تجربة افشار

جزء من سلسلة مقالات حول
ميكانيكا الكم
${\displaystyle i\hbar {\frac {d}{dt}}|\Psi \rangle ={\hat {H}}|\Psi \rangle }$ معادلة شرودنجر
مقدمة المصطلحات تاريخ
خلفية الميكانيكا الكلاسيكية نظرية الكم القديمة تدوين براكيت هاملتونيان تدخل
الأساسيات التكامل عدم التماسك تشابك مستوى الطاقة قياس غير محلية عدد الكم ولاية تراكب التماثل حفر الأنفاق ريبة دالة الموجة ينهار
Experiments Bell's inequality CHSH inequality Davisson–Germer Double-slit Elitzur–Vaidman Franck–Hertz Leggett inequality Leggett–Garg inequality Mach–Zehnder Popper Quantum eraser Delayed-choice Schrödinger's cat Stern–Gerlach Wheeler's delayed-choice
Formulations Overview Heisenberg Interaction Matrix Phase-space Schrödinger Sum-over-histories (path integral)
Equations Dirac Klein–Gordon Pauli Rydberg Schrödinger
Interpretations Bayesian Consistent histories Copenhagen de Broglie–Bohm Ensemble Hidden-variable Local Superdeterminism Many-worlds Objective-collapse Quantum logic Relational Transactional Von Neumann–Wigner
Advanced topics Relativistic quantum mechanics Quantum field theory Quantum information science Quantum computing Quantum chaos EPR paradox Density matrix Scattering theory Quantum statistical mechanics Quantum machine learning
Scientists Aharonov Bell Bethe Blackett Bloch Bohm Bohr Born Bose de Broglie Compton Dirac Davisson Debye Ehrenfest Einstein Everett Fock Fermi Feynman Glauber Gutzwiller Heisenberg Hilbert Jordan Kramers Lamb Landau Laue Moseley Millikan Onnes Pauli Planck Rabi Raman Rydberg Schrödinger Simmons Sommerfeld von Neumann Weyl Wien Wigner Zeeman Zeilinger
v t e

تجربة أفشار هي أحد أشكال تجربة الشق المزدوج في ميكانيكا الكم، التي ابتكرها ونفذها شهريار أفشار في عام 2004. ^{[1] [2]} في التجربة، يمر الضوء الناتج عن الليزر عبر ثقبين صغيرين متقاربين، ويتم إعادة تركيزه بواسطة عدسة بحيث تسقط صورة كل ثقب صغير على كاشف فوتون واحد منفصل . بالإضافة إلى ذلك، يتم وضع شبكة من الأسلاك الرفيعة قبل العدسة مباشرة على الحواف الداكنة لنمط التداخل . ^[3]

زعم أفشار أن التجربة تعطي معلومات حول المسار الذي يسلكه الفوتون عبر الجهاز، وفي الوقت نفسه تسمح بملاحظة التداخل بين المسارات. ^{[4] [5]} ووفقًا لأفشار، فإن هذا ينتهك مبدأ التكامل في ميكانيكا الكم . ^{[3] [6]}

تم تحليل التجربة وتكرارها من قبل عدد من الباحثين. ^[7] هناك العديد من النظريات التي تفسر التأثير دون انتهاك التكامل. ^{[8] [9] [10] [11] يدعي} جون ج. كرامر أن التجربة تقدم دليلاً على التفسير التفاعلي لميكانيكا الكم على التفسيرات الأخرى.

تم إجراء العمل التجريبي لشهريار أفشار في البداية في معهد دراسات الكتلة المستحثة بالإشعاع (IRIMS) ^[12] في بوسطن وتم إعادة إنتاجه لاحقًا في جامعة هارفارد ، بينما كان هناك كباحث زائر . ^[1] تم تقديم النتائج لأول مرة في ندوة في هارفارد في مارس 2004. ^[2] ظهرت التجربة كقصة غلاف في طبعة 24 يوليو 2004 من مجلة العلوم الشعبية New Scientist التي أقرها الأستاذ جون جي كرامر من جامعة واشنطن . ^{[1] [13]} أثار المقال المميز في مجلة New Scientist العديد من الاستجابات، بما في ذلك رسائل مختلفة إلى المحرر ظهرت في إصدارات 7 أغسطس و 14 أغسطس 2004، والتي جادلت ضد الاستنتاجات التي توصل إليها أفشار. ^[14] نُشرت النتائج في وقائع مؤتمر SPIE في عام 2005. ^[4] نُشرت ورقة متابعة في مجلة علمية Foundations of Physics في يناير 2007 ^[3] وظهرت في مجلة New Scientist في فبراير 2007. ^[15]

تستخدم التجربة إعدادًا مشابهًا لذلك المستخدم في تجربة الشق المزدوج . في متغير أفشار، يمر الضوء الناتج عن الليزر عبر ثقبين صغيرين دائريين متقاربين (وليس شقين). بعد الثقبين الصغيرين، تعيد عدسة تركيز الضوء بحيث تسقط صورة كل ثقب صغير على كاشفين للفوتونات منفصلين (الشكل 1). مع إغلاق الثقب الصغير 2، فإن الفوتون الذي يمر عبر الثقب الصغير 1 يصطدم فقط بكاشف الفوتون 1. وبالمثل، مع إغلاق الثقب الصغير 1، فإن الفوتون الذي يمر عبر الثقب الصغير 2 يصطدم فقط بكاشف الفوتون 2. مع فتح كلا الثقبين الصغيرين، يدعي أفشار، مستشهدًا بويلر ^[16] لدعم ذلك، أن الثقب الصغير 1 يظل ​​مرتبطًا بكاشف الفوتون 1 (والعكس صحيح بالنسبة للثقب الصغير 2 بكاشف الفوتون 2)، وبالتالي يتم الحفاظ على معلومات الاتجاه عندما يكون كلا الثقبين الصغيرين مفتوحين. ^[3]

عندما يتصرف الضوء كموجة، فبسبب التداخل الكمومي يمكن ملاحظة وجود مناطق تتجنبها الفوتونات، تسمى الحواف المظلمة . توضع شبكة من الأسلاك الرفيعة قبل العدسة مباشرة (الشكل 2) بحيث تقع الأسلاك في الحواف المظلمة لنمط التداخل الذي ينتج عن إعداد الثقبين الدبوسيين. إذا تم حظر أحد الثقوب الدبوسية، فلن يتشكل نمط التداخل بعد الآن، وتتسبب شبكة الأسلاك في حدوث حيود ملحوظ في الضوء وتمنع بعضه من الكشف بواسطة كاشف الفوتون المقابل. ومع ذلك، عندما يكون كلا الثقبين الدبوسيين مفتوحين، يكون تأثير الأسلاك مهملاً، ويمكن مقارنته بالحالة التي لا توجد فيها أسلاك موضوعة أمام العدسة (الشكل 3)، لأن الأسلاك تقع في الحواف المظلمة لنمط التداخل. لا يعتمد التأثير على شدة الضوء (تدفق الفوتون).

ويخلص أفشار إلى أنه عندما تكون الثقبين الدبوسيين مفتوحين، فإن الضوء يظهر سلوكاً يشبه الموجة عند مروره عبر الأسلاك، لأن الضوء يمر عبر الفراغات بين الأسلاك ولكنه يتجنب الأسلاك نفسها، ولكنه يظهر أيضاً سلوكاً يشبه الجسيمات بعد المرور عبر العدسة، حيث تنتقل الفوتونات إلى كاشف ضوئي مرتبط. ويزعم أفشار أن هذا السلوك يتناقض مع مبدأ التكامل إلى الحد الذي يظهر فيه خصائص الموجة والجسيم في نفس التجربة لنفس الفوتونات.

يؤكد أفشار أن هناك في نفس الوقت وضوحًا عاليًا للتداخل V بالإضافة إلى القدرة العالية على التمييز D (المقابلة لمعلومات المسار)، بحيث تكون V ² + D ² > 1، ويتم انتهاك علاقة ازدواجية الموجة والجسيم . ^[3]

وقد نشر عدد من العلماء انتقادات لتفسير أفشار لنتائجه، وبعض هذه الانتقادات يرفض ادعاءات انتهاك التكامل، في حين يختلفون في الطريقة التي يفسرون بها كيف يتعامل التكامل مع التجربة. على سبيل المثال، طعنت إحدى الأوراق البحثية في ادعاء أفشار الأساسي، بأن علاقة ثنائية إنجليرت-جرينبرجر منتهكة. أعاد الباحثون إجراء التجربة، باستخدام طريقة مختلفة لقياس وضوح نمط التداخل عن تلك التي استخدمها أفشار، ولم يجدوا أي انتهاك للتكامل، وخلصوا إلى أن "هذه النتيجة تثبت أن التجربة يمكن تفسيرها تمامًا من خلال تفسير كوبنهاجن لميكانيكا الكم". ^[10]

فيما يلي ملخص للأوراق التي قدمها العديد من النقاد والتي تسلط الضوء على حججهم الرئيسية والخلافات التي لديهم فيما بينهم:

• روث كاستنر، لجنة تاريخ وفلسفة العلوم، جامعة ميريلاند، كوليدج بارك . ^{[8] [17]}

  وتبدأ انتقادات كاستنر، المنشورة في ورقة بحثية تمت مراجعتها من قبل الأقران، بإعداد تجربة فكرية وتطبيق منطق أفشار عليها لكشف عيبها. وتقترح أن تجربة أفشار تعادل تحضير إلكترون في حالة دوران لأعلى ثم قياس دورانه الجانبي. وهذا لا يعني أننا اكتشفنا حالة الدوران لأعلى ولأسفل وحالة الدوران الجانبي لأي إلكترون في وقت واحد. وعند تطبيق ذلك على تجربة أفشار: "ومع ذلك، حتى مع إزالة الشبكة، نظرًا لأن الفوتون يتم تحضيره في تراكب S ، فإن القياس عند الشاشة النهائية عند t ₂ لا يكون في الواقع قياسًا "لأي اتجاه" (المصطلح المرتبط تقليديًا بالقابل للملاحظة على أساس الشق )، لأنه لا يمكنه أن يخبرنا "أي شق مر به الفوتون بالفعل".${\displaystyle {\mathcal {O}}}$

• دانييل رايتزنر، مركز أبحاث المعلومات الكمومية، معهد الفيزياء، الأكاديمية السلوفاكية للعلوم ، براتيسلافا ، سلوفاكيا . ^[18]

  أجرى رايتزنر محاكاة رقمية، نُشرت في طبعة أولية، لترتيب أفشار وحصل على نفس النتائج التي حصل عليها أفشار تجريبياً. ومن هذا يزعم أن الفوتونات تظهر سلوكًا موجيًا، بما في ذلك وضوح هامشي عالٍ ولكن لا توجد معلومات عن الاتجاه، حتى النقطة التي تصطدم فيها بالكاشف: "بعبارة أخرى، فإن توزيع الذروتين هو نمط تداخل ويتصرف الفوتون كموجة ولا يُظهر أي خصائص جسيمية حتى يصطدم باللوحة. ونتيجة لذلك، لا يمكن الحصول على معلومات عن الاتجاه بهذه الطريقة أبدًا".

• WG Unruh ، أستاذ الفيزياء في جامعة كولومبيا البريطانية ^[19]

  إن أونروه، مثله كمثل كاستنر، يمضي قدماً في إعداد ترتيب يشعر بأنه مكافئ ولكن أبسط. إن حجم التأثير أكبر بحيث يسهل علينا أن نلاحظ الخلل في المنطق. وفي رأي أونروه فإن الخلل هو، في حالة وجود عائق في موضع الحواف المظلمة، "استنتاج أنه إذا تم اكتشاف الجسيم في الكاشف 1، فلابد أنه جاء من المسار 1. وعلى نحو مماثل، إذا تم اكتشافه في الكاشف 2، فلابد أنه جاء من المسار 2". بعبارة أخرى، فهو يقبل وجود نمط تداخل ولكنه يرفض وجود معلومات عن أي اتجاه.

• لوبوش موتل ، أستاذ مساعد سابق للفيزياء، جامعة هارفارد . ^[20]

  إن انتقاد موتل، الذي نُشِر في مدونته، يستند إلى تحليل للإعداد الفعلي الذي وضعه أفشار، بدلاً من اقتراح تجربة مختلفة مثل أونروه وكاستنر. وعلى النقيض من أونروه وكاستنر، يعتقد موتل أن المعلومات المتعلقة بالاتجاهات موجودة دائماً، ولكنه يزعم أن التباين المقاس لنمط التداخل منخفض للغاية في الواقع: "نظرًا لأن هذه الإشارة (التشويش) من الصورة الثانية الوسطى صغيرة (أي أنها تؤثر فقط على جزء صغير جدًا من الفوتونات)، فإن التباين V صغير جدًا أيضًا، ويصل إلى الصفر بالنسبة للأسلاك الرفيعة للغاية". كما يزعم أن التجربة يمكن فهمها باستخدام الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية ولا "لها أي علاقة بميكانيكا الكم".

• أولي ستيورناجل، كلية الفيزياء والفلك والرياضيات، جامعة هيرتفوردشاير ، المملكة المتحدة. ^[9]

  يقدم ستيورناجيل تحليلاً كمياً للأنماط المختلفة المنقولة والمنعكسة والمنعكسة في إعداد يختلف قليلاً عن إعداد أفشار. ويخلص إلى أن علاقة ازدواجية إنجليرت-جرينبرجر مُرضية تمامًا، وبشكل خاص أن رؤية الهامش للأسلاك الرفيعة صغيرة. ومثله كمثل بعض المنتقدين الآخرين، يؤكد ستيورناجيل أن استنتاج نمط التداخل ليس هو نفسه قياسه: "أخيرًا، فإن أعظم نقطة ضعف في التحليل الذي قدمه أفشار هي الاستنتاج بأن نمط التداخل يجب أن يكون موجودًا".

• أندرو نايت، قسم الفيزياء، جامعة نيويورك ^[21]

  يزعم أن ادعاء أفشار بانتهاك التكاملية هو تناقض منطقي بسيط: من خلال إعداد التجربة بحيث تكون الفوتونات متماسكة مكانيًا على طول الثقبين الدبوسيين، فإن الثقبين الدبوسيين لا يمكن تمييزهما بالضرورة عن طريق تلك الفوتونات. "بعبارة أخرى، يزعم أفشار وزملاؤه في نفس الوقت أنهم أعدوا التجربة بحيث لا يمكن تمييز الثقبين الدبوسيين A و B بطبيعتهما عن طريق فوتونات معينة [على وجه التحديد، الفوتونات التي يتم إنتاجها لتكون متماسكة مكانيًا على العرض الذي تمتد عليه الثقوب الدبوسية وبالتالي غير قادرة على التمييز بينها]، وفي نفس الوقت أنهم ميزوا الثقبين الدبوسيين A و B باستخدام نفس الفوتونات."

• انتقد المؤلفان المشاركان لأفشار إدواردو فلوريس وإرنست كنوسيل إعداد كاستنر واقترحا إعدادًا تجريبيًا بديلًا. ^[22] من خلال إزالة عدسة أفشار والتسبب في تداخل شعاعين بزاوية صغيرة، كان فلوريس وآخرون يهدفون إلى إظهار أن الحفاظ على الزخم يضمن الحفاظ على معلومات أي مسار عندما يكون كلا الثقبين مفتوحين. لكن هذه التجربة لا تزال خاضعة لاعتراض موتل بأن الشعاعين لهما نمط حيود دون المجهري الذي تم إنشاؤه بواسطة تقارب الشعاعين قبل الشقوق؛ وكانت النتيجة هي قياس أي شق كان مفتوحًا قبل الوصول إلى الأسلاك.

• يتبنى جون ج. كرامر تفسير أفشار للتجربة لدعم تفسيره التفاعلي لميكانيكا الكم على تفسير كوبنهاجن وتفسير العوالم المتعددة . ^{[23] [24]}

• تجربة الاختيار المؤجل لويلر
• ممحاة الكم المؤجلة الاختيار
• قياس ضعيف
• نظرية امتصاص ويلر-فاينمان