Biasanya diyakini bahwa pengukuran kuantum memengaruhi objek yang diukur - ia beralih dari keadaan tak tentu ke keadaan tertentu, seperti dalam fisika kuantum, superposisi keadaan "runtuh" menjadi satu keadaan eigen. Namun, hanya sedikit orang yang berpikir tentang fakta bahwa pengukuran juga dapat merusak informasi kuantum.
Bayangkan diri Anda sebagai seorang ilmuwan yang mencoba memahami realitas pada tingkat fundamental. Bagaimana Anda menangani masalah ini? Anda akan mencoba memecah materi menjadi komponen kecil yang lebih mudah dipelajari. Anda akan merancang eksperimen untuk menguji dan mengukur sifat partikel subatom kecil ini di berbagai keadaan. Jika Anda benar-benar pintar, Anda akan mencoba menggunakan sifat yang Anda ukur untuk memahami hukum alam semesta.
Anda mungkin memutuskan bahwa dengan pengukuran yang cukup, atau eksperimen yang cukup, Anda dapat menemukan apa pun yang Anda inginkan tentang partikel (atau kelompok partikel) di seluruh alam semesta. Harapan serupa juga umum di antara para ilmuwan pada awal abad ke-20. Tapi ternyata alam semesta kuantum memiliki usulan lain untuk kita. Pengukuran tertentu benar-benar meniadakan informasi yang Anda terima dalam pengukuran sebelumnya. Rupanya, tindakan pengukuran memang merusak informasi. Dan inilah cara kami mengetahuinya.
Operasi matematika tertentu, seperti penjumlahan atau perkalian, tidak bergantung pada urutan tindakan - operasi tersebut bersifat komutatif. Jika urutan operasi penting, dan hasilnya bergantung padanya, maka operasi tersebut disebut non-komutatif. Dalam dunia fisika, hal ini sangat penting.
Secara teori, cerita dimulai dengan ide matematika sederhana: konsep komutatif. Komutatifitas adalah saat Anda dapat mengatur ulang bagian di beberapa tempat tanpa mengubah hasilnya. Penjumlahan bersifat komutatif: 2 + 3 = 3 + 2. Hal yang sama berlaku untuk perkalian: 2 × 3 = 3 × 2. Pengurangan tidak komutatif: 2 - 3 ≠ 3 - 2; Anda perlu menambahkan tanda kurang di sebelah kanan agar ekspresi menjadi benar. Pembagian juga tidak komutatif, dan semuanya menjadi sedikit lebih rumit dengan itu: 2 ÷ 3 ≠ 3 ÷ 2; salah satu bagian harus dibalik agar sama dengan yang lain.
Dalam fisika, pergantian mengacu tidak hanya pada operasi matematika, tetapi juga pada manipulasi atau pengukuran fisik. Contoh sederhana: rotasi. Kita dapat mengambil objek yang berbeda dalam ketiga dimensi - misalnya, ponsel - dan melakukan dua rotasi satu demi satu:
- memegang benda di depan Anda, putar 90 ° berlawanan arah jarum jam relatif terhadap sumbu yang diarahkan ke Anda;
- putar objek yang sama 90 ° searah jarum jam di sekitar sumbu vertikal.
Beberapa orang mungkin terkejut bahwa urutan putaran ini dilakukan penting.
Ponsel penulis sebelumnya, dari era sebelum smartphone, menggambarkan non-komutatifitas rotasi dalam ruang tiga dimensi. Baris atas dan bawah, dari kiri ke kanan, dimulai dari posisi yang sama. Di bagian atas, mengikuti rotasi berlawanan arah jarum jam 90 ° di bidang foto, diikuti rotasi 90 ° searah jarum jam di sekitar sumbu vertikal. Di bagian bawah, dua putaran yang sama dibuat dengan urutan berbeda. Non-komutatifitas rotasi terlihat jelas.
Ide non-komutativitas muncul bahkan di dunia fisika klasik, tetapi penerapannya yang paling terkenal berkaitan dengan dunia kuantum dalam bentuk prinsip ketidakpastian Heisenberg... Di dunia klasik kita, kita dapat mengukur banyak properti suatu objek pada waktu tertentu. Letakkan sebuah benda di atas timbangan dan ukur massanya [berat / perkiraan. per.]. Pasang sensor gerak dan ukur momentumnya. Bidik dengan laser dan ukur lokasinya. Kirimkan ke kalorimeter dan ukur energinya. Nyalakan pengatur waktu saat objek bergetar dan dapatkan periode goyangan.
Di alam semesta kuantum, banyak pengukuran ini valid, tetapi hanya saat Anda membuatnya - dan tidak selamanya. Intinya adalah bahwa properti kuantum tertentu yang dapat Anda ukur - pasangan kuantitas yang disebut variabel konjugasi - terkait satu sama lain. Jika Anda mengukur momentum dengan akurasi tertentu, Anda tidak dapat mengetahui lokasi partikel lebih akurat daripada dengan kesalahan tertentu - bahkan jika sebelumnya Anda mengukur lokasi ini dengan jauh lebih akurat.
Ketidakpastian yang melekat pada dunia kuantum antara lokasi dan momentum. Semakin baik Anda mengetahui lokasi sebuah partikel, semakin sedikit Anda mengetahui momentumnya - dan sebaliknya. Lokasi dan momentum lebih baik dijelaskan dengan fungsi gelombang probabilistik daripada dengan nilai tunggal.
Banyak yang merasa sulit menerima prinsip ketidakpastian, namun alam semesta tampaknya mendukungnya. Ini juga berlaku untuk pasangan variabel konjugasi lainnya:
- lokasi (Δx) dan momentum (Δp),
- energi (ΔE) dan waktu (Δt),
- potensial listrik, atau tegangan (Δφ) dan muatan listrik gratis (Δq),
- momentum sudut (ΔL) dan orientasi, atau posisi sudut (Δθ).
Namun, jika Anda benar-benar perlu mendemonstrasikan kebutuhan fisik, Anda harus mendapatkan bukti eksperimental untuk mendukungnya. Tidaklah cukup hanya dengan mengatakan "Saya tidak tahu seberapa akurat pengukuran saya". Anda perlu menemukan cara untuk menunjukkan bahwa informasi yang Anda terima pada pengukuran sebelumnya dengan akurasi tertentu dihancurkan oleh pengukuran selanjutnya.
Dan pada tahun 1921, fisikawan Otto Stern menemukan cara yang cerdik untuk menguji ini.
Partikel individu dan komposit dapat memiliki momentum sudut orbital dan intrinsik (spin). Ketika partikel-partikel ini memiliki muatan listrik intrinsik atau intrinsik, momen magnetik muncul yang menyebabkan mereka membelokkan sejumlah tertentu di hadapan medan magnet.
Katakanlah Anda memiliki partikel kuantum - elektron, proton, inti komposit (benda yang terdiri dari proton dan neutron terikat), atau bahkan atom netral dengan inti dan elektron berputar di sekitarnya. Objek semacam itu memiliki beberapa sifat kuantum yang melekat di dalamnya: massa, muatan listrik, dll. Secara teori, ia juga harus memiliki momentum sudut - tidak hanya karena fakta bahwa ia berputar di sekitar partikel lain (atau partikel lain berputar di sekitarnya), tetapi juga beberapa momentum sudut internal yang melekat. Properti kuantum dari sebuah objek ini disebut spin [berputar (bahasa Inggris) - untuk memutar / mendekati. per.], dengan analogi dengan bagian atas yang berputar mengelilingi porosnya sendiri.
Jika Anda membayangkan bagian atas, maka Anda dapat langsung menemukan dua cara untuk memutarnya:
- searah jarum jam di sekitar sumbu vertikal,
- atau berlawanan arah jarum jam.
Hidup di dunia tanpa gravitasi (dan tanpa arah yang disukai - yang perannya, dalam kasus kami, dimainkan oleh arah ke pusat Bumi), orang dapat membayangkan rotasinya searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam di sekitar sumbu mana pun di ketiga dimensi. Ini adalah premis kami: gagasan bahwa partikel memiliki putaran, momentum sudut internal. Meskipun pada tahun 1921 masih ada beberapa tahun sebelum George Eugene Uhlenbeck dan Samuel Abraham Goudsmit merumuskan hipotesis mereka tentang spin elektron, gagasan ini masih ada dalam "teori kuantum lama" dari Bohr dan Sommerfeld.
Lintasan partikel kuantum yang berputar melewati medan magnet dipengaruhi oleh momen magnet yang terkait dengan spinnya. Dalam teori kuantum, ini berarti spin harus diskrit.
Bagaimana cara mengukur spin partikel kuantum? Bagaimana menentukan apakah spin adalah kuantitas kontinu yang dapat mengambil nilai apa pun dengan cara parameter klasik, atau apakah itu secara inheren kuantum dan diskrit?
Stern menduga bahwa jika kita mengambil medan magnet yang tegak lurus terhadap arah gerak partikel bermuatan dengan spin, medan akan bekerja pada lintasan gerak sesuai dengan momen magnet yang terkait dengan spin. Partikel tanpa spin tidak akan terpengaruh, tetapi partikel dengan spin akan berbelok ke arah medan magnet.
Jika spinnya diskrit, yaitu terkuantisasi, semua partikel yang bergerak dengan kecepatan yang sama harus berada di tempat yang sama. Jika putarannya klasik dan kontinu, partikelnya bisa berada di mana saja.
Berkas partikel yang melewati magnet dapat memberikan hasil kuantum / diskrit (5) untuk momentum sudut partikel, atau klasik / kontinu (4). Eksperimen Stern-Gerlach telah mendemonstrasikan keberadaan beberapa fenomena kuantum yang penting.
Pada tahun 1922, fisikawan Walter Gerlachmengatur tes gagasan Stern dengan mengembangkan eksperimen. Gerlach memulai dengan elektromagnet yang melaluinya seberkas atom perak bergerak, yang dapat dengan mudah dipercepat dengan kecepatan yang sama. Ketika elektromagnet dimatikan, semua atom perak mengenai tempat yang sama pada detektor di sisi lain magnet. Ketika magnet dihidupkan, berkasnya terbelah menjadi dua bagian - separuh atom mengubah lintasannya, menyimpang ke satu arah, separuh di lainnya. Saat ini diketahui bahwa perilaku ini sesuai dengan adanya spin +1/2 dan -1/2 yang berarah paralel atau antiparalel dengan garis medan magnet.
Eksperimen awal ini cukup untuk membuktikan adanya spin yang dikuantisasi menjadi nilai diskrit. Namun, kemampuan lebih jauh dari mekanika kuantum untuk menghancurkan informasi yang diperoleh sebelumnya telah ditunjukkan. Ketika atom perak melewati alat Stern-Gerlach dengan medan magnet dihidupkan, berkas atom dipecah menjadi dua, sesuai dengan putaran partikel.
Oke - bagaimana jika kita melewatkan salah satu bagian balok melalui peralatan Stern-Gerlach lainnya?
Jika Anda menembakkan partikel melalui peralatan Stern-Gerlach, medan magnet akan membagi berkasnya menjadi dua bagian, sesuai dengan opsi putaran yang memungkinkan. Jika aparatus Stern-Gerlach kedua ditempatkan di jalur salah satu bagian berkas, pemisahan tidak akan terjadi lagi, karena properti kuantum partikel ini telah ditentukan.
Jawabannya mungkin mengejutkan Anda: itu semua tergantung ke arah mana magnet itu berorientasi. Jika aparatus Stern-Gerlach pertama diorientasikan, katakanlah, sepanjang sumbu x, maka beberapa partikel akan menuju ke arah + x, dan beberapa - di sepanjang arah –x. Mari berkonsentrasi pada yang pertama. Jika Anda melewatkannya melalui magnet lain dengan orientasi sepanjang sumbu x, partikel tidak akan terpisah - mereka semua akan tetap berorientasi pada arah + x.
Tetapi jika Anda mengarahkan medan magnet kedua di sepanjang sumbu y, hasilnya mungkin mengejutkan Anda. Sekarang berkas partikel, yang awalnya berorientasi pada arah + x, akan terbelah sepanjang sumbu y: separuh akan menuju ke arah + y, dan yang lainnya menuju arah –y.
Kemudian tibalah saat kritis: apa yang terjadi jika kita hanya berkonsentrasi pada partikel + y, dan melewatinya lagi melalui medan magnet yang berorientasi sepanjang sumbu x?
Jika Anda melewatkan satu set partikel melalui peralatan Stern-Gerlach satu kali, mereka akan terpisah menurut putarannya. Jika Anda melewatkannya melalui magnet kedua yang tegak lurus, keduanya akan terpisah ke arah yang baru. Jika Anda menggunakan magnet ketiga yang sejajar dengan yang pertama, mereka akan terpisah lagi - yang berarti bahwa informasi yang ditentukan sebelumnya kembali menjadi acak karena pengukuran terbaru.
Mereka akan kembali, seperti pertama kali, membelah sepanjang arah + x dan –x. Dengan melewatkannya melalui magnet kedua, dengan orientasi tegak lurus, Anda telah menghancurkan informasi yang diperoleh pada pengukuran pertama. Hari ini kami memahami bahwa arah x, y, dan z tidak bolak-balik satu sama lain. Pengukuran kuantum variabel satu jenis menghancurkan semua informasi sebelumnya tentang variabel konjugatnya.
Beberapa peralatan berturut-turut yang membelah partikel kuantum di sepanjang salah satu sumbu menurut putarannya akan membelahnya sepanjang tegak lurus dengan arah sebelumnya, tetapi tidak akan membelah ke arah yang sama.
Eksperimen Stern-Gerlach memiliki satu konsekuensi yang bertahan lama. Pada tahun 1927, telah diperlihatkan bahwa pemisahan terjadi bahkan pada atom hidrogen, yang menunjukkan bahwa mereka memiliki momen magnet bukan nol. Inti atom memiliki momentum sudut kuantum yang melekat, dan mereka juga melakukan fisi di aparatus Stern-Gerlach. Dengan mengubah medan magnet dari waktu ke waktu, para ilmuwan menemukan cara membuat momen magnet mengambil satu keadaan atau lainnya. Ternyata dimungkinkan untuk mendorong transisi antar negara bagian dengan mengubah medan pada waktunya. Ini adalah kelahiran resonansi magnetik, yang sekarang ada di mana-mana di mesin MRI, dan akhirnya mengarah ke jam atom.
- . . . 1937 , , .
Tampaknya tindakan pengukuran dan observasi tidak mempengaruhi hasil percobaan. Gagasan bahwa mengamati suatu sistem mengubah propertinya tampaknya tidak masuk akal. Tetapi di alam semesta kuantum hal ini tidak hanya terjadi - ini telah dibuktikan bahkan sebelum teori itu sepenuhnya terbentuk. Mengukur perputaran sebuah partikel di sepanjang satu arah menghancurkan informasi yang diperoleh sebelumnya tentang dua arah lainnya. Bahkan jika Anda telah mengukurnya sebelumnya dan mengetahuinya dengan tepat, dimensi baru pada dasarnya menghapus (mengacak) informasi yang diperoleh sebelumnya.
Kepada banyak fisikawan yang telah mendengar pernyataan terkenal Einstein bahwa “ Tuhan tidak bermain dadu dengan Semesta"Eksperimen ini pertama-tama harus muncul dalam pikiran sebagai contoh tandingan. Tidak peduli seberapa baik Anda berpikir Anda memahami kenyataan. Tidak peduli seberapa akurat dan menyeluruh Anda mengukurnya dengan cara yang berbeda. Setiap pengukuran secara inheren mengacak sepotong informasi. Dimensi baru benar-benar menghancurkan informasi lama Yang dibutuhkan untuk membuktikan ini adalah magnet dan beberapa partikel.