 2 закрыто, фотон, проходящий через отверстие 1, попадает только на детектор фотонов 1. Точно так же, когда отверстие 1 закрыто, фотон, проходящий через отверстие 2, попадает только на детектор фотонов 2. Когда оба отверстия открыты, утверждает Афшар, цитируя Уиллера. [ 16 ] В подтверждение можно сказать, что точечное отверстие 1 остается коррелированным с детектором фотонов 1 (и наоборот, для точечного отверстия 2 с детектором фотонов 2), и, следовательно, информация о том, в каком направлении, сохраняется, когда оба точечных отверстия открыты. [ 3 ]
Когда свет действует как волна, из-за квантовой интерференции можно наблюдать, что существуют области, которых фотоны избегают, называемые темными полосами . Сетка из тонких проволок расположена непосредственно перед линзой (рис. 2) так, чтобы проволоки лежали на темных краях интерференционной картины, создаваемой установкой с двумя точечными отверстиями. Если одно из отверстий заблокировать, то интерференционная картина больше не будет формироваться, а сетка из проводов вызывает заметную дифракцию света и блокирует его часть от обнаружения соответствующим детектором фотонов. Однако когда обе обскуры открыты, влияние проводов незначительно, сравнимо со случаем, когда провода не расположены перед линзой (рис. 3), поскольку провода лежат в темных полосах интерференционной картины. . Эффект не зависит от интенсивности света (потока фотонов).
Интерпретация Афшара
[ редактировать ]Вывод Афшара состоит в том, что, когда оба отверстия открыты, свет демонстрирует волнообразное поведение при прохождении через провода, поскольку свет проходит через пространства между проводами, но избегает самих проводов, но также демонстрирует поведение, подобное частице, после прохождения через провода. линзу, а фотоны поступают на коррелированный фотодетектор. Афшар утверждает, что такое поведение противоречит принципу дополнительности в той степени, в которой оно демонстрирует как волновые, так и корпускулярные характеристики в одном и том же эксперименте для одних и тех же фотонов.
Афшар утверждает, что существует одновременно высокая заметность V помех и высокая различимость D (соответствующая информации о пути), так что V 2 + Д 2 > 1, и соотношение корпускулярно-волнового дуализма нарушается. [ 3 ]
Прием
[ редактировать ]Конкретная критика
[ редактировать ]Ряд ученых опубликовали критику интерпретации Афшаром его результатов, некоторые из которых отвергают утверждения о нарушении дополнительности, но при этом расходятся в том, как они объясняют, как дополнительность справляется с экспериментом. Например, одна статья оспаривает основное утверждение Афшара о том, что соотношение двойственности Энглерта-Гринбергера нарушено. Исследователи повторили эксперимент, используя другой метод измерения видимости интерференционной картины, чем тот, который использовал Афшар, и не обнаружили нарушений дополнительности, заключив: «Этот результат демонстрирует, что эксперимент может быть прекрасно объяснен копенгагенской интерпретацией квантовая механика». [ 10 ]
Ниже приводится краткий обзор статей нескольких критиков, в которых подчеркиваются их основные аргументы и разногласия, которые они имеют между собой:
- Рут Кастнер, Комитет по истории и философии науки, Университет Мэриленда, Колледж-Парк . [ 8 ] [ 17 ]
- Критика Кастнера, опубликованная в рецензируемой статье, начинается с постановки мысленного эксперимента и применения к нему логики Афшара, чтобы выявить его недостатки. Она предполагает, что эксперимент Афшара эквивалентен подготовке электрона в состоянии со спином вверх, а затем измерению его бокового спина. Это не означает, что кто-то обнаружил состояние спина вверх-вниз и состояние спина вбок любого электрона одновременно. Применительно к эксперименту Афшара: «Тем не менее, даже при удалении сетки, поскольку фотон готовится в суперпозиции S , измерение на последнем экране в момент t 2 никогда на самом деле не является измерением «в какую сторону» (термин, традиционно приписываемый наблюдаемый на основе щели ), потому что он не может сказать нам, «через какую щель на самом деле прошел фотон».
- Даниэль Райтцнер, Исследовательский центр квантовой информации, Институт физики Словацкой академии наук , Братислава , Словакия . [ 18 ]
- Райтцнер выполнил численное моделирование устройства Афшара, опубликованное в препринте, и получил те же результаты, что Афшар получил экспериментально. Исходя из этого, он утверждает, что фотоны демонстрируют волновое поведение, включая высокую видимость полос, но не имеют информации о том, в каком направлении, вплоть до момента, когда они попадают в детектор: «Другими словами, двухпиковое распределение представляет собой интерференционную картину, и фотон ведет себя как волна и не проявляет никаких свойств частицы, пока не ударится о пластину. В результате таким способом невозможно получить информацию о направлении движения».
- У.Г. Унру , профессор физики Университета Британской Колумбии [ 19 ]
- Унру, как и Кастнер, приступает к созданию аранжировки, которая, по его мнению, эквивалентна, но проще. Размер эффекта больше, чтобы было легче увидеть ошибку в логике. По мнению Унру, этот недостаток, в случае наличия препятствия в положении темных полос, «делает вывод, что ЕСЛИ частица была обнаружена детектором 1, ТО она должна была прийти с пути 1. Аналогично, ЕСЛИ бы она была обнаружена детектором 1, ТО она должна была прийти с пути 1. обнаружен детектором 2, затем он пришел по пути 2». Другими словами, он признает существование интерференционной картины, но отвергает существование информации о направлении.
- Любош Мотл , бывший доцент кафедры физики Гарвардского университета . [ 20 ]
- Критика Мотла, опубликованная в его блоге, основана на анализе реальной схемы Афшара, а не на предложении другого эксперимента, подобного эксперименту Унру и Кастнера. В отличие от Унру и Кастнера, он считает, что информация о направлении всегда существует, но утверждает, что измеренный контраст интерференционной картины на самом деле очень низок: «Поскольку этот сигнал (нарушение) от второго, среднего изображения мал (что эквивалентно он влияет только на очень небольшую часть фотонов), контраст V также очень мал и стремится к нулю для бесконечно тонких проводов». Он также утверждает, что этот эксперимент можно понять с помощью классической электродинамики и он «не имеет ничего общего с квантовой механикой».
- Оле Стойернагель, Школа физики, астрономии и математики, Университет Хартфордшира , Великобритания. [ 9 ]
- Стойернагель проводит количественный анализ различных прошедших, преломленных и отраженных мод в установке, которая лишь незначительно отличается от установки Афшара. Он приходит к выводу, что соотношение двойственности Энглерта-Гринбергера строго соблюдается и, в частности, что видимость полосы для тонких проводов мала. Как и некоторые другие критики, он подчеркивает, что вывод о интерференционной картине — это не то же самое, что ее измерение: «Наконец, самая большая слабость в анализе, предложенном Афшаром, — это вывод о том, что интерференционная картина должна присутствовать».
- Эндрю Найт, факультет физики Нью-Йоркского университета [ 21 ]
- Утверждает, что утверждение Афшара о нарушении дополнительности является простой логической непоследовательностью: если поставить эксперимент так, что фотоны пространственно когерентны над двумя отверстиями, отверстия обязательно станут неразличимы для этих фотонов. «Другими словами, Афшар и др. заявляют на одном дыхании, что поставили эксперимент так, что отверстия A и B по своей сути неразличимы для определенных фотонов (в частности, фотонов, которые производятся пространственно когерентными по ширине, охватываемой отверстиями, которые, таким образом, неспособны их различать), и в еще один вздох, чтобы различить точечные отверстия A и B с теми же самыми фотонами».
Конкретная поддержка
[ редактировать ]- Соавторы Афшара Эдуардо Флорес и Эрнст Кнозель критикуют установку Кастнера и предлагают альтернативную экспериментальную установку. [ 22 ] Удалив линзу Афшара и заставив два луча перекрываться под небольшим углом, Флорес и др. Целью было показать, что сохранение импульса гарантирует сохранение информации о пути, когда обе дырочки открыты. Но этот эксперимент все еще вызывает возражение Мотла о том, что два луча имеют субмикроскопическую дифракционную картину, создаваемую схождением лучей перед щелями; результатом было бы измерение того, какая щель была открыта еще до того, как провода были достигнуты.
- Джон Г. Крамер принимает интерпретацию эксперимента Афшара, чтобы поддержать свою собственную транзакционную интерпретацию квантовой механики вместо копенгагенской интерпретации и интерпретации многих миров . [ 23 ] [ 24 ]
См. также
[ редактировать ]- Эксперимент Уиллера с отложенным выбором
- Квантовый ластик отложенного выбора
- Слабое измерение
- Теория поглотителя Уиллера – Фейнмана
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Чоун, Маркус (2004). «Квантовый бунтарь» . Новый учёный . 183 (2457): 30–35. (требуется подписка)
- ^ Jump up to: а б СС Афшар (2004 г.). «Машу на прощание Копенгагену: ошибались ли основатели квантовой механики?» . Анонс Гарвардского семинара . Архивировано из оригинала 5 марта 2012 г. Проверено 1 декабря 2013 г.
- ^ Jump up to: а б с д и СС Афшар; Э. Флорес; К. Ф. Макдональд; Э. Кнозель (2007). «Парадокс корпускулярно-волнового дуализма». Основы физики . 37 (2): 295–305. arXiv : Quant-ph/0702188 . Бибкод : 2007FoPh...37..295A . дои : 10.1007/s10701-006-9102-8 . S2CID 2161197 .
- ^ Jump up to: а б СС Афшар (2005 г.). Ройчоудхури, Чандрасекхар; Крит, Кэтрин (ред.). «Нарушение принципа дополнительности и его последствия». Труды SPIE . Природа света: что такое фотон? 5866 : 229–244. arXiv : Quant-ph/0701027 . Бибкод : 2005SPIE.5866..229A . дои : 10.1117/12.638774 . S2CID 119375418 .
- ^ СС Афшар (2006 г.). «Нарушение дополнительности Бора: одна щель или обе?». Материалы конференции AIP . 810 : 294–299. arXiv : Quant-ph/0701039 . Бибкод : 2006AIPC..810..294A . дои : 10.1063/1.2158731 . S2CID 117905639 .
- ^ Дж. Чжэн; К. Чжэн (2011). «Вариант системы моделирования с использованием кватернионных структур». Журнал современной оптики . 59 (5): 484. Бибкод : 2012JMOp...59..484Z . дои : 10.1080/09500340.2011.636152 . S2CID 121934786 .
- ^ Георгиев, Данко (26 января 2012 г.). «Квантовые истории и квантовая дополнительность» . ISRN Математическая физика . 2012 : 1–37. дои : 10.5402/2012/327278 . ISSN 2090-4681 .
- ^ Jump up to: а б Р. Кастнер (2005). «Почему афшарский эксперимент не опровергает взаимодополняемость?». Исследования по истории и философии современной физики . 36 (4): 649–658. arXiv : Quant-ph/0502021 . Бибкод : 2005ШПМП..36..649К . дои : 10.1016/j.shpsb.2005.04.006 . S2CID 119438183 .
- ^ Jump up to: а б О. Стойернагель (2007). «Эксперимент Афшара не показывает нарушения дополнительности». Основы физики . 37 (9): 1370. arXiv : quant-ph/0512123 . Бибкод : 2007FoPh...37.1370S . дои : 10.1007/s10701-007-9153-5 . S2CID 53056142 .
- ^ Jump up to: а б В. Жак; и др. (2008). «Иллюстрация квантовой дополнительности с использованием одиночных фотонов, интерферирующих на решетке». Новый журнал физики . 10 (12): 123009. arXiv : 0807.5079 . Бибкод : 2008NJPh...10l3009J . дои : 10.1088/1367-2630/10/12/123009 . S2CID 2627030 .
- ^ Д.Д. Георгиев (2012). «Квантовые истории и квантовая дополнительность» . ISRN Математическая физика . 2012 : 327278. doi : 10.5402/2012/327278 .
- ^ «Институт радиационно-индуцированных массовых исследований (ИРИМС)» . irims.org . Проверено 21 сентября 2023 г.
- ^ Квантовая бомба Афшара [ постоянная мертвая ссылка ] Научная пятница
- ^ Дж. Г. Крамер (2004). «Бор все еще не прав» . Новый учёный . 183 (2461): 26.
- ^ Чоун, Маркус (2007). «Квантовый бунтарь побеждает сомневающихся» . Новый учёный . 197 (2591): 13. (требуется подписка)
- ^ Уиллер, Джон (1978). Математические основы квантовой теории . Эльзевир. стр. 9–48.
- ^ Р.Э. Кастнер (2006). «Афшарский эксперимент и взаимодополняемость» . Встреча APS, 13–17 марта, Балтимор, Мэриленд : 40011. Бибкод : 2006APS..MARD40011K .
- ^ Д. Райцнер (2007). «Комментарий к экспериментам Афшара». arXiv : Quant-ph/0701152 .
- ^ В. Унру (2004). «Шахриар Афшар – квантовый мятежник?» .
- ^ Л. Мотл (2004). «Нарушение дополнительности?» .
- ^ Эндрю Найт (2020). «Нет парадокса в корпускулярно-волновом дуализме». Основы физики . 50 (11): 1723–1727. arXiv : 2006.05315 . Бибкод : 2020FoPh...50.1723K . дои : 10.1007/s10701-020-00379-9 . S2CID 219559143 .
- ^ Э. Флорес и Э. Кносель (2007). «Почему анализ Кастнера неприменим к модифицированному эксперименту в Афшаре». В Ройчоудхури, Чандрасекхар; Краклауэр, Аль Ф; Крит, Кэтрин (ред.). Природа света: что такое фотоны? . Том. 6664. С. 66640О. arXiv : Quant-ph/0702210 . дои : 10.1117/12.730965 . S2CID 119028739 .
- ^ Дж. Г. Крамер (2005). «Прощание с Копенгагеном?» . Аналоговая научная фантастика и факты . Архивировано из оригинала 8 декабря 2004 г. Проверено 21 декабря 2004 г.
- ^ Крамер, Дж. Г. (2015). Квантовое рукопожатие: запутанность, нелокальность и транзакции . Спрингер Верлаг. стр. 111–112. ISBN 978-3-319-24642-0 .
