En partikel på to veje:Kvantefysikken har ret

Dobbeltspalte-eksperimentet er det mest kendte og nok det vigtigste eksperiment i kvantefysikken:Individuelle partikler skydes mod en væg med to åbninger, bag hvilke en detektor måler, hvor partiklerne ankommer. Dette viser, at partiklerne ikke bevæger sig ad en helt bestemt bane, som det kendes fra klassiske objekter, men ad flere baner samtidigt:Hver enkelt partikel passerer gennem både venstre og højre åbning.

Normalt kan dette dog kun bevises ved at udføre forsøget gentagne gange og evaluere resultaterne af mange partikelpåvisninger til sidst. På TU Wien udviklede forskere en ny variant af sådan et to-vejs interferenseksperiment, der kan rette op på denne fejl:En enkelt neutron måles i en bestemt position - og på grund af den sofistikerede måleopsætning beviser denne enkelt måling allerede, at partiklen bevægede sig ad to forskellige veje på samme tid. Det er endda muligt at bestemme forholdet, hvori neutronen var fordelt mellem de to veje. Fænomenet kvantesuperposition kan således bevises uden at skulle ty til statistiske argumenter. Resultaterne er nu publiceret i tidsskriftet Physical Review Research .

Dobbelt-spalteeksperimentet

"I det klassiske dobbeltspalte-eksperiment skabes et interferensmønster bag den dobbelte spalte," forklarer Stephan Sponar fra Atominstituttet ved TU Wien. "Partiklerne bevæger sig som en bølge gennem begge åbninger på samme tid, og de to delbølger interfererer så med hinanden. Nogle steder forstærker de hinanden, andre steder ophæver de hinanden."

Sandsynligheden for at måle partiklen bag dobbeltspalten på et meget specifikt sted afhænger af dette interferensmønster:hvor kvantebølgen forstærkes, er sandsynligheden for at måle partiklen høj. Hvor kvantebølgen annulleres, er sandsynligheden lav. Denne bølgefordeling kan naturligvis ikke ses ved at se på en enkelt partikel. Først når eksperimentet gentages mange gange, bliver bølgemønsteret mere og mere genkendeligt punkt for punkt og partikel for partikel.

"Så individuelle partiklers adfærd forklares ud fra resultater, der kun bliver synlige gennem den statistiske undersøgelse af mange partikler," siger Holger Hofmann fra Hiroshima University, som har udviklet teorien bag eksperimentet. "Dette er selvfølgelig ikke helt tilfredsstillende. Vi har derfor overvejet, hvordan fænomenet tovejsinterferens kan bevises baseret på påvisning af en enkelt partikel."

Rotation af neutronen

Dette blev gjort muligt ved hjælp af neutroner ved neutronkilden til ILL i Grenoble:Neutronerne sendes ind på en krystal, der deler neutronens kvantebølge i to delbølger, meget lig det klassiske dobbeltspalteeksperiment. De to partielle neutronbølger bevæger sig langs to forskellige veje og rekombineres igen. De forstyrrer og bliver derefter målt.

Derudover udnyttes en anden egenskab ved neutronen:dens spin - partiklens vinkelmomentum. Det kan påvirkes af magnetiske felter, neutronens vinkelmomentum peger så i en anden retning. Hvis neutronens spin drejes på kun en af ​​de to baner, er det muligt efterfølgende at bestemme, hvilken vej den har taget. Imidlertid forsvinder interferensmønstret da også, som en konsekvens af komplementaritet i kvantemekanikken.

"Vi roterer derfor neutronens spin bare lidt," forklarer Hartmut Lemmel, den første forfatter til den aktuelle publikation. "Så forbliver interferensmønsteret, for man kan kun få meget lidt information om stien. For stadig at få præcise vejinformationer gentages denne 'svage' måling mange gange i konventionelle forsøg. Men man får så kun en statistisk udsagn om hele ensemblet af neutroner og kan sige lidt om hver enkelt neutron."

Vend rotationen

Situationen er anderledes, hvis der, efter at de to neutrondelbølger er smeltet sammen, bruges et andet magnetfelt til at vende spindet tilbage igen. Ved forsøg og fejl bestemmer man den rotationsvinkel, der er nødvendig for at vende spindet af den overlejrede tilstand tilbage i den oprindelige retning. Styrken af ​​denne rotation er et mål for, hvor stærkt neutronen var til stede i hver vej. Hvis den kun havde taget den vej, som spindet er blevet drejet på, ville den fulde rotationsvinkel være nødvendig for at rotere den tilbage. Hvis den kun havde taget den anden vej, ville det slet ikke være nødvendigt at dreje omvendt. I eksperimentet udført med en speciel asymmetrisk stråledeler, blev det vist, at neutronerne var til stede for en tredjedel i den ene vej og to tredjedele i den anden.

Gennem detaljerede beregninger kunne holdet vise:Her registrerer man ikke blot en gennemsnitsværdi over helheden af ​​alle målte neutroner, men udsagnet gælder for hver enkelt neutron. Det kræver mange neutroner at bestemme den optimale rotationsvinkel, men så snart denne er indstillet, gælder den vejtilstedeværelse, der bestemmes ud fra den, for hver enkelt detekteret neutron.

"Vores måleresultater understøtter klassisk kvanteteori," siger Stephan Sponar. "Nyheden er, at man ikke behøver at ty til utilfredsstillende statistiske argumenter:Når man måler en enkelt partikel, viser vores eksperiment, at den må have taget to veje på samme tid og kvantificerer de respektive proportioner entydigt." Dette udelukker alternative fortolkninger af kvantemekanik, der forsøger at forklare dobbeltspalte-eksperimentet med lokaliserede partikler. + Udforsk yderligere

Ny kvanteeffekt fundet:Spin-rotationskobling