Experimentul Elitzur-Vaidman

Efectul sau experimentul Elitzur-Vaidman (de la Avshalom Elitzur și Lev Vaidman de la Universitatea Tel Aviv , primul care se ocupă teoretic de el) este definit ca orice procedură care permite detectarea empirică, cu modalitate mecanică cuantică, a oricărui element / țintă fără niciun indicator, de orice fel și natură (materie sau radiație), are interacțiune cu aceasta: această posibilitate este exclusă de mecanica clasică (pre-cuantică). ^[1]

Schema esențială a procedurii poate fi contemplată în funcțiile interferometrului Mach-Zehnder , cu care este posibilă examinarea dinamicii observabilelor cuantice care trebuie să se deplaseze (dirijate de instrumentație optică), cu probabilități echivalente, pe cursuri alternative (în general 2) dispuse în aparatul său; fără aceasta, în punctele cheie ale rezultatului atins, se măsoară proprietățile luate în mod aleatoriu din observabile (aleatoritatea aleatorie este importantă). Etapa finală a testului determină activarea distinctă a senzorilor plasați la ieșire după fiecare dintre călătoriile practicabile de către obiectul cuantic utilizat operațional. Semnalizarea oricăruia dintre senzori / detectoare atestă proprietățile rezultate ale acestui observabil (în acest tip de observație o mărime electromagnetică) în raport cu predicțiile corespunzătoare ipotezelor relative preelaborate.

[Descrierea detaliată a procesului poate fi utilă pentru a clarifica particularitatea cuantică-mecanică, teoretică și practică, precum și unele dintre predicțiile sale de bază divergând de cele fizice / clasice.]

Cadrul teoretic

Principiul este o dezvoltare a procesului de difracție în experimentul "arhetipal" cu dublă fanta "(în versiunea mecanică cuantică), în care o rază de lumină este transmisă către unele fante / deschideri (de obicei în cuantul 2 și 4 sunt încercate) proporționale, astfel încât că le poate lua pe amândouă. Pentru executarea experimentului, intensitatea (electromagnetică) emisă poate consta și dintr-o singură cuantă la un moment dat (înțeleasă ca „unitate de energie localizabilă și discretă”), fotonul (evident fără energie sau materie interpusă incidental care o deranjează). un puls monocromatic de lumină.] Trebuie subliniat faptul că fiecare fascicul de raze poate fi rupt, divizat sau perceput parțial, dar nu fiecare cuantum fotonic din care este compus: „ ... energia solului sau jumătate de foton ... sau orice altă fracțiune de foton "(în conformitate cu principiul formulat de Planck )]. Dacă nu se observă niciuna dintre fantele deschise menționate mai sus, ignorând astfel ce rază cuantică merge, atunci este ca și cum ar fi traversat-o simultan, interferând cu ea însăși și proiectând configurația corespunzătoare pe o posibilă placă fotosensibilă finală. [Dacă v reprezintă posibilitatea depășirii unei fante (α) și w cealaltă (β) (în vew cuantică implică și cantități exprimate în numere complexe ) înseamnă că ați realizat într - adevăr suma respectivă a amplitudinilor de probabilitate pentru v = (α) + w la (β) (în condiții normalizate pentru care modulele relevante | v | ² + | w | ² = 1) de fapt, prin dublarea fantelor: zonele întunecate cauzate de interferența distructivă cresc în loc să scadă]. (Aceste criterii sunt confirmate empiric pentru particulele cu masă și legăturile lor cel puțin până la dimensiunea unei molecule).

Aici interferometrul de bază „Mach-Zehnder” preia utilitatea oferită de funcția circuitului său intern, configurabil în 2 piste prestabilite. Circuit optic în care doar patru oglinzi de două tipuri simple sunt capabile, ghidând în mod specific pulsul electromagnetic coerent (sau chiar un singur foton), să-și bifurce probabil calea, arătând corectitudinea acestui aspect original al dinamicii mecanice cuantice. Definiți că cele două jumătăți ale circuitului, care pot fi acoperite de raze, sunt geometrice speculare între ele. Până la pragul de ieșire în care converg căile probabile urmate, permițând luminii, împărțite anterior în căi separate, să recapete caracteristicile (orientarea, polaritatea etc.) deținute la intrarea sa inițială. Dacă se întâmplă acest lucru, traiectoria fasciculului este emisă cu aceeași direcție pe care a avut-o atunci când a părăsit sursa (considerăm un laser extern), dând motiv predicțiilor teoretice.

Pentru a evalua mai bine efectul (Elitzur-Vaidman) este bine să observăm procesele unei singure particule (sau cuantice) de lumină: vizualizarea ideală a fotonului unic f ca o mică sferă indivizibilă și delimitarea mișcării sale în raport cu fiecare dintre 2 tipuri de oglinzi cu care poate interacționa aici. O oglindă cu reflexie completă și una semi-argintată: aici notația (S) denotă cea pe care f sare mereu și (S-1/2) cealaltă semi-argintiată, presupunând că aceasta din urmă este pregătită să reflecte lumina doar la 50% și pentru celelalte 50% rămâne transparent.

Prin urmare, f în contact cu (S) este întotdeauna complet deviat în traiectoria / direcția spațială determinată de (S); dacă, pe de altă parte, f se intersectează (S-1/2) drumul său devine complicat: dacă întâmplător atinge jumătatea transparentă îl va trece fără dificultate, dacă în schimb este interceptat de jumătatea de argint va sări, schimbându-se traiectoria sa și îndreptându-se spre cealaltă cale viabilă. Pe scurt: întâlnirea (S-1/2) f are aceeași probabilitate (50% pentru fiecare caz) fie să se reflecte, fie să continue să-și păstreze ritmul anterior și inițial. Acest lucru coincide cu teoria non-cuantică și teoria clasică, dar pentru că f poate lua întotdeauna doar una dintre căile menționate mai sus, există condiția particulară în care așteptările perspectivelor clasice și cuantice-mecanice diferă.

Acest lucru se întâmplă dacă actul de observare a influenței lui (S-1/2) asupra f lipsește: adică, în mod specific, care este traiectoria / direcția rezultată dintre cele 2 disponibile rămâne indistinctă. Deci, aici, cel puțin pentru singurul scop de a calcula rezultatele obținute: singurul f este ca și cum s-ar fi deplasat de-a lungul ambelor căi corelate ulterior cu întâlnirea cu (S-1/2). Este ca și cum ar fi continuat de-a lungul întinderii în care nu ar suferi schimbări de curs și, simultan, și în ceea ce i s-ar impune prin reflexie totală. [Această fenomenologie apare și pentru evenimente de același tip (cu mijloace și sisteme cuantice analogice): în afara și indiferent de orice container-aparat.]

Formă și dispoziții instrumentale esențiale

Afișați o structură patrulateră simplă cu L laturi egale. Partile (de la stanga la dreapta) cu puncte de colt: ABCD. Liniile direcționale (ale traiectoriilor posibile), marcate cu (dr), sunt paralele cu fiecare L: LAB, LDC, LAD, LBC. În experiment, direcția (dr) a căilor are traiectoria orientată constant spre oglinda semireflectorizantă (S-1/2), fixată la ultimul colț C. Astfel mulțimea lui L constituie un circuit (c) care se dezvoltă în 2 căi opuse spațial alternative, dar cu aceeași formă și dimensiune. Prin ABC și ADC. În interiorul (c) se află cele patru oglinzi menționate mai sus: în colțul A a (S-1/2), în B și D a (S) și, în cele din urmă, alta (S-1/2) în C. Astfel, fiecare oglindă este diagonală opus unuia de tipul său.

În afara pătratului (c), lângă A, un laser vizează cu o traiectorie de emisie către LAB; la cealaltă extremă și imediat externe detectorilor C, 2: Rx și Ry identifică direcția (dr) a unui foton f care părăsește pătratul. Rx se află pe extensia ideală a LDC, Ry pe cea a LBC: prin urmare, acestea sunt plasate la 90 ° unul față de celălalt. În A, lângă oglindă (S-1/2), se deschide un canal de intrare, în funcție de (dr) de f și lângă celălalt (S-1/2), în C, există ieșirea d ': unde cu toate acestea, f se poate adresa atât Rx, cât și Ry. Rețineți că emițătorul laser și detectorul Rx vizează (deși opus) pe aceeași traiectorie direcțională, să-l definim (drx): deoarece LAB și LDC sunt reciproc paralele. În consecință, celălalt detector (Ry) este în (uscat), adică în conformitate cu LBC. În cele din urmă, se presupune că aici fiecare oglindă, dacă și când reflectă f, se rotește de asemenea cu 90 ° la (dr).

Operații și răspunsuri

Secvențele și rezultatele mișcărilor particulei f pe întreaga cale interferometrică sunt rezumate mai jos: suma celor 2 căi ale lui (c) = ABC + ADC. Pentru economia descriptivă stabilim că în fiecare caz f este emis cu direcție (drx), semnând setul ca f (drx), în raport cu alternativa f (uscat). Lângă ieșirea C există un observator extern O, care interpretează diferitele rezultate raportate de cei 2 detectoare Rx și Ry. [Cazurile esențiale cu certitudinea de a fi efectuate în contextul mai multor teste experimentale care vizează efectul menționat mai sus sunt enumerate mai jos și nu rezultatele empirice care în detaliu în secvența acestor 4 teste ar fi în mod necesar obținute consecutiv.]

Începe cu testul (sau observația experimentală) fundamentală (și reprezentativă a parametrilor cuantici) pentru această serie: fiind termen de comparație pentru cele ulterioare. [Aici semnul >> indică mișcarea traiectoriilor fotonului unic f întâlnindu-se în fiecare punct; și f (drx), f (uscat) sunt direcțiile pe care le urmează sau le poate urma.]

Primul test

În fiecare secțiune L a circuitului (c), cu excepția oglinzilor din ABDC, nu se interpun alte obiecte: prin urmare (c) nu este întreruptă și fiecare dintre părțile sale este echivalentă cu cealaltă. Atunci se emite f (drx) care intră în circuitul (c) trecând prin A; acolo prin tăierea (S-1/2) a căii sale se bifurcă: ambele rezultând reflectate spre D spre (S), ca f (uscat) >> (S) D; este transmis prin (S-1/2) și întâlnire (S) B: adică f (drx) >> (S) B. Apoi f (uscat) reflectat și deviat de la (S) D devine din nou f (drx) și merge ca f (drx) >> (S-1/2) C; în timp ce f (drx) reflectat din (S) C deviază ca f (uscat) >> (S-1/2) C. În consecință, f (drx) și f (uscat) se unesc în (S-1/2) C: și aici f îl traversează (rezultând transmis cu aceeași traiectorie ca atunci când a fost emis). Deci f iese ca f (drx) >> Rx: și în mod constant Rx îl semnalizează. Rezultatul acestei stări finale este „constrâns”, deoarece este determinat de mecanica cuantică.

Observatorul O, care a ignorat emisia (dr), dacă știe că (c) nu este întrerupt, deduce acum pe bună dreptate că la orice distanță spațială (chiar astronomică) există emițătorul și intrarea respectivă A: f fu emis cu direcția (drx). Rețineți că această deducere nu ar putea fi obținută în dinamica clasică: pentru aceasta, f-ul unic ar merge întotdeauna și numai într-unul din modurile disponibile și luând ieșirea (S-1/2) C ar dobândi una sau alta (dr) prin declanșând imprevizibil Rx sau Ry și lăsând O neinformat cu privire la starea inițială a f. [Se reamintește că s-a decis că această problemă: (DRX) >> A, este aceeași în toate testele de aici și enumerate mai jos. ]

Al doilea test

În întinderea LAB a (c) se introduce un corp (b!) ^[2] . Acum O știe f (DRX), dar în ceea ce privește (b!) Știe doar că este posibil să fi fost plasat: va înțelege de către detectoarele Rx și Ry dacă acest lucru este adevărat sau nu. Dar acum căile lui (c) nu sunt echivalente, într-una fiind interpusă (b!): Care, prin urmare, își asumă rolul similar cu un marker al pasajului probabil al lui f (drx).

Deci f (drx) introduce A și acum în (S-1/2) o singură opțiune aleatorie este valabilă pentru f. Se întâmplă ca f (drx) să fie reflectată de (S-1/2) A, trecând la f (uscat) >> (S) D; apoi de la (S) D deviază ca f (drx) >> (S-1/2) C. Cu toate acestea, celălalt f (uscat), acum inexistent, nu mai ajunge aici, deci opțiunea dintre reflexia unghiulară sau continuarea liniară dincolo de (S-1/2) C nu mai este „constrânsă”; și se întâmplă ca f să nu se reflecte aleatoriu și să încrucișeze (S-1/2) continuând ca f (drx) >> Rx: atunci Rx îl semnalizează ca în primul test. Dar O nu deduce nimic, conștient că acum semnalul poate indica faptul că (b!) Nu este prezent în (c), ci și că doar simpla (și clasica) eventualitate a transmis f din nou în Rx. [Oriunde se află L din (c) (b!), Acest răspuns s-ar aplica în continuare.]

Al treilea test

Situația de plecare este similară cu cea descrisă recent, inclusiv elementul (b!); dar în acest context f (drx) care intră (c) din (S-1/2) ia calea în care se află (b!), care astfel trunchiază calea blocând f și întrerupând continuarea procesului. Deci O, dacă nici Rx și Ry nu dau semnale, el înțelege că (b!) Este plasat în (c). Dar această dată este asociată cu interacțiunea tangibilă a lui f cu (b!). Apoi rezultatul testului, deși util, este același cu cel al oricărui proces analog care poate fi explicat clasic și nu cuantic.

Al patrulea test

Pornim de la aceeași modalitate a celui de-al doilea test, cu (b!) În secțiunea LAB și din nou cu f (drx) care în (S-1/2) A se reflectă. Deci: din acel moment devine f (uscat) >> (S) D și de aici f (drx) >> (S-1/2) C; totuși, aici întâmplător, f (drx) nu depășește (S-1/2) C (ca la al doilea test), dar de data aceasta este o reflectare a acestuia; apoi devierea iese ca f (uscat) >> Ry: și Ry trimite semnalul relativ.

Astfel, efectul așteptat „Elitzur-Vaidman” este îndeplinit. de fapt O, după ce a constatat ieșirea (dr) a f, evaluează că poate apărea numai dacă o parte din (c) conține (b!), altfel regula cuantică prezice ieșirea legată f (drx) către Rx. Prin urmare, aceste date despre prezența lui (b!) Sunt purtate de f >> (Ry) fără nicio interacțiune anterioară cu (b!): Fotonul a rămas separat de obstacolul din LAB pentru întreaga cale, altfel nici măcar el nu ar putea au părăsit circuitul. Ergo, observatorul a putut deduce această condiție internă a lui (c) doar prin compararea modelului mecanic cuantic relativ, validat de primul test fundamental al seriei și de această ultimă încercare empirică.

Concluzii

Pot fi proiectate aparate instrumentale mai complexe de tipul prezentat aici, care este prezentat doar ca exemplu al liniilor esențiale ale ideii. În funcție de modul în care sunt aranjate mecanismele și mijloacele optice, cum ar fi rotatoarele de polarizare și oglinzile cu diferite capacități și înclinații reflectorizante, se poate adăuga un grad mai mare sau mai mic de eficiență aparatului interferometric și îndeplinește obiectivele de aplicare ale diferitelor utilizări. Anton Zeilinger , după cum informează el, a construit cu alți colegi primul model de lucru într-o formă, dar nu chiar același cu cel propus de proiectanții săi. Una dintre evoluțiile sale conceptuale este reprezentată de rezonatorul monolitic ^[3] : un transparent hexagonal solid, cu 2 prisme la bază și capabil să prindă lumina o perioadă de timp în interiorul său; ceea ce crește eficiența de evidențiere a elementelor interpuse în acestea, prin exploatarea mai completă a proprietăților optice / cuantice ale fotonilor. O altă modalitate, care introduce unele complicații în mecanism, dar foarte dezvăluitoare crește capacitatea menționată mai sus, poate fi realizată prin însumarea efectului aici, prezentat unul numit efect Zenon care optimizează postulatul de proiecție cuantică ^[4] .

După cum s-a văzut, efectul (Elitzur-Vaidman) reduce cantitatea și timpul incidenței factorilor cuantici utilizați ca sondă de detectare; prin urmare, aplicația sa practică este potrivită pentru măsurători care necesită cel mai mic impact posibil asupra radiației. Una dintre utilizările sale importante (încă neconstruibilă și doar în faza de prefigurare) în domeniul medical ar putea privi iradierea x pentru explorări diagnostice; și în orice cercetare în care sondajul prioritar scade expunerea materialului perisabil (un corp de iluminat este elaborat în 2001 pentru A.Kent și D.Wallace) ^[5] . Un experiment mental, care exemplu de aplicare este prezentat de Giancarlo Ghirardi la încheierea eseului „O privire asupra cărților lui Dumnezeu”: aici ținta, referită Trebuie să fi testat prezența unui număr de foi de sticlă (inserabile în „ interferometru Mach-Zehender ), substanța fotosensibilă ipotetică nu mai este utilizabilă după o incidență luminoasă minimă.

Deoarece comportamentul cuantic, clar verificabil, nu depinde de natura fizică a observabilelor (până în prezent nu sunt discriminante în acest sens), ci posibil de cantitatea și dimensiunea lor măsurabilă: același criteriu testat cu lumină poate fi realizat și cu alte tipuri de particule cuantice, prevăzute cu adaptări experimentale adecvate din punct de vedere tehnic pentru scopurile alese.

subiecte asemănătoare

Ne referim la un tip experimental care poate fi transmis cu un aranjament interferometric similar cu cel reprezentat pe, aplicând o procedură doar marginal diferită de cea utilizată pentru efectul 'Elitzur-Vaidman; evidențiind un alt fenomen exclusiv cuantico-mecanic, de neconceput în cadrul teoretic clasic. Aceasta este posibilitatea de a anula expresia așteptată a evoluției unui sistem (dacă acesta nu este încă observat și definit observațional), când timpul calculat al procesului său a expirat deja. Acest lucru poate fi realizat printr-o operație numită „anulare cuantică”; care prin împiedicarea recunoașterii (cu observații externe) a dinamicii realizate deja în mod presupus cu o modificare a proprietăților obiectului examinat, deoarece este supus influenței interne a aparatului, elimină consecințele sale fizice măsurabile: așa cum nu s-a întâmplat niciodată.

Să considerăm un circuit (c) egal (sau analog) cu cel descris mai sus, dar în care totuși (de exemplu, în segmentul LAB) există un indicator care permite întotdeauna particulei f să continue dincolo de ieșirea C, unde sunt gata să ridice unul sau altul detector / dispozitiv de semnalizare final. După cum s-a explicat deja, prezența indicatorului, făcând o cale distinsă de f, rupe corelația simultană între cele 2 căi disponibile: făcând imposibilă prezicerea semnalizării Rx (sau a unui detector similar) așa cum s-a întâmplat în primul test (așa cum este ilustrat mai sus); în consecință, acest lucru se va activa aleatoriu / alternativ fie unul, fie celălalt dintre detectoare. Acum se stabilește că acest instrument interpus poate roti (cu un anumit grad) polarizarea fotonilor, astfel încât indicația de pe pasul lui f depinde tocmai de această influență suferită: altfel această cale ar rămâne neclară cu rezultatul de semnalizare bine prevăzut. . Acum mecanismul este pregătit astfel încât fotonul să-și încheie cursul imprevizibil fie în Rx, fie în Ry: iar observatorul nu observă nicio ordine predeterminabilă. Acest lucru se va întâmpla indiferent dacă f traversează polarizatorul sau nu, deoarece instrumentul interpus acționează ca o distincție între un sens și celălalt, determinând reintrarea procesului în cazurile clasice. Dar, la începutul unei serii ulterioare de teste, un al doilea instrument este plasat la intrarea fiecărui detector capabil să anuleze sau chiar să confunde / amestece (astfel încât să nu mai fie recunoscut) polarizarea operată de cea internă anterioară. (c): inutilizarea „marcării” pasajelor probabile ale lui f. Al doilea instrument a cărui poziție terminală trebuie să implice că, în acel moment, călătoria este deja terminată cronometric și în condiții în care f nu mai este capabil să se întoarcă intrând în detectorul alternativ. Acest expedient neagă empiric observația pentru a identifica calea (c) utilizată de foton: chiar presupunând că între timp f a fost deja afectat de acțiunea instrumentală relativă. Deci, este bine stabilit că această ultimă intervenție, ca și cum ar fi anulat trecutul în care starea anterioară a fost asumată de obiectul cuantic, obține că (la ieșirea lui f) revine pentru a transmite doar semnalul: detectorul „legat” la regula fundamentală menționată anterior, exprimată prin rezultatul descris mai sus, în primul test al efectului Elitzur-Vaidman . ^[6]

Notă

Bibliografie

• Caietele de știință: fenomene cuantice, volumul nr. 112, 2000.
• Roger Penrose : The Emperor's New Mind, Superbur-Science, 2001.
• Laudisa F.: Corelații periculoase, The Polygraph, Padova, 1998.
• Giancarlo Ghirardi : O privire asupra cărților lui Dumnezeu, cărți de bază, 2003 Milano.
• Paul Davies : Misterele timpului, Milano 1996.
• P.Facchi, S.Pascazio: regula de aur a lui Fermi, Bibliopolis (Caiete de fizică teoretică) Napoli, 1999.

Elemente conexe

• Interferometru Mach-Zehnder
• Mecanica cuantică

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe Experiment Elitzur-Vaidman

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica