Афшар эксперимент - Afshar experiment

В Афшар эксперимент это вариант двойной щелевой эксперимент в квантовой механике, разработанные и осуществленные Шахриар Афшар в то время как в частном, в Бостоне Институт радиационно-индуцированных массовых исследований (ИРИМС).^[1] Результаты были представлены на семинаре в Гарварде в марте 2004 г.^[2] Афшар утверждал, что эксперимент дает информацию о том, какой из двух путей фотон проходит через аппарат, одновременно позволяя вмешательство между двумя наблюдаемыми путями, показывая, что сетка проводов, размещенная в узлах интерференционной картины, не изменяет лучи.^[3] Афшар утверждал, что эксперимент нарушает принцип дополнительности из квантовая механика,^[4] который грубо заявляет, что частицы и волновые аспекты квантовых объектов не могут наблюдаться одновременно, и в частности Соотношение двойственности Энглерта – Гринбергера.^[5] Эксперимент был повторен рядом исследователей, но его интерпретация противоречива, и существует несколько теорий, объясняющих эффект без нарушения дополнительности.^{[6][7][8][9][10]}

Обзор

В эксперименте Афшар используется вариант Томаса Янга классический двухщелевой эксперимент создать картины интерференции исследовать взаимодополняемость. Одно из утверждений Афшара состоит в том, что в его эксперименте можно проверить наличие интерференционные полосы из фотон поток (измерение волновой природы фотонов), в то же время определяя информацию о пути каждого фотона (измерение природы частиц 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 крошечное отверстие A закрыто. Требование Афшара о нарушении принцип дополнительности в решающей степени зависит от его утверждения, что эти корреляции сохраняются, и, следовательно, информация о том, какой путь сохраняется, когда оба отверстия открыты, и цитирует Уиллера^[12]в поддержку.^[5]

История

Экспериментальная работа Шахриара С. Афшара была первоначально проведена в Институте радиационно-индуцированных исследований массы (IRIMS) в Бостоне в 2001 году, а затем воспроизведена в Гарвардский университет в 2003 году, когда он был там научным сотрудником.^[1] Результаты были представлены на семинаре в Гарварде в марте 2004 г.^[2] и опубликованы как материалы конференции Международное общество оптической инженерии (ШПИОН).^[3] Эксперимент был показан в качестве обложки в выпуске журнала от 24 июля 2004 г. Новый ученый.^[1][13] В Новый ученый Сама тематическая статья вызвала множество откликов, в том числе различные письма редактору, опубликованные в выпусках от 7 и 14 августа 2004 г., в которых оспаривались выводы, сделанные Афшаром. Джон Г. Крамер ответ.^[14] Афшар представил свои работы также на Американское физическое общество встреча в Лос-Анджелесе в конце марта 2005 года.^[15] Его рецензируемая статья была опубликована в Основы физики в январе 2007 г.^[5]

Экспериментальная установка

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 настройке двухщелевой эксперимент. В варианте Афшара свет, создаваемый лазер проходит через два близко расположенных круговой проколы (не прорези). 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 квантовая интерференция можно заметить, что есть области, которых фотоны избегают, называемые темная бахрома. Прямо перед линзой помещается сетка из тонких проволок (рис. 2), так что проволочки лежат в темных полосах интерференционной картины, создаваемой двойной установкой с точечным отверстием. Если одно из отверстий заблокировано, интерференционная картина больше не будет формироваться, и сетка проводов станет причиной заметного дифракция 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).

Установить нарушение принцип 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 V² + D² > 1.^[5] Его утверждение во многом зависит от того, сохраняется ли информация о том, какой путь, когда оба отверстия открыты.

Интерпретация Афшара

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 принцип дополнительности в той степени, в которой он показывает характеристики волн и частиц в одном эксперименте для одних и тех же фотонов.

Прием

Конкретная критика

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 ответил этим критикам в своих академических выступлениях: его блог, и другие форумы. Например, в одной статье оспаривается основное утверждение Афшара о том, что Соотношение двойственности Энглерта – Гринбергера нарушается. 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, Университет Мэриленда, Колледж-Парк.^[6][16]

  Критика Кастнера, опубликованная в рецензируемой статье, основана на создании мысленный эксперимент и применяя к нему логику 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 при т₂ никогда не бывает измерение «в какую сторону» (термин, традиционно относящийся к наблюдаемой ${\displaystyle {\mathcal {O}}}$), потому что он не может сказать нам, через какую щель на самом деле прошел фотон.

• Даниэль Райтцнер, Исследовательский центр квантовой информации, Институт физики, Словацкая Академия Наук, Братислава, Словакия.^[17]

  Рейцнер 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 ".

• В. Г. Унру, Профессор физики в Университет 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 Мотль, Бывший доцент физики, Гарвардский университет.^[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 Дрезет, Институт Нееля, Гренобль, Франция.^[20][21]

  Дрезет утверждает, что классическая концепция «пути» приводит в этом контексте к большой путанице, но «настоящая проблема в интерпретации Афшара заключается в том, что картина интерференции фактически 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 вывод интерференционной картины - это не то же самое, что ее измерение: «Наконец, самая большая слабость в анализе, данном Афшаром, - это вывод что должна присутствовать картина интерференции ".

• Эндрю Найт утверждает, что утверждение Афшара о нарушении комплементарности является простой логической несогласованностью: если провести эксперимент так, чтобы фотоны были пространственно когерентными по двум отверстиям, эти отверстия неизбежно будут 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 природе 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

• 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, чтобы поддержать свои собственные транзакционная интерпретация квантовой механики и бросить вызов многомировая интерпретация квантовой механики.^[24] Это утверждение не было опубликовано в рецензируемом журнале.

Смотрите также

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

использованная литература

1. Чоун, Маркус (2004). «Квантовый бунтарь побеждает сомневающихся». Новый ученый. 183 (2457): 30–35.(требуется подписка)
2. С.С. Афшар (2004). «Машет Копенгагену на прощание: ошиблись ли основатели квантовой механики?». Объявление о Гарвардском семинаре. Получено 2013-12-01.
3. 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:Quant-ph / 0701027. Bibcode:2005SPIE.5866..229A. Дои: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. Дои:10.1080/09500340.2011.636152.
5. 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:2007ФоФ ... 37..295А. Дои:10.1007 / s10701-006-9102-8.
6. Р. Кастнер (2005). «Почему эксперимент Афшара не опровергает дополнительности?». Исследования по истории и философии современной физики. 36 (4): 649–658. arXiv:Quant-ph / 0502021. Bibcode:2005ШПМП..36..649К. Дои:10.1016 / j.shpsb.2005.04.006.
7. О. Штойернагель (2007). «Эксперимент Афшара не показывает нарушения дополнительности». Основы физики. 37 (9): 1370. arXiv:Quant-ph / 0512123. Bibcode:2007FoPh ... 37.1370S. Дои:10.1007 / s10701-007-9153-5.
8. 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. Дои:10.1088/1367-2630/10/12/123009.
9. Георгиев Д.Д. (2007). «Однофотонные эксперименты и квантовая дополнительность» (PDF). Успехи в физике. 2: 97–103. Архивировано из оригинал (PDF) на 27.09.2010. Получено 2009-08-15.
10. Георгиев Д.Д. (2012). «Квантовые истории и квантовая дополнительность». ISRN Математическая физика. 2012: 327278. Дои:10.5402/2012/327278. Архивировано из оригинал на 2012-09-26. Получено 2012-02-25.
11. С.С. Афшар (2006). «Нарушение дополнительности Бора: одна щель или обе?». Материалы конференции AIP. 810: 294–299. arXiv:Quant-ph / 0701039. Bibcode:2006AIPC..810..294A. Дои:10.1063/1.2158731.
12. Уилер, Джон (1978). Математические основы квантовой теории. Эльзевир. п. 9-48.
13. Квантовая бомба Афшара^{[постоянная мертвая ссылка ][мертвая ссылка ]} Пятница науки
14. Дж. Г. Крамер (2004). "Бор все еще неправ". Новый ученый. 183 (2461): 26.
15. С.С. Афшар (2005). «Экспериментальные доказательства нарушения принципа дополнительности Бора». Встреча APS, 21–25 марта, Лос-Анджелес, Калифорния: 33009. Bibcode:2005APS..MARP33009A.
16. Р. Э. Кастнер (2006). "Афшарский эксперимент и взаимодополняемость". Встреча APS, 13–17 марта, Балтимор, Мэриленд: 40011. Bibcode:2006APS..MARD40011K.
17. Д. Рейцнер. «Комментарий к экспериментам Афшара». arXiv:Quant-ph / 0701152.
18. В. Унру (2004). "Шахриар Афшар - квантовый бунтарь?".
19. Л. Мотль (2004). "Нарушение дополнительности?".
20. Орелиен Дрезет (2005). «Дополнительность и эксперимент Афшара». arXiv:Quant-ph / 0508091.
21. Орелиен Дрезет (2011). «Двойственность волновых частиц и эксперимент Афшара» (PDF). Успехи в физике. 1: 57–67. arXiv:1008.4261. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-10-11. Получено 2012-02-25.
22. Эндрю Найт (2020). «Нет парадокса в дуальности волна-частица». arXiv:2006.05315.
23. Э. Флорес и Э. Кнезель. «Почему анализ Кастнера не применим к модифицированному эксперименту Афшара». arXiv:Quant-ph / 0702210.
24. Дж. Г. Крамер (2005). "Прощание с Копенгагеном?". Аналоговая научная фантастика и факты. Архивировано из оригинал на 2004-12-08. Получено 2004-12-21.

дальнейшее чтение

• 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. Дои:10.1088/1367-2630/9/8/287.
• Крамер, JG (2015). Квантовое рукопожатие: запутанность, нелокальность и транзакции. Springer Verlag. ISBN  978-3-319-24642-0.

внешняя ссылка

• Блог Афшара