A tsakiyar injiniyoyin ƙididdiga

Richard Feynman, ɗaya daga cikin manyan masana kimiyyar lissafi na ƙarni na XNUMX, ya yi iƙirarin cewa mabuɗin fahimtar injiniyoyi na ƙididdigewa shine "gwajin tsaga guda biyu". Wannan gwaji mai sauƙi na ra'ayi, wanda aka gudanar a yau, yana ci gaba da samar da bincike mai ban mamaki. Sun nuna yadda rashin jituwa da hankali shine injiniyoyin ƙididdiga, wanda a ƙarshe ya haifar da mafi mahimmancin ƙirƙira na shekaru hamsin da suka gabata.

A karon farko ya gudanar da gwajin tsaga biyu. Thomas Young (1) a Ingila a farkon karni na sha tara.

Gwajin matasa

An yi amfani da gwajin don nuna cewa haske yana da yanayin igiyar ruwa ba na jikin jiki ba, kamar yadda aka fada a baya. Isaac Newton. Matashi kawai ya nuna cewa haske yana biyayya shiga tsakani - al'amari wanda shine mafi girman siffa (ba tare da la'akari da nau'in igiyar ruwa da matsakaicin da yake yaduwa ba). A yau, injiniyoyin ƙididdiga sun daidaita waɗannan ra'ayoyi guda biyu masu cin karo da juna.

Bari mu tuna ainihin gwajin tsaga biyu. Kamar yadda aka saba, ina nufin wata igiyar ruwa a saman ruwan da ke bazuwa a hankali a kusa da wurin da aka jefa dutsen. 

Ana haifar da igiyar ruwa ta ƙugiya da tarkace da ke haskakawa daga wurin tashin hankali, yayin da ake ci gaba da kasancewa tazara tsakanin kullun, wanda ake kira raƙuman ruwa. Ana iya sanya shinge a cikin hanyar igiyar ruwa, alal misali, a cikin nau'i na katako mai ƙananan ramuka guda biyu da aka yanke wanda ruwa zai iya gudana cikin yardar kaina. Jifa dutsen dutse a cikin ruwa, igiyar ruwa ta tsaya akan bangare - amma ba sosai ba. Sabbin raƙuman ruwa guda biyu (2) yanzu suna yaduwa zuwa wancan gefen ɓangaren daga ramummuka biyu. An sanya su a kan juna, ko kuma, kamar yadda muka ce, tsoma baki tare da juna, samar da sifa mai siffa a saman. A wuraren da ƙwanƙolin igiyar igiyar igiyar ruwa ta haɗu da ƙwanƙolin wani, buɗaɗɗen ruwa yana ƙaruwa, kuma inda ramin ya hadu da kwarin, baƙin ciki yana zurfafa.

2. Tsangwama daga raƙuman ruwa da ke fitowa daga ramummuka biyu.

A cikin gwajin matashin, haske mai launi ɗaya da ke fitowa daga tushen ma'ana ya ratsa cikin diaphragm mara kyau tare da tsage-tsage guda biyu kuma ya buga allon bayansu (yau za mu fi son amfani da hasken laser da CCD). Ana ganin hoton tsangwama na igiyar haske akan allon a cikin nau'i na jeri na musanyawan haske da ratsan duhu (3). Wannan sakamakon ya karfafa imanin cewa haske igiyar ruwa ce, kafin binciken da aka yi a farkon shekarun XNUMX ya nuna cewa haske ma igiyar ruwa ce. photon ruwa su ne barbashi masu haske waɗanda ba su da yawan hutawa. Daga baya ya zama cewa m duality-barbashifarkon gano don haske kuma ya shafi sauran barbashi da aka baiwa taro. Ba da daɗewa ba ya zama tushen sabon kwatancen injiniyoyi na duniya.

3. Hangen gwaji na Matasa

Barbashi kuma suna tsoma baki

A shekara ta 1961, Klaus Jonsson na Jami'ar Tübingen ya nuna tsoma bakin manya-manyan kwayoyin halitta - electrons ta hanyar amfani da na'urar na'ura mai kwakwalwa. Shekaru goma bayan haka, wasu masana kimiyyar lissafi na Italiya uku daga Jami'ar Bologna sun yi irin wannan gwaji tare da tsangwama na lantarki guda ɗaya (ta amfani da abin da ake kira biprism maimakon tsaga biyu). Sun rage ƙarfin wutar lantarki zuwa ƙarancin ƙima wanda electrons ke wucewa ta biprism daya bayan daya, daya bayan daya. An yi rijista waɗannan na'urorin lantarki akan allo mai kyalli.

Da farko, an rarraba hanyoyin lantarki a kan allo ba da gangan ba, amma bayan lokaci sun ƙirƙiri wani hoto na tsangwama na gefuna. Da alama ba zai yiwu ba cewa electrons biyu da ke wucewa ta cikin slits a jere a lokuta daban-daban na iya tsoma baki tare da juna. Don haka dole ne mu yarda da hakan Electron daya ke yi wa kanta katsalandan! Amma sai wutar lantarkin zata ratsa ta biyu tsage a lokaci guda.

Yana iya zama abin sha'awa kallon ramin da lantarkin ya wuce ta cikinsa. Daga baya za mu ga yadda za a yi irin wannan lura ba tare da dagula motsin lantarki ba. Ya bayyana cewa idan muka sami bayanai game da abin da electron ya karɓa, to, tsangwama ... zai ɓace! Bayanan "yadda" ke lalata tsangwama. Shin wannan yana nufin cewa kasancewar mai lura da hankali yana rinjayar tsarin tsarin jiki?

Kafin yin magana game da ƙarin sakamako masu ban mamaki na gwaje-gwajen tsaga biyu, zan yi ɗan ƙarami game da girman abubuwa masu shiga tsakani. An gano katsalandan adadin abubuwan da aka fara ganowa don electrons, sannan ga barbashi masu girma: neutrons, protons, atoms, kuma daga karshe ga manyan kwayoyin sinadarai.

A shekara ta 2011, an karya rikodin girman girman abu, wanda aka nuna abin da ke faruwa na kutsawa cikin adadi. Wani dalibi mai digiri na uku a lokacin ya yi gwajin ne a jami'ar Vienna. Sandra Eibenberger ne adam wata da abokan zamanta. Wani hadadden kwayoyin halitta mai dauke da kusan protons 5, neutron dubu 5 da kuma electrons dubu 5 aka zaba domin gwajin tare da hutu biyu! A cikin gwaji mai sarkakiya, an lura da tsangwama na adadi na wannan babbar kwayar halitta.

Wannan ya tabbatar da imani Dokokin injiniyoyi na ƙididdigewa suna yin biyayya ba ga abubuwan farko kawai ba, har ma da kowane abu. Sai dai idan abu ya fi rikitarwa, zai iya yin hulɗa tare da muhalli, wanda ke keta ƙayyadaddun ƙayyadaddun ƙayyadaddun ƙididdiga kuma yana lalata tasirin kutse..

Matsakaicin adadin adadin da kuma karkatar da haske

Sakamakon mafi ban mamaki na gwaje-gwajen masu tsaga biyu ya zo ne ta hanyar amfani da wata hanya ta musamman ta bin diddigin photon, wanda bai dagula motsin sa ta kowace hanya ba. Wannan hanya tana amfani da ɗaya daga cikin abubuwan ban mamaki mafi ban mamaki, abin da ake kira kididdigewa. An lura da wannan al'amari a cikin 30s ta hanyar daya daga cikin manyan masu ƙirƙirar injiniyoyi, Erwin Schrödinger.

Einstein mai shakka (duba kuma 🙂 ya kira su aikin fatalwa a nesa. Duk da haka, rabin karni kawai daga baya an gane mahimmancin wannan tasirin, kuma a yau ya zama abin sha'awa na musamman ga masana kimiyya.

Menene wannan tasirin game da? Idan barbashi biyu da ke kusa da juna a wani lokaci suka yi mu'amala mai karfi da juna har suka samar da wani nau'in "dangantakar tagwaye", to alakar ta dawwama ko da barbashi suna da nisa na daruruwan kilomita. Sa'an nan kuma barbashi suna nuna tsarin tsarin guda ɗaya. Wannan yana nufin cewa idan muka yi wani aiki a kan wani barbashi, nan da nan ya shafi wani barbashi. Koyaya, ta wannan hanyar ba za mu iya watsa bayanai ba tare da ɓata lokaci daga nesa ba.

Photon wani barbashi ne wanda ba shi da taro - wani yanki na farko na haske, wanda shine igiyar lantarki. Bayan wucewa ta farantin kristal mai dacewa (wanda ake kira polarizer), hasken ya zama polarized madaidaiciya, watau. vector na filin lantarki na igiyoyin lantarki na lantarki yana motsawa a cikin wani jirgin sama. Bi da bi, ta hanyar wuce layi-layi haske ta hanyar wani farantin wani kauri daga wani musamman crystal (abin da ake kira kwata-wave farantin), za a iya canza shi zuwa madauwari polarized haske, a cikinsa wutar lantarki vector motsi a cikin wani helical (wani abu). agogo ko agogo baya) motsi tare da hanyar yaduwar igiyar ruwa. Saboda haka, mutum na iya yin magana na photons na layi ko da'ira.

Gwaje-gwaje tare da ɗimbin photon

4a ba. Kristalin BBO wanda ba na layi ba yana jujjuya photon da laser argon ya fitar zuwa hotuna biyu masu ruɗewa tare da rabin makamashi da daidaitawar juna. Wadannan photons suna watsewa a wurare daban-daban kuma ana rubuta su ta hanyar ganowa D1 da D2, sun haɗa su ta hanyar daidaituwa ta LK. An sanya diaphragm mai tsaga biyu a hanyar ɗayan photons. Lokacin da duka na'urori biyu suka yi rajistar kusan isowar photon biyu na lokaci ɗaya, ana adana siginar a cikin ƙwaƙwalwar ajiyar na'urar, kuma mai gano D2 matakan daidai da tsaga. Adadin photons dangane da matsayin mai gano D2, don haka an yi rikodin, ana nunawa a cikin akwatin, yana nuna maxima da minima, yana nuna tsangwama.

A shekara ta 2001, ƙungiyar likitocin Brazil a Belo Horizonte sun yi aiki a ƙarƙashin jagorancin. Stephen Walborn sabon abu gwaji. Marubutan sa sun yi amfani da kaddarorin wani kristal na musamman (wanda aka gajarta da suna BBO), wanda ke canza wani bangare na photon da ke fitar da laser argon zuwa photon biyu mai rabin makamashi. Wadannan photon guda biyu suna manne da juna; idan daya daga cikinsu yana da, misali, a kwance polarization, ɗayan yana da polarization a tsaye. Wadannan hotuna suna motsawa ta hanyoyi biyu daban-daban kuma suna taka rawa daban-daban a cikin gwajin da aka kwatanta.

Daya daga cikin photons da za mu sanya suna sarrafawa, yana zuwa kai tsaye zuwa ga mai gano photon D1 (4a). Mai ganowa yana yin rajistar isowarsa ta hanyar aika siginar lantarki zuwa na'urar da ake kira hit counter. LK Za a yi gwajin kutse akan photon na biyu; za mu kira shi sigina photon. Akwai tsaga biyu a cikin hanyarsa, sannan na'urar gano photon ta biyu, D2, ta ɗan yi gaba daga tushen photon fiye da mai gano D1. Wannan na'urar ganowa na iya yin tsalle a kusa da ramin dual duk lokacin da ya karɓi siginar da ta dace daga ma'aunin da aka buga. Lokacin da mai gano D1 yayi rijistar photon, yana aika sigina zuwa ma'aunin daidaituwa. Idan a cikin ɗan lokaci mai gano D2 shima ya yi rajistar photon kuma ya aika da sigina zuwa mita, to zai gane cewa ya fito ne daga ɗimbin photon, kuma wannan gaskiyar za a adana shi a cikin ƙwaƙwalwar ajiyar na'urar. Wannan hanya ta keɓance rajistar photon bazuwar shigar da mai ganowa.

Photon ɗin da aka haɗa suna ci gaba har tsawon daƙiƙa 400. Bayan wannan lokacin, na'urar ganowa D2 tana gudun hijira ta mm 1 dangane da matsayi na tsaga, kuma kirga photon da aka makale yana ɗaukar wasu daƙiƙa 400. Sa'an nan kuma an sake motsa mai ganowa ta 1 mm kuma ana maimaita hanya sau da yawa. Ya bayyana cewa rarraba adadin photons da aka rubuta ta wannan hanyar dangane da matsayi na mai gano D2 yana da halayyar maxima da minima daidai da haske da duhu da tsangwama a cikin gwajin Young (4a).

Mun sake gano cewa photon guda ɗaya da ke wucewa ta tsaga biyu suna tsoma baki tare da juna.

Ta yaya?

Mataki na gaba na gwajin shine tantance ramin da wani photon na musamman ya bi ta cikinsa ba tare da dagula motsinsa ba. Abubuwan da aka yi amfani da su anan kwata kalaman farantin. An sanya farantin kwata-kwata a gaban kowane tsagewa, ɗaya daga cikinsu ya canza madaidaicin polarization na photon abin da ya faru zuwa madauwari ta agogo, ɗayan kuma zuwa madauwari madauwari ta hannun hagu (4b). An tabbatar da cewa nau'in polarization na photon bai shafi adadin photon da aka kirga ba. Yanzu, ta hanyar tantance jujjuyawar polarization na photon bayan ta wuce ta cikin slits, yana yiwuwa a nuna ta wanne daga cikinsu photon ya wuce. Sanin "ta wace hanya" ke lalata tsoma baki.

4b ku. Ta hanyar sanya faranti na kwata-kwata (rectangles masu shaded) a gaban tsagewar, za a iya samun bayanan "wace hanya" kuma hoton tsangwama zai ɓace.

4c ku. Sanya polarizer mai dacewa daidai P a gaban mai gano D1 yana goge bayanan "wace hanya" kuma yana dawo da kutse.

A gaskiya, bayan daidaitaccen wuri na faranti na kwata-kwata a gaban slits, rarrabawar da aka gani a baya na ƙididdiga, mai nuna tsangwama, ya ɓace. Abu mafi ban mamaki shi ne cewa wannan yana faruwa ba tare da sa hannu na mai lura da hankali ba wanda zai iya yin ma'auni masu dacewa! Sanya faranti-kwata kawai yana haifar da tasirin sokewa.. To ta yaya photon ya san cewa bayan shigar da faranti, za mu iya tantance tazarar da ta wuce?

Duk da haka, wannan ba shine ƙarshen ban mamaki ba. Yanzu za mu iya mayar da sigina photon tsoma baki ba tare da shafar shi kai tsaye. Don yin wannan, a cikin hanyar sarrafa photon mai ganowa D1, sanya polarizer don ya ba da haske tare da polarization wanda ke hade da polarizations na duka photon da aka haɗa (4c). Wannan nan da nan ya canza polarity na siginar photon daidai. Yanzu ba zai yiwu a iya sanin tabbas menene polarization na wani lamari na photon a kan tsagewar ba, kuma ta hanyar tsaga photon ya wuce. A wannan yanayin, an dawo da tsangwama!

Goge bayanan zaɓin da aka jinkirta

Gwaje-gwajen da aka bayyana a sama an yi su ne ta yadda mai ganowa D1 ya yi rajistar sarrafa photon kafin siginar photon ya isa wurin gano D2. An yi share bayanan "wace hanya" ta hanyar canza polarization na photon mai sarrafawa kafin siginar photon ya kai ga gano D2. Sa'an nan kuma mutum zai iya tunanin cewa photon mai sarrafawa ya riga ya gaya wa "twin" abin da za a yi a gaba: shiga tsakani ko a'a.

Yanzu muna canza gwajin ta yadda mai sarrafa photon ya buge mai gano D1 bayan an yi rajistar siginar siginar a mai gano D2. Don yin wannan, matsar da ganowa D1 daga tushen photon. Tsarin tsangwama yayi kama da da. Yanzu bari mu sanya faranti na kwata-kwata a gaban slits don sanin hanyar da photon ya bi. Tsarin tsangwama ya ɓace. Na gaba, bari mu goge bayanan "wace hanya" ta hanyar sanya polarizer mai dacewa a gaban mai gano D1. Tsarin tsangwama ya sake bayyana! Duk da haka an yi sharewa bayan an yi rajistar siginar photon ta mai gano D2. Ta yaya hakan zai yiwu? Dole ne photon ya kasance yana sane da canjin polarity kafin wani bayani game da shi ya isa gare shi.

5. Gwaje-gwaje tare da katako na Laser.

An juya tsarin dabi'a na abubuwan da suka faru a nan; sakamako ya rigaya dalili! Wannan sakamakon yana rushe ka'idar dalili a cikin gaskiyar da ke kewaye da mu. Ko watakila lokaci ba kome ba lokacin da ya zo ga barbashi masu kama? Matsakaicin adadi ya saba wa ƙa'idar gida a cikin ilimin kimiyyar lissafi na gargajiya, wanda mahallinsa na kusa kawai zai iya shafar abu.

Tun bayan gwajin da aka yi a Brazil, an gudanar da irin wannan gwaje-gwaje da yawa, wadanda ke tabbatar da cikakken sakamakon da aka gabatar a nan. A ƙarshe, mai karatu zai so ya bayyana sirrin waɗannan abubuwan da ba a zata ba. Abin takaici, ba za a iya yin hakan ba. Hankalin makanikan ƙididdiga ya bambanta da tunanin duniyar da muke gani kowace rana. Dole ne mu karɓi wannan cikin tawali'u kuma mu yi farin ciki da gaskiyar cewa dokokin injiniyoyi na ƙididdigewa sun bayyana daidai abubuwan abubuwan da ke faruwa a cikin ƙananan ƙwayoyin cuta, waɗanda ake amfani da su da amfani a cikin na'urorin fasaha na ci gaba.