Тема: Повторение эксперимента с двумя щелями

[bbbw]

Недавно пришла мысль на счет известного эксперимента Подольского - Розена.
Хотелось бы повторить подобное в домашних условиях , а после модифицировать.
А точнее модифицировать пластину с щелями заменив ее на матрицу, и закрыть определенные части детектирующего экрана.
Например пластина с четырьмя отверстиями - или щелями, а экран занимает меньшую область по вертикали (или горизонтали).
Это пример простой пластины. В дальнейшем планируется ее усложнение  путем увеличения количества отверстий.
Предполагаю, что такой (примитивный) способ может быть полезен в цифровых расчетах, для которых обычному компьютеру потребуется неимоверно много времени.
Хочу провести опыты подобного рода, для подтверждения или опровержения моей теории расчета.
Собственно главный вопрос в том на сколько это возможно сделать в домашних условиях - с минимальными затратами.
Или возможно у кого то есть оборудование свободное время(и желание) помочь с таким экспериментом.
Схематично попробую изобразить на рисунке суть.

a - экран
b - пластина со щелями
с - излучатель
d - часть экрана неспособная к детектированию или  (отсутствующая).
 

[Gall]

В таком виде это просто школьный опыт по интерференции. На компьютере, кстати, считается на раз, да и вручную тоже (задачка для 3-го курса физфака). Берется любой лазер, имеющий хоть какую-нибудь когерентность (гелий-неоновый - хорошо, дешевая лазерная указка из газетного киоска - подойдет, мощная лазерная указка - плохо, у них когерентность как раз низкая). Луч расширяется любыми линзами - проще всего отломать от указки родную линзу, а вместо нее поставить любую большую длиннофокусную линзу, например, от очков на +4...+6 диоптрий. Дальше - просто листок картона или фольги с дырками. Удобно в картонном экране прорезать большую дыру и заклеить ее пищевой фольгой, а в фольге отверстия делаются иголкой или бритвой. Подгибом картона можно довольно точно регулировать ширину щели.

Можно сделать и конструкцию получше, с щелями из двух лезвий на микрометрических винтах. Ничего сложного, но потребуется работа с металлом (ножовки, напильника, тисков и дрели в принципе достаточно, но проще и быстрее на фрезерном станке).

Расчет таких штук в простейшем случае (одна поляризация) можно делать через зоны Френеля. В более сложном случае (отдельные фотоны и/или несколько поляризаций) проще всего через функции Грина.

[Gall]

Сразу уточню: эксперимент Подольского-Розена - это другой эксперимент, для него требуется умение получать отдельные пары запутанных фотонов и регистрировать одиночные фотоны. Труднее всего второе: для этого нужны ФЭУ. В домашних условиях осуществимо, но начать придется со сборки и наладки источника питания для ФЭУ. Паять придется много.

В вашей схеме получается классический эксперимент с двумя (и более) щелями, который дает интерференционную картину от этих щелей (вполне легко рассчитываемую). От закрывания щелей картина будет меняться. От убирания части экрана - нет, потому что в данном случае убирание части экрана НЕ является "прекращением наблюдения": фотоны все равно куда-то попадают, это и есть "наблюдение". Единственный реальный способ НЕ наблюдать за фотонами - это иметь пары фотонов противоположных поляризаций. Саму пару не наблюдать не удастся, а вот поляризацию фотонов в паре при определенной конструкции установки МОЖНО не наблюдать. Эксперимент Подольского-Розена (он же "квантовая телепортация") именно на этом принципе и строится.

[bbbw]

прошу простить я неточно выразил суть.
дело в том, что для эксперимента нужно ограниченное число фотонов.
и так же возможность их подсчета на приемной панели с учетом сектора попадания.

все что мог найти в продаже для этого :
http://www.azimp.ru/catalogue/photon+counting+modules/358/
http://www.azimp.ru/catalogue/photon+counting+modules/354/

честно говоря стесняюсь даже цену на них узнать(

[bbbw]

да и плюс еще придется матрицу из детекторов собрать(
попробую сразу пояснить насколько могу.
при "выстреле" 1-м. фотоном - он может быть попадет в приемный детектор какого то сектора, а может и нет, нужно подобрать нужное количество экспериментальным путем, чтобы получить на детекторах определенное количество попавших в них фотонов.
далее замена пластины на другую, повторение и замена пластины на предыдущую.
поверьте результат будет неожиданным.

[Gall]

честно говоря стесняюсь даже цену на них узнать(

Цена хорошего автомобиля, сразу говорю. Если в домашних условиях, то такие вещи придется делать самостоятельно. Покупные слишком дороги. А при самостоятельном изготовлении можно уложиться всего в пару тысяч долларов.

[Gall]

да и плюс еще придется матрицу из детекторов собрать(
попробую сразу пояснить насколько могу.
при "выстреле" 1-м. фотоном - он может быть попадет в приемный детектор какого то сектора, а может и нет, нужно подобрать нужное количество экспериментальным путем, чтобы получить на детекторах определенное количество попавших в них фотонов.
далее замена пластины на другую, повторение и замена пластины на предыдущую.
поверьте результат будет неожиданным.

Результат будет вполне предсказуемым - вы описываете один из рутинных экспериментов в квантовой физике. Это исследовано еще в 50-е годы. Чаще всего эта техника применяется для исследования кристаллической структуры веществ, а фотоны тогда рентгеновские. Возможно использование фотонов из синхротронного излучения или других частиц (нейтронов, электронов). На интерференции частиц с самими собой основаны такие вещи, как метод Лауэ, метод Дебая, электронная микроскопия и т.д.

На фотонах видимого света это проделать тоже можно, в одном из частных случаев получается голография. Но в целом видимый свет используется редко - он почти не имеет практических применений. Основная работа делается все-таки на рентгене.

[bbbw]

Цена хорошего автомобиля, сразу говорю. Если в домашних условиях, то такие вещи придется делать самостоятельно. Покупные слишком дороги. А при самостоятельном изготовлении можно уложиться всего в пару тысяч долларов.

Если можете подскажите как собрать подобные приборы. С радиоэлектроникой у меня проблем нет , с программированием тоже. Если есть хоть какая схема готов рискнуть собрать.

[bbbw]

Результат будет вполне предсказуемым - вы описываете один из рутинных экспериментов в квантовой физике. Это исследовано еще в 50-е годы. Чаще всего эта техника применяется для исследования кристаллической структуры веществ, а фотоны тогда рентгеновские. Возможно использование фотонов из синхротронного излучения или других частиц (нейтронов, электронов). На интерференции частиц с самими собой основаны такие вещи, как метод Лауэ, метод Дебая, электронная микроскопия и т.д.

На фотонах видимого света это проделать тоже можно, в одном из частных случаев получается голография. Но в целом видимый свет используется редко - он почти не имеет практических применений. Основная работа делается все-таки на рентгене.

На счет результата - не уверен , что они пытались что либо считать в своих экспериментах, да и техника на тот момент не могла им такого позволить. А одна из главных задач эксперимента заключается именно в этом.
Буду рад если поможете  ссылкой на полное описание подобных экспериментов. Возможно некоторые их результаты можно будет использовать в расчетах.

[Gall]

Если можете подскажите как собрать подобные приборы. С радиоэлектроникой у меня проблем нет , с программированием тоже. Если есть хоть какая схема готов рискнуть собрать.

ФЭУ надо. Почти любой подойдет, только смотрите на его красную границу. Дальше просто запитать по паспорту - на катод около киловольта, и на диноды примерно через 100 вольт: -900, -800, -700 и т.д. С анода снимаете импульсы, по импульсу на фотон. НА СВЕТУ НЕ ВКЛЮЧАТЬ! ФЭУ - штука чувствительная, и при слишком ярком свете выходит из строя.

[Gall]

На счет результата - не уверен , что они пытались что либо считать в своих экспериментах, да и техника на тот момент не могла им такого позволить.

Ошибаетесь. Именно из расчетов, проведенных по результатам таких экспериментов, и родилась КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА. А точность экспериментов в то время была весьма велика, почти не хуже, чем сейчас. Просто оборудование было не таким массовым: во всем мире существовало три-четыре экземпляра приборов достаточной точности. Тогда их еще не умели производить серийно.

В настоящее время подобные расчеты являются стандартным упражнением для студентов-физиков 3-4 курсов, даются в качестве домашних заданий. Те, что попроще (вроде расчета системы из трех-четырех щелей или отверстий),могут дать на экзамене. Вычисления достаточно просты, но делаются по весьма малоизвестным (среди нефизиков) формулам. По совершенно непонятной причине эту часть теории нигде, кроме физических факультетов ВУЗов, не изучают, хотя кое-что оттуда стоило бы даже в школе проходить. Эксперимент с двумя щелями - это просто самая-самая верхушка этого айсберга. (Какого-то черта в школе квантовую механику проходят исключительно в виде постулатов Бора, которые вообще-то неверны и опровергнуты лет 80 назад, а про уравнение Шредингера и волновую функцию ни слова не говорится).

Точность, с которой сходятся результаты современных расчетов с экспериментом, поразительна. Вплоть до количественного предсказания свойств веществ из его кристаллической структуры. В основе таких расчетов лежит то же самое явление - интерференция фотонов и электронов друг с другом. В роли щелей выступают ядра атомов, все их бесчисленное множество.

[bbbw]

Спасибо вам за помощь.
Буду собирать потихоньку свой эксперимент, а в процессе почитаю формулы о которых вы говорите.
Если можете порекомендуйте из чего собрать источник одиночных фотонов, честно говоря с трудом представляю (генерацию одного единственного фотона) на практике, а группа для моего эксперимента будет слабо эффективна.
Мне важно узнать куда именно прилетит первый, куда второй и тд. И всегда ли последовательность будет одинаковой. Я полностью согласен , что всегда будет одинаковым узор, (который можно рассчитать формулой) но вряд ли последовательность будет повторятся (во всяком случаи без некоторых ухищрений).

[Gall]

Если можете порекомендуйте из чего собрать источник одиночных фотонов, честно говоря с трудом представляю (генерацию одного единственного фотона) на практике, а группа для моего эксперимента будет слабо эффективна.

Просто источник слабого света. Если любой свет достаточно ослабить, фотоны будут лететь по одному. Сложнее сделать источник пар фотонов, когда фотоны в паре имеют противоположную поляризацию. Но тоже можно.

Мне важно узнать куда именно прилетит первый, куда второй и тд. И всегда ли последовательность будет одинаковой. Я полностью согласен , что всегда будет одинаковым узор, (который можно рассчитать формулой) но вряд ли последовательность будет повторятся (во всяком случаи без некоторых ухищрений).

Последовательность будет всегда разной и всегда случайной. Каждый последующий фотон может прилететь в абсолютно любую точку. Предсказанию поддается только вероятность попадания фотона в ту или иную область, но при этом даже общее количество фотонов в этой области каждый раз будет разным. Общий узор тоже не будет всегда строго одинаковым, он будет случайным образом изменяться в некоторых пределах (и это изменение тоже не поддается предсказанию). Не в том смысле, что это мы не умеем считать, а в том, что это вообще НИКАК невозможно заранее знать, потому что даже сам фотон этого еще не знает. Это истинно случайный процесс. Он намного более случаен, чем бросание монеты.

[Gall]

Секрет законов квантовой механики в том, что на самом деле законов как таковых нет. Частица может возникнуть из ниоткуда, полететь куда угодно и исчезнуть в никуда. Она даже не обязана лететь по прямой, она может петлять. Просто все эти процессы имеют разную вероятность, зависящую от многих параметров. Например, вероятность отклонения частицы в вакууме от прямолинейной траектории весьма мала.

В случае двух щелей наиболее высока вероятность для фотона вообще в щель не попасть. Если же фотон все же прошел через щель, то летел он не по прямой, потому что как раз посередине между щелями стенка. Существует множество траекторий, по которым фотон мог преодолеть щели. Если нарисовать точки соприкосновения всех этих траекторий с экраном, более вероятные более жирно, получится хорошо известный нам интерференционный узор. Но при этом траектория фотона каждый раз абсолютно случайна. При малом числе фотонов узор может получиться абсолютно каким угодно. По мере роста числа фотонов получение нестандартного узора становится все менее вероятным (точно так же, как по мере роста числа бросков монеты становится все менее вероятным выбросить всех "орлов"), и на любом эксперименте с большим числом фотонов мы видим, разумеется, самую вероятную картину. Однако чувствительный прибор может показать, что в действительности картина все время слегка меняется, имеет "шум". Этот шум имеет ту же самую природу, что и шум дождя: каждая капля летит как попало, и только в среднем на единицу площади капель попадает поровну.

[bbbw]

судя по тому , что вы написали - я на верном пути 
если возможно подскажите как практически получить один фотон, точнее как на практике ослабить освещение до этого уровня?

да и еще..
тот источник одиночных парных фотонов который есть на продаже и правда генерирует только их ?

и это те формулы ? или я ошибся ?
http://genphys.phys.msu.ru/rus/lab/opt/409/zad402opmain07.htm
к сожалению - если это те формулы , то мне они не подойдут, так как там изначально речь идет о щелях неограниченной длинны, а у меня длинна ограничена следующим рядом щелей.
Конечно возможно обойтись и одним рядом, но возникнут другие препятствия.

Я уверен последовательность попадания фотонов и их ограниченного количества - можно повторять неограниченное количество раз - в этом в принципе и суть эксперимента.
К сожалению не узнаю пока не попробую