А.Н. Матвеев - Атомная физика (1120551), страница 115

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 115)

Из (76.17) следует, что лишь при О = я/4 результаты измерений абсолютно не коррелированы. Теперь можно понять физический смысл утверждения, что направления линейной поляризации каждого фотона пары одинаковы, хотя и невозможно характеризовать направление линейной поляризации каждого фотона каким-то определенным направлением в пространстве. Физический смысл этого утверждения состоит в том, что при О = О измерение поляризаций пары фотонов дает всегда либо (+,+), либо ( —,— ) и никогда 1 77. Корреляционные эксперименты 423 (+,— ) нлн ( —, +). Этот результат не изменяется при вращении анализаторов вокруг направления движения фотонов при сохранении неизменной нх взаимной ориентации (О = О). Вероятности результатов (+,+) и ( —,— ) одинаковы н Равны 1уз2. 77.

Корреляционные эксперименты Описываются эксперименты по измерению «орревяппн пояяризапий с помощью одноканальных и Пвуккавальнык анализаторов. Возбуждение источника каскадного излучения пар фотонов. Перевод атомов кальция на верхний возбужденный уровень ооз (см. рис. 152) осупуествлялся прямым двухфотонным возбуждением посредством двух лазеров: криптонового лазера с ) = = 406 нм и перестраиваемого лазера с ). = 581 нм, настроенного на резонанс для двухфотонного процесса. Излучение лазеров имеет параллельную поляризацию и фокусируется на пучок атомов кальция. Мощность каждого лазера составляла несколько десятков милливатт, а их излучение фокусировалось на площадь менее 0,01 мм' атомного пучка с концентрацией примерно 10'о атомов/смэ. При этих условиях частота каскадных переходов, при которых излучаются пары фотонов, превосходит 1О' каскадов/с. Была обеспечена также высокая стабильность частоты каскадных переходов (лучше чем 1;Уо в течение нескольких часов).

Такой совершенный источник излучения был создан Аспектом и его сотрудниками к началу 80-х годов и позволил осуществить наиболее точные и надежные эксперименты по исследованию квантовых корреляций поляризации фотонов, которые завершили серию работ в этом паправле- нии, начатых во второй половине 60-х годов Клаузером и его сотрудниками. Эксперименты с одноканальными анализаторами. Измерение поляризации феона производится посредством фиксации его выхода из соответствующего канала анализатора с помощью фотоэлектронного умно- жителя и электронной схемы.

Для анализа корреляций ФЭУ подключаются в схему совпадений регистрации фотонов, поступающих в соответствующие каналы анализатора. На рнс. 156 показана схема эксперимента с двухканальными анализаторами. Схема эксперимента с одноканальными анализаторами, с которого целесообразно начать обсужде-.

ния, аналогична, надо лишь после каждого из анализаторов устранить один из ФЭУ и соответствующую часть электрической схемы. Будем для определенности считать, что регистрируются фотоны, попадающие в каналы + 1, имеющие эквивалентное значение в анализаторах, т.е. при параллельности векторов а и Ь проходящие через канал анализатора фотоны имеют параллельную поляризацию. Реальный эксперимент отличается от идеального в первую очередь тем, что вместо бесконечно малого телесного угла, в котором регистрируются фотоны, необходимо для повышения эффективности системы регистрировать фотоны, испускаемые источником в возможно больший телесный угол. Как показывает теория и свидетельствует эксперимент, поляризация фотонов заметно не изменяется даже при углах 50 — 60' к оси и поэтому можно использовать лля эксперимента большие телесные углы. В реальных условиях использовались углы около 30'.

Источник пар фотонов располагался в фокусе собира- 424 15 Концептуальные вопросы квантовой механики Число дд~,мт детектируемых пар фотонов в единицу времени в зависимости от задержки т между моментами детектирования двух фо. тонов 0' 0 90 100 2УО 060 Результаты эксперимента с одноканальными анализаторами Схема эксперимента с лвухканальными анали- заторами ющих линз, на выходе из которых фотоны направлялись в анализаторы.

Другие экспериментальные трудности были также успешно преодолены и здесь не обсуждаются. Как следует из (76.16) и (76.13), коэффициент корреляции в эксперименте с одноканальными анализаторами равен 71з = '!з созз8. Если задержка детектирования фотонов больше времени задержки в излучении фогонов пары (в рассматриваемом случае около 5 нс), то в схеме совпадения детектируются фотоны, испускаемые разными а~омами. Эти совпадения чисто случайны и дают постоянный фон совпадений, не зависящий от задержки (рис. 154).

При уменьшении задержки и приближении ее к значению времени жизни промежуточного состояния каскадного перехода начинают детектироваться пары фотонов, испускаемых одним атомом, и число детектируемых в единицу времени пар фотонов резко возрастает (рис. 154).

В качестве истинного значения, характеризующего счет пар фотонов на совпадение, принимается его значение в максимуме за вычетом фона. Результаты эксперимента приведены на рис. 155. Непрерывная кривая представляет результат расчета по квантовой механике с учетом поправок на условия эксперимента (учет неосевых углов излучения и др.). Результаты эксперимента в пределах ошибок эксперимента прекрасно легли на теоретическую кривую, как это схематично показано на рисунке. При обсуждении квантовых корреляций выдвигалось предположение, что они обусловлены некоторым взаимодействием, зависящим от расстояния между точками детектирования. Для проверки справедливости этого 78.

Неравенства Белла и физическая реальност~ предположения измерения коэффициента корреляции были проведены при различных расстояниях между анализаторами. Самое большое расстояние между анализаторами составляло 13 м. Никакого влияния расстояния на корреляцию отмечено не было. Эксперименты с двухканальными анализаторами. Схема эксперимента дана на рис.

156. В четырехканальную схему счета совпадений поступают одновременно сигналы нз ФЭУ всех четырех каналов. Одновременно ведется счет чисел совпадений Х,,(а, Ь), Х (а, Ь), Х„(а, Ь) и Х,(а, Ь), где Хт,(а, Ь)--число пар совпадений фотонов, зарегистрированных в каналах + 1 в левом и правом анализаторах при нх ориентировках а и Ь и т, д. Выразив вероятности Р„(а,Ь) через относительные частоты Х, (а, Ь)2[Х ь „(а,Ь) + Х (а,Ь) + Х э (а,Ь) + Х, (а, Ь)3, можно представйть коэффициент корреляции (76.17) в виде у(а, Ь) = [Х „ (а, Ь) + Х (а, Ь)— — Х ь (а, Ь) — Х , (а, Ь)) [(М, э(а, Ь) + + Х (а, Ь) + Х, (а, Ь) + Х э(а, Ь)1 (77.2) Однако прелставление коэффициента корреляции формулой (77.2), в которой под Х„(а, Ь) понимаются реально измеренные в эксперименте совпадения, вообще говоря, не эквивалентно теоретическому определению (76.17) через вероятности, потому что фотоумножители имеют не очень большую эффективность и в реальном эксперименте детектируется лишь небольшая часть фотонов.

Необходимо убедиться, что величина (77.2) при измеренных в эксперименте значениях Х, э(а, Ь) является хорошим приближением к ее теоретическому значению (76.! 7). Другими сло- 23 2!9 вами, необхолнмо допустить, что множество фактически Летектированных пар фотонов служит хорошим представлением всех испущенных пар фотонов. Такое допущение весьма разумно для симметричной схемы, в которой результаты измерений + 1 и — 1 имеют эквивалентное друг другу значение. Во время корреляционных измерений было проверено„что сумма Х,,(а,Ь) + Х (а,Ь)+ Х, (а,Ь)+ + Х, (а, Ь) постоянна при изменении ориентаций анализаторов и постоянной интенсивности источника. Этот результат показывае~, что множество детектируемых пар фотонов постоянно и подтверждает допущение о хорошем представительстве этим множеством всех пар испущенных фотонов. Результаты эксперимента оказались в великолепном согласии с предсказаниями квантовой механики, описываемыми формулой (76.!7).

Этн эксперименты еще раз подтвердили реальность квантовых корреляций, которые невозможно понять в рамках представлений доквантовой физики, а в квантовой физике опи выступают на уровне основополагающего факта, не подлежащего более глубокому анализу. 78. Неравенства Белла и физическая реальность Дается вывод неравенства Белла, описываются эксперименты по проверке и обсуждаются выводы нэ результатов экснерпменюв Локальный характер законов классической физики. Пожалуй, самым фундаментальным глобальным результатом более чем двухтысячного периода развития классической физики является вывод о том, что законы классической физики имеют локальный характер и их научная 426 1о Концептуальные вопросы квантовой механики количественная формулировка возможна лишь в виде локальных количественных соотношений, относящихся к одной и той же пространственно-временной точке.

Локальная формулировка теории имеет преимущественно дифференциальную форму, но не сводится к ней. Дифференциальная формулировка законов может быть с помощью чисто математических теорем выражена также и в виде интегральных соотношений, но это не изменяе~ локального характера фундаментальных законов физики. Вывод о локальности физических законов имеет большую эвристическую силу, позволяя отвергнуть как несостоятельные физические утверждения, не согласующиеся с этим выводом, и очи~ать более вероятными согласующиеся с ним. Например, не согласуется с требованием локальности теория дальнодействия; электро- динамика с запаздывающими потенциалами, скорость распространения которых зависит от скорости источника (Ритц), не может быть сформулирована в дифференциальной форме и должна быть отвергнута; полевая точка зрения на взаимодействия получила решительный перевес именно благодаря требованию локальности теории и т.д.

Характеристики

Список файлов книги