Целью экспериментов в квантовой физике является лучшее понимание определенных процессов и явлений в устройстве физического мира. Наиболее известными экспериментами квантовой механики являются эксперименты с:
- двумя щелями;
- квантовой запутанностью;
- квантовой проводимостью, сверхтекучестью и туннелингом.
Квантовый эксперимент с двумя щелями
В 1803 году Томас Юнг провел квантовый эксперимент с двумя щелями. Эксперимент заключался в направлении светового пучка на непрозрачную ширму с двумя прорезями. Далее на проекционном экране вместо ожидаемых двух полосок света появилось несколько полос, как при интерференции (т.е. наложении) двух волн света из каждой прорези.
Позднее эксперименты других ученых показали, что не только свет, но и любая одиночная элементарная частица ведут себя подобно волне и квантам, как бы проходя через обе щели одновременно.
При установлении у щелей датчика, фиксирующего, что же именно происходит с частицей в данном месте и через какую из щелей она все-таки проходит, можно наблюдать на проекционном экране появление только двух полос. В такой ситуации объект начинает вести себя как материя.
Это доказывает квинтэссенцию квантовой физики — принцип неопределенности В. Гейзенберга. Его идея заключается в следующем: чем точнее определяется одна из парных характеристик квантовой системы, тем более неопределенной становится вторая.
В данном эксперименте чем точнее определяются через сужающуюся щель координаты фотонов лазера, тем более неопределенным становится их импульс. В макромире точно так же можно провести измерение или точного местоположения летящего мяча (если взять его в руки), или его направление. Данные измерения невозможно провести одновременно, поскольку эти действия противоречат и мешают друг другу.
Соотношения неопределенностей не могут ограничивать точность однократных измерений любых величин. Если величина многомерная, то для нее предусматривается в общих случаях только одна компонента. Если оператор величины коммутирует в разные моменты времени сам с собой, то не ограничивается точность и многократного (непрерывного) измерения для одной величины. Соотношение неопределенностей для свободной частицы, например, не будет препятствовать точному измерению ее импульса, но при этом не дает возможность точного измерения ее координаты. Такое ограничение в квантовой механике называют стандартным квант-пределом для координаты.
Существует точная количественная аналогия между волновыми или сигнальными свойствами и соотношениями неопределенностей Гейзенберга. В качестве примера рассматривается переменный во времени сигнал, например, звуковая волна. Нет смысла говорить о частотном спектре сигнала в любой момент времени. Точное определение частоты требует проведения наблюдений за сигналом в течение какого-то времени. При этом теряется точность определения времени.
Звук не может одновременно иметь точное значение времени его фиксации (как у короткого импульса) и определенно точное значение частоты (как у непрерывного чистого тона). Временное положение и частота волны оказываются математически полностью аналогичными координате и квантовому механическому импульсу частицы:
$p_x=\bar{h}k_x$
Импульс в квантовой механике представляет пространственную частоту вдоль соответствующей координаты. При наличии нескольких идентичных копий системы в подобном состоянии измеренные значения импульса и координаты импульса подчиняются некоторому распределению вероятности (фундаментальный постулат квантовой механики).
При измерении величины среднеквадратического отклонения $\Delta x$ координаты и $\Delta p$ импульса получаем:
$\Delta x \Delta p \geqslant \frac {\bar h}{2}$,
Где $h$ это приведенная постоянная Планка.
Квантовая запутанность и эффект Зенона
В 1982 году физик А. Аспэ проводит эксперимент с направлением двух одновременно созданных фотонов на разнонаправленные датчики определения их поляризации (спина). Эксперимент показал, что измерение поляризации одного фотона мгновенно воздействует на положение спина второго фотона, который при этом становится противоположным. Так появилось доказательство квантовой запутанности элементарных частиц.
В 2008 году ученым на расстоянии 144 км удалось измерить состояние квантово-запутанных фотонов. При этом взаимодействие между ними оказалось мгновенным, что подразумевает, как если бы они находились в одном месте или пространства не было бы вообще. По мнению ученых, в случае, если такие квантово-запутанные фотоны окажутся на противоположных участках Вселенной, взаимодействие между ними будет мгновенным, несмотря на тот факт, что свет такое же расстояние преодолеет за десятки миллиардов лет.
Группа ученых в 1989 г. под руководством Д. Вайнленда провела наблюдения за скоростью перехода между атомными уровнями ионов бериллия. В результате они выяснили, что сам факт измерения состояния ионов замедляет их переход между состояниями. Подобный эксперимент, но уже с атомами рубидия (в начале XXI века) позволил достичь 30-кратного замедления. Все это выступает подтверждением квантового эффект Зенона, смысл которого заключается в том, что сам факт измерений состояния нестабильной частицы замедляет скорость ее распада, а теоретически даже может полностью его остановить.
Эксперименты с квантовой проводимостью, сверхтекучестью и туннелингом
В 1933 году В. Мейснер обнаружил в квантовой физике интересный факт: в сверхпроводнике, охлажденном до минимальных температур, магнитное поле будет вытесняться за его пределы. Это явление было названо эффектом квантовой проводимости Мейснера. Если самый обычный магнит положить на алюминий (или какой-либо другой сверхпроводник), а после этого охладить жидким азотом, то он буквально взлетит и зависнет в воздухе, поскольку будет «видеть» собственное (вытесненное из охлажденного алюминия) магнитное поле такой же полярности, а одинаковые стороны магнитов имеют свойство отталкиваться друг от друга.
В 1938 году П. Капица провел эксперимент с охлаждением жидкого гелия до близкой к нулевой температуры и обнаружил исчезновение вязкости у вещества. Данное явление было названо в квантовой физике эффектом сверхтекучести. Если на дно стакана налить охлажденный жидкий гелий, он в любом случае вытечет из него по стенкам.
Фактически, для достаточного охлажденного гелия (пока он в таком состоянии) не существует препятствий для разливания, независимо от размера и формы емкости. В конце XX в. сверхтекучесть также удалось обнаружить у различных газов и водорода.
В 1960 году А. Джайевер проводил со сверхпроводниками электрические опыты, разделив их специальной микроскопической пленкой оксида алюминия, который не проводит ток. Вследствие эксперимента он выяснил, что часть электронов все равно будет проходить через изоляцию.
Эксперимент подтвердил теорию о вероятности квантового туннельного эффекта, который распространяется не только на электричество, но и на любые элементарные частицы (волны в квантовой физике). Они способны проходить препятствия насквозь, если их ширина будет меньше длины волны частицы. Другими словами, чем уже препятствие, тем чаще частицы проходят сквозь них.
