Одна частица на двух путях: новый вид классического эксперимента

Эксперимент с двумя щелями — самый известный и, вероятно, самый важный эксперимент в квантовой физике: отдельные частицы выстреливаются в стену с двумя отверстиями, за которыми детектор измеряет, куда попадают частицы.

Эксперимент показывает, что частицы движутся не по строго определенной траектории, как известно из классических объектов, а по нескольким траекториям одновременно: каждая отдельная частица проходит и через левое, и через правое отверстие.

Однако обычно это можно доказать, только проведя эксперимент повторно и оценив результаты обнаружения многих частиц в конце. В Венском техническом университете исследователи разработали новый вариант такого эксперимента с двусторонней интерференцией, который может исправить этот недостаток: один нейтрон измеряется в определенном месте, и благодаря сложной измерительной установке это единственное измерение уже доказывает, что частица двигалась по двум разным дорогам одновременно.

Можно даже определить соотношение, в котором нейтрон распределялся между двумя путями. Таким образом, явление квантовой суперпозиции можно доказать, не прибегая к статистическим аргументам.

Эксперимент с двумя щелями

«В классическом эксперименте с двумя щелями за двойной щелью создается интерференционная картина», — объясняет Стефан Спонар из Венского технического университета.

«Частицы движутся как волна через оба отверстия одновременно, и две частичные волны затем интерферируют друг с другом. В некоторых местах они усиливают друг друга, в других местах они нейтрализуют друг друга».

Вероятность измерения частицы за двойной щелью в очень конкретном месте зависит от этой интерференционной картины: там, где квантовая волна усиливается, вероятность измерения частицы высока.

Там, где квантовая волна компенсируется, вероятность мала. Конечно, это распределение волн нельзя увидеть, глядя на одну частицу. Только когда эксперимент повторяется много раз, волновая картина становится все более узнаваемой точка за точкой и частица за частицей.

«Таким образом, поведение отдельных частиц объясняется на основе результатов, которые становятся видимыми только в результате статистического исследования множества частиц. Конечно, это не совсем удовлетворительно. Поэтому мы рассмотрели, как можно доказать явление двусторонней интерференции на основе обнаружения одной частицы».

Вращение нейтрона

Это стало возможным с помощью нейтронов в источнике нейтронов ILL в Гренобле: нейтроны направляются на кристалл, который расщепляет квантовую волну нейтрона на две парциальные волны, что очень похоже на классический эксперимент с двумя щелями. Две парциальные нейтронные волны движутся по двум разным путям и снова рекомбинируются. Они смешиваются и затем измеряются.

Но кроме того, используется еще одно свойство нейтрона: его спин — угловой момент частицы. На него могут влиять магнитные поля, тогда угловой момент нейтрона указывает в другом направлении.

Если спин нейтрона вращается только по одному из двух путей, то впоследствии можно определить, по какому пути он пошел. Однако тогда интерференционная картина также исчезает вследствие дополнительности в квантовой механике.

«Поэтому мы немного поворачиваем спин нейтрона», — объясняет Хартмут Леммель, первый автор текущей публикации. «Тогда остается интерференционная картина, потому что вы можете получить очень мало информации о пути. Чтобы по-прежнему получать точную информацию о пути, это «слабое» измерение повторяется много раз в обычных экспериментах. Однако тогда получается только статистическое утверждение обо всем ансамбле нейтронов и мало что может сказать о каждом отдельном нейтроне».

Реверс вращения

Ситуация меняется, если после слияния двух нейтронных парциальных волн другое магнитное поле используется для того, чтобы снова повернуть спин.

Методом проб и ошибок определяется угол поворота, необходимый для поворота спина наложенного состояния обратно в исходное направление. Сила этого вращения является мерой того, насколько сильно нейтрон присутствовал на каждом пути.

Если бы он пошел только по тому пути, по которому вращался спин, полный угол поворота был бы необходим, чтобы повернуть его обратно. Если бы он пошел только по другому пути, то вообще не было бы необходимости в обратном вращении. В эксперименте, проведенном с помощью специального асимметричного светоделителя, было показано, что нейтроны присутствуют на одну треть в одном пути и на две трети в другом.

С помощью подробных расчетов команда ученых смогла показать: здесь не просто определяется среднее значение по совокупности всех измеренных нейтронов, но утверждение применимо к каждому отдельному нейтрону.

Требуется много нейтронов, чтобы определить оптимальный угол поворота, но как только он установлен, определяемое по нему наличие пути применяется к каждому отдельному обнаруженному нейтрону.

«Результаты наших измерений подтверждают классическую квантовую теорию», — говорит Стефан Спонар. «Новинка в том, что не нужно прибегать к неудовлетворительным статистическим аргументам: при измерении одной частицы наш эксперимент показывает, что она должна идти двумя путями одновременно, и однозначно определяет соответствующие пропорции». Это исключает альтернативные интерпретации квантовой механики, пытающиеся объяснить эксперимент с двумя щелями с локализованными частицами.

Результаты опубликованы в журнале Physical Review Research.