Tatsächlich nehmen die Neutronen im Doppelspaltexperiment beide Wege einzeln

Ein wichtiges Prinzip der Quantenmechanik wurde durch eine Vielzahl von Gedankenexperimenten bestätigt, die von Einstein vorgeschlagen wurden und durch den technischen Fortschritt ermöglicht wurden. Die Forscher lieferten Beweise für die Quantenüberlagerung, indem sie einzelne Teilchen anstelle statistischer Techniken verwendeten.

Ein Team von Wissenschaftlern hat ein Doppelspaltexperiment mit Neutronen durchgeführt und Spin-Messgeräte hinzugefügt, um den Weg jedes Neutrons mit der Präzision zu untersuchen, die sich frühere Generationen von Physikern nur vorstellen konnten. In der Zeitschrift Physical Review Research berichten die Autoren über einen Befund, der mit der Neutronenspaltung selbst übereinstimmt, wobei ein Teil durch jeden Schlitz geht.

Dr. Stefan Spoonar vom Atominstitut der TU Wien und Co-Autoren verwendeten einen Standard-Strahlteiler, sodass die Neutronen zwei mögliche Wege nehmen konnten. Sie legten ein Magnetfeld an nur einen Pfad an und maßen dann die Wirkung auf den Spin jedes Neutrons.

„Die Ergebnisse zeigen, dass einzelne Partikel auf einem der Pfade auf einen bestimmten Teil des angelegten Magnetfelds treffen, was darauf hinweist, dass ein Teil oder ein Vielfaches des Partikels auf dem Pfad vorhanden ist, bevor die Überlappung der beiden Pfade aufgezeichnet wird“, heißt es in dem Papier . „Einen Weg erhalten haben […] Sie ist kein statistischer Durchschnitt, sondern gilt für jedes einzelne Neutron. “

Schema des Experiments. Ein zweigleisiges Standardexperiment, aber mit Neutronen, nicht Protonen, und einem Magnetfeld in einem Weg, um den Spin des Neutrons zu verändern. Bildnachweis: Lemmel et al./Physical Review Research

Die Arbeit bestätigt eine Behauptung, die Physiker seit fast einem Jahrhundert machen, aber in einer Methode, die viele für unmöglich hielten.

Eine Einführung in Quantenphysik-Kurse beinhaltet normalerweise ein Zwei-Spalt-Experiment, bei dem zwei schmale Lücken in einem Chip hervorgehoben werden, bevor sie auf den dahinter liegenden Bildschirm treffen. In der uns vertrauten Welt erzeugt Wasser, das durch zwei solche Schlitze fließt, ein Interferenzmuster, in dem die beiden Wellen interagieren. Währenddessen werden feste Gegenstände, wie zum Beispiel Baseball, durch den einen oder anderen Schlitz passieren und sich nicht mehr gegenseitig stören.

Licht oder subatomare Teilchen kombinieren die beiden. “Beim klassischen Doppelspaltexperiment entsteht hinter dem Doppelspalt ein Interferenzmuster”, sagte Spoonar in einer Erklärung. „Die Teilchen bewegen sich gleichzeitig als Welle durch die beiden Spalte, und dann interferieren die beiden Teilwellen miteinander. An manchen Stellen verstärken sie sich gegenseitig, an anderen heben sie sich auf.“

Dies ist eine Demonstration, wie Dinge auf der Ebene sehr kleiner Dinge Teilchen und Wellen sein können.

Physiker demonstrieren diesen Effekt seit Jahrzehnten, indem sie das von der Quelle emittierte Licht auf ein so niedriges Niveau reduzieren, dass jeweils nur ein Photon den Chip erreicht. Wenn dies geschieht, interferiert das Photon mit sich selbst, als ob es mehrere Photonen gäbe, von denen einige durch einen Schlitz und andere durch den anderen gehen, was seine duale Natur beweist. Der gleichzeitige Durchgang eines Photons durch beide Schlitze ist ein Beispiel für Quantenüberlagerung, bei der ein Objekt gleichzeitig an zwei Orten existiert.

Doch gerade als die Schüler entscheiden, dass diese Quantenobjekte nicht so schwer zu verstehen sind, wie ihnen gesagt wird, werden sie von einem Kurvenkick getroffen. Messen Sie den Durchgang und die Überlappung des Photons (zumindest wenn die Messung zuverlässig ist). Der Akt des Beobachtens verändert das Ergebnis. Um dies zu vermeiden und die Überlagerung in Aktion zu erkennen, war eine statistische Analyse erforderlich, wo mehrere Photonen auf dem Bildschirm landen.

Hier ersetzte das Team das Photon durch ein Neutron. Sie behaupteten jedoch, das Neutron gemessen zu haben, ohne dass die Messung die Überlagerung zerstörte. Die fortschrittliche Ausrüstung der Autoren war in der Lage, die Änderung des Spins jedes Neutrons durch das Magnetfeld zu quantifizieren, ohne die Ergebnisse zu verfälschen.

„Bei der Messung eines einzelnen Teilchens zeigt unser Experiment, dass es zwei Wege gleichzeitig zurückgelegt haben muss und bestimmt eindeutig die relevanten Verhältnisse“, sagt Spoonar. Das Experiment würde, wenn es bestätigt wird, die Versuche des hinteren Schutzes beenden, um die Ergebnisse früherer Doppelspaltexperimente zu erklären, ohne auf Überlagerung zurückzugreifen.

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