Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эксперимент Афшара представляет собой вариант двойной щели эксперимента в квантовой механике, разработанный и осуществляемый Шахриар Афшаром в частном, Бостон в то время как Институт радиационно-индуцированные Массы Studies (IRIMS). [1] Результаты были представлены на семинаре в Гарварде в марте 2004 года. [2] Афшар утверждал, что эксперимент дает информацию о том, какой из двух путей проходит фотон через устройство, одновременно позволяя наблюдать интерференцию между двумя путями, показывая что сетка из проводов, размещенная в узлах интерференционной картины, не изменяет лучи. [3] Афшар утверждал , что эксперимент нарушает принцип комплементарности в квантовой механике , [4] , который гласит , что примерно частица и волновые аспекты квантовых объектов не могут наблюдаться в то же время, и в частности, соотношение двойственности Энглерт-Гринбергер . [5] Эксперимент был повторен рядом исследователей, но его интерпретация противоречива, и существует несколько теорий, которые объясняют эффект, не нарушая дополнительности. [6] [7] [8] [9] [10]

Обзор [ править ]

Эксперимент Афшара использует вариант классического эксперимента Томаса Янга с двумя щелями для создания интерференционных паттернов для исследования комплементарности . Одно из утверждений Afshar является то , что в своем эксперименте, можно проверить наличие интерференционных полос одного фотона потока (измерение волновой природы фотонов) в то же самое время , при определении « который-пути» информации каждого фотона (в измерение частиц природы фотонов). [3] [11] В его эксперименте крошечное отверстие A соотносится с детектором 1, когда крошечное отверстие B закрыто, а точечное отверстие B коррелируется с детектором 2, когда точечное отверстие A закрыто. Афшарs иск о нарушениипринцип дополнительности в решающей степени зависит от его утверждения, что эти корреляции сохраняются, и, таким образом, информация о том, какой путь сохраняется, когда оба отверстия открыты, и цитирует Уиллера [12] в поддержку. [5]

История [ править ]

Экспериментальная работа Шахриара С. Афшара была первоначально проведена в Институте радиационно-индуцированных исследований массы (IRIMS) в Бостоне в 2001 году, а затем воспроизведена в Гарвардском университете в 2003 году, когда он был там исследователем. [1] Результаты были представлены на семинаре в Гарварде в марте 2004 г. [2] и опубликованы в виде материалов конференции Международного общества оптической инженерии (SPIE). [3] Эксперимент был показан в качестве обложки в выпуске New Scientist от 24 июля 2004 года . [1] [13] New ScientistСама статья вызвала множество откликов, в том числе различные письма редактору, появившиеся в выпусках от 7 и 14 августа 2004 г., в которых приводились доводы против выводов, сделанных Афшаром, с ответом Джона Г. Крамера . [14] Афшар представил свою работу также на заседании Американского физического общества в Лос-Анджелесе в конце марта 2005 г. [15] Его рецензируемая статья была опубликована в журнале « Основы физики» в январе 2007 г. [5]

Экспериментальная установка [ править ]

Рис.1 Эксперимент без засорения проволочной сетки
Рис.2 Эксперимент с заграждением проволочной сетки и закрытием одного отверстия
Рис.3 Эксперимент с проволочной сеткой и открытыми отверстиями. Провода лежат в темных полосах и поэтому очень мало блокируют свет.

В эксперименте используется установка, аналогичная установке для эксперимента с двумя щелями . В варианте Афшара свет, генерируемый лазером, проходит через два близко расположенных круглых отверстия (не щелей). После двойных отверстий линза перефокусирует свет так, что изображение каждого отверстия попадает на отдельные детекторы фотонов (рис. 1). Когда Пинхол 2 закрыт, фотон, который проходит через Пинхол 1, падает только на Детектор фотонов 1. Точно так же, когда Пинхол 1 закрыт, фотон, который проходит через Пинхол 2, падает только на Детектор 2, утверждает Афшар со ссылкой на Уиллера [12]в подтверждение того, что точечная дыра 1 остается коррелированной с фотонным детектором 1 (и наоборот, для пинхола 2 с фотонным детектором 2), и, следовательно, информация о направлении сохраняется, когда открыты оба точечных отверстия. [5]

Когда свет действует как волна, из-за квантовой интерференции можно наблюдать, что есть области, которые фотоны избегают, называемые темными полосами . Прямо перед линзой помещается сетка из тонких проволок (рис. 2), так что проволоки лежат в темных полосах интерференционной картины, создаваемой двойной установкой с точечным отверстием. Если одно из отверстий заблокировано, интерференционная картина больше не будет формироваться, а сетка из проволок вызовет заметную дифракцию.в свете и блокирует некоторые из них от обнаружения соответствующим детектором фотонов. Однако, когда оба отверстия открыты, влияние проводов незначительно, сравнимо со случаем, когда нет проводов, помещенных перед линзой (рис. 3), потому что провода лежат на темных полосах интерференционной картины. . Эффект не зависит от интенсивности света (потока фотонов).

Чтобы установить нарушение принципа дополнительности , Афшар рассматривает случай, когда оба отверстия открыты, и утверждает как высокую видимость V помех, так и высокую различимость D (соответствующую информации о том, какой путь), так что V 2 + D 2 > 1. [5] Его утверждение во многом зависит от того, сохраняется ли информация о том, какой путь, когда оба отверстия открыты.

Интерпретация Афшара [ править ]

Вывод Афшара состоит в том, что, когда оба отверстия открыты, свет проявляет волнообразное поведение при прохождении мимо проводов, поскольку свет проходит через промежутки между проводами, но избегает самих проводов, но также проявляет поведение, подобное частицам после прохождения через провода. линза, с фотонами, поступающими на коррелированный фотодетектор. Афшар утверждает, что такое поведение противоречит принципу дополнительности в той мере, в какой оно показывает характеристики как волны, так и частицы в одном эксперименте для одних и тех же фотонов.

Прием [ править ]

Конкретная критика [ править ]

Ряд ученых опубликовали критику интерпретации Афшара его результатов, некоторые из которых отвергают утверждения о нарушении комплементарности, но расходятся в том, как они объясняют, как комплементарность справляется с экспериментом. Афшар отвечал этим критикам в своих академических выступлениях, блоге и на других форумах. Например, в одной статье оспаривается основное утверждение Афшара о нарушении отношения двойственности Энглерта – Гринбергера . Исследователи повторно запустили эксперимент, используя другой метод измерения видимости интерференционной картины, чем тот, который использовал Афшар, и не обнаружили нарушения комплементарности, заключив: «Этот результат демонстрирует, что эксперимент можно полностью объяснить копенгагенской интерпретацией квантовая механика."[8]

Ниже приводится синопсис статей нескольких критиков, в которых подчеркиваются их основные аргументы и разногласия между ними:

  • Рут Кастнер , Комитет по истории и философии науки, Мэрилендский университет, Колледж-Парк . [6] [16]
    Критика Кастнера, опубликованная в рецензируемой статье, основана на постановке мысленного эксперимента и применении к нему логики Афшара, чтобы выявить его недостаток. Она предполагает, что эксперимент Афшара эквивалентен приготовлению электрона в состоянии со спином вверх и затем измерению его бокового вращения. Это не означает, что кто-то обнаружил состояние спина вверх-вниз и состояние спина сбоку любого электрона одновременно. Применительно к эксперименту Афшара: «Тем не менее, даже с удаленной сеткой, поскольку фотон подготовлен в суперпозиции S , измерение на последнем экране в момент t 2 никогда не является измерением« в какую сторону »(термин, традиционно относящийся к наблюдаемая на щелевом основании), потому что он не может сказать нам, через какую щель на самом деле прошел фотон.
  • Даниэль Рейцнер , Исследовательский центр квантовой информации, Институт физики Словацкой академии наук , Братислава , Словакия . [17]
    Райцнер выполнил численное моделирование, опубликованное в препринте, конструкции Афшара и получил те же результаты, что и Афшар экспериментально. Исходя из этого, он утверждает, что фотоны демонстрируют волновое поведение, включая высокую видимость полос, но не имеют информации о направлении, вплоть до момента, когда они попадают в детектор: «Другими словами, двухпиковое распределение является интерференционной картиной, а фотон ведет себя как волна и не проявляет свойств частиц, пока не коснется пластины. В результате таким образом невозможно получить информацию о направлении движения ".
  • У. Г. Унру , профессор физики Университета Британской Колумбии [18]
    Унру, как и Кастнер, устанавливает аранжировку, которая, по его мнению, эквивалентна, но проще. Размер эффекта больше, чтобы легче было увидеть изъян в логике. По мнению Унру, этот недостаток в том случае, если препятствие существует в положении темных полос, «приводит к выводу, что ЕСЛИ частица была обнаружена детектором 1, ТО она должна была прийти с пути 1. Точно так же, ЕСЛИ это было. обнаружен детектором 2, затем он пришел с пути 2. " Другими словами, он допускает наличие интерференционной картины, но отвергает существование информации о том, какой путь.
  • Любош Мотл , бывший доцент физики Гарвардского университета . [19]
    Критика Мотла, опубликованная в его блоге, основана на анализе реальной установки Афшара, а не на предложении другого эксперимента, такого как Унру и Кастнер. В отличие от Унру и Кастнера, он считает, что информация о каком направлении существует всегда, но утверждает, что измеренный контраст интерференционной картины на самом деле очень низкий: «Поскольку этот сигнал (нарушение) от второго, среднего изображения невелик (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 эксперимент можно понять с помощью классической электродинамики и что он «не имеет ничего общего с квантовой механикой».
  • Орельен Дрезе , Институт Нееля, Гренобль, Франция. [20] [21]
    Дрезет утверждает, что классическая концепция «пути» приводит к большой путанице в этом контексте, но «настоящая проблема в интерпретации Афшара заключается в том, что картина интерференции на самом деле не полностью записана». Аргумент аналогичен аргументу Мотля, что наблюдаемая видимость полос на самом деле очень мала. Он смотрит на ситуацию с другой стороны: фотоны, используемые для измерения полос, - это не те же фотоны, которые используются для измерения пути. Экспериментальная установка, которую он анализирует, является лишь «слегка измененной версией» той, которую использовал Афшар.
  • Оле Штойернагель , Школа физики, астрономии и математики, Университет Хартфордшира , Великобритания. [7]
    Штойернагель проводит количественный анализ различных режимов передачи, преломления и отражения в установке, которая лишь незначительно отличается от схемы Афшара. Он приходит к выводу, что соотношение двойственности Энглерта-Гринбергера строго выполняется, и, в частности, что видимость полос для тонких проволок мала. Как и некоторые другие критики, он подчеркивает, что определение интерференционной картины - это не то же самое, что ее измерение: «Наконец, самая большая слабость в анализе, данном Афшаром, - это вывод о том, что интерференционная картина должна присутствовать».
  • Эндрю Найт утверждает, что утверждение Афшара о нарушении комплементарности является простым логическим несоответствием: при постановке эксперимента так, что фотоны пространственно когерентны по двум крошечным отверстиям, эти крошечные отверстия неизбежно неотличимы от этих фотонов. [22] «Другими словами, Афшар и др. на одном дыхании заявляют, что организовали эксперимент таким образом, что крошечные отверстия A и B по своей сути неотличимы для определенных фотонов [в частности, фотонов, которые создаются для пространственной когерентности по ширине, охватываемой крошечными отверстиями, которые, таким образом, не могут их различить], и еще один вдох, чтобы различить отверстия A и B с теми же самыми фотонами ».

Специальная поддержка [ править ]

  • Флорес и др. раскритиковать установку Кастнера и предложить альтернативную экспериментальную установку. [23] Удалив линзу Афшара и заставив два луча перекрываться под небольшим углом, Флорес и др. целью показать, что сохранение импульса гарантирует сохранение информации о том, какой путь, когда оба отверстия открыты.
  • Джон Г. Крамер принимает интерпретацию эксперимента Афшара в поддержку своей транзакционной интерпретации квантовой механики и оспаривает многомировую интерпретацию квантовой механики . [24] Это утверждение не было опубликовано в рецензируемом журнале.

См. Также [ править ]

  • Эксперимент Уиллера с отложенным выбором
  • Квантовый ластик с отложенным выбором
  • Слабое измерение
  • Теория поглотителя Уиллера – Фейнмана

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Чоун, Маркус (2004). «Квантовый бунтарь побеждает сомневающихся» . Новый ученый . 183 (2457): 30–35.(требуется подписка)
  2. ^ а б С. С. Афшар (2004). «Машет Копенгагену на прощание: ошиблись ли основатели квантовой механики?» . Объявление о семинаре Гарвардского университета . Проверено 1 декабря 2013 .
  3. ^ a b c С. С. Афшар (2005). Ройчудхури, Чандрасекар; Creath, Кэтрин (ред.). «Нарушение принципа дополнительности и его последствия». Труды SPIE . Природа света: что такое фотон ?. 5866 : 229–244. arXiv : квант-ph / 0701027 . Bibcode : 2005SPIE.5866..229A . DOI : 10.1117 / 12.638774 .
  4. ^ Дж. Чжэн; Чжэн Чжэн (2011). «Система моделирования вариантов с использованием кватернионных структур». Журнал современной оптики . 59 (5): 484. Bibcode : 2012JMOp ... 59..484Z . DOI : 10.1080 / 09500340.2011.636152 .
  5. ^ a b c d e С. С. Афшар; Э. Флорес; К.Ф. Макдональд; Э. Кнёзель (2007). «Парадокс в дуальности волна-частица». Основы физики . 37 (2): 295–305. arXiv : Quant-ph / 0702188 . Bibcode : 2007FoPh ... 37..295A . DOI : 10.1007 / s10701-006-9102-8 .
  6. ^ а б Р. Кастнер (2005). «Почему эксперимент Афшара не опровергает дополнительности?». Исследования по истории и философии современной физики . 36 (4): 649–658. arXiv : квант-ph / 0502021 . Bibcode : 2005SHPMP..36..649K . DOI : 10.1016 / j.shpsb.2005.04.006 .
  7. ^ а б О. Штойернагель (2007). «Эксперимент Афшара не показывает нарушения дополнительности». Основы физики . 37 (9): 1370. arXiv : Quant-ph / 0512123 . Bibcode : 2007FoPh ... 37.1370S . DOI : 10.1007 / s10701-007-9153-5 .
  8. ^ а б В. Жак; и другие. (2008). «Иллюстрация квантовой дополнительности с помощью интерференции одиночных фотонов на решетке». Новый журнал физики . 10 (12): 123009. arXiv : 0807.5079 . Bibcode : 2008NJPh ... 10l3009J . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 10/12/123009 .
  9. ^ DD Георгиев (2007). «Однофотонные эксперименты и квантовая дополнительность» (PDF) . Успехи в физике . 2 : 97–103. Архивировано из оригинального (PDF) 27 сентября 2010 года . Проверено 15 августа 2009 .
  10. ^ DD Георгиев (2012). «Квантовые истории и квантовая дополнительность» . ISRN Математическая физика . 2012 : 327278. дои : 10,5402 / 2012/327278 . Архивировано из оригинала на 2012-09-26 . Проверено 25 февраля 2012 .
  11. Перейти ↑ SS Afshar (2006). «Нарушение дополнительности Бора: одна щель или обе?». Материалы конференции AIP . 810 : 294–299. arXiv : квант-ph / 0701039 . Bibcode : 2006AIPC..810..294A . DOI : 10.1063 / 1.2158731 .
  12. ^ а б Уиллер, Джон (1978). Математические основы квантовой теории . Эльзевир. п. 9-48.
  13. ^ Квантовая бомба Афшара [ постоянная мертвая ссылка ] [ мертвая ссылка ] Science Friday
  14. ^ JG Крамер (2004). «Бор по-прежнему неправ» . Новый ученый . 183 (2461): 26.
  15. Перейти ↑ SS Afshar (2005). «Экспериментальные доказательства нарушения принципа дополнительности Бора» . Встреча APS, 21–25 марта, Лос-Анджелес, Калифорния : 33009. Bibcode : 2005APS..MARP33009A .
  16. ^ RE Кастнер (2006). «Афшарский эксперимент и взаимодополняемость» . Встреча APS, 13–17 марта, Балтимор, Мэриленд : 40011. Bibcode : 2006APS..MARD40011K .
  17. ^ D. Reitzner. «Комментарий к экспериментам Афшара». arXiv : квант-ph / 0701152 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  18. ^ В. Unruh (2004). "Шахриар Афшар - квантовый бунтарь?" .
  19. ↑ L. Motl (2004). "Нарушение дополнительности?" .
  20. ^ Орелен Дрез (2005). «Дополнительность и эксперимент Афшара». arXiv : квант-ph / 0508091 .
  21. ^ Орелен Дрез (2011). «Двойственность волновых частиц и эксперимент Афшара» (PDF) . Успехи в физике . 1 : 57–67. arXiv : 1008.4261 . Архивировано из оригинального (PDF) 11.10.2011 . Проверено 25 февраля 2012 .
  22. ↑ Эндрю Найт. «Нет парадокса в дуальности волна-частица». Основы физики . 50 (11): 1723–1727. arXiv : 2006.05315 . DOI : 10.1007 / s10701-020-00379-9 .
  23. ^ Э. Флорес и Э. Кнезель. «Почему анализ Кастнера не применим к модифицированному эксперименту Афшара». arXiv : квант-ph / 0702210 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  24. ^ JG Крамер (2005). "Прощание с Копенгагеном?" . Аналоговая научная фантастика и факты . Архивировано из оригинала на 2004-12-08 . Проверено 21 декабря 2004 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Мир; Лундин; Митчелл; Стейнберг; Гарретсон; Уайзман (2007). «Двойной щелевой эксперимент по поводу комплементарности - дебаты о неопределенности». Новый журнал физики . 9 (8): 287. arXiv : 0706.3966 . Bibcode : 2007NJPh .... 9..287M . DOI : 10,1088 / 1367-2630 / 9/8/287 .
  • Крамер, JG (2015). Квантовое рукопожатие: запутанность, нелокальность и транзакции . Springer Verlag. ISBN 978-3-319-24642-0.

Внешние ссылки [ править ]

  • Блог Афшара