Соотношение неопределенностей или принцип дополнительности?

Квантовая механика предсказывает, что при определении траектории частицы, прошедшей через две щели, с помощью детектора любого типа интерференционная картина разрушается. Это утверждение - следствие принципа дополнительности, сформулированного Н.Бором. Он гласит: одновременное наблюдение волновых и корпускулярных свойств невозможно.

Однако это утверждение ничего не говорит о том, каков физический механизм потери когерентности. В большинстве мысленных экспериментов интерференция нарушается чисто механическим путем - за счет передачи импульса частице, чья траектория определяется. Величина передаваемого случайным образом импульса при этом ограничена соотношением неопределенностей для координаты и импульса . Физики уже давно задавались вопросом, действительно ли процесс нарушения когерентности пучков всегда связан с передачей импульса частице и принцип дополнительности - лишь следствие соотношения неопределенностей Гейзенберга, или определяющим является именно принцип дополнительности.

Успехи техники лазерного охлаждения атомов и достижения последних лет в квантовой оптике позволили впервые осуществить такого рода эксперименты. Так, с помощью монохроматического пучка атомов натрия экспериментально был реализован мысленный эксперимент Фейнмана, показавший, что попытка определить траекторию атома путем рассеяния фотонов приводит к исчезновению интерференционной картины¹. Весьма впечатляющий эксперимент по проверке основ квантовой механики с помощью атомных пучков провели физики из университета г.Констанц (Германия)². Основная идея состоит в том, что при использовании атомов появляется дополнительная возможность судить об их траектории по их внутреннему состоянию.

Принципиальная схема эксперимента показана на рис.1. Пучок атомов рубидия захватывается в магнитооптическую ловушку, осуществляется его лазерное охлаждение, а затем атомное облако освобождается и падает под действием гравитационного поля. При своем падении атомы проходят последовательно через две стоячие световые волны, образующие периодический потенциал, на котором рассеиваются частицы. Фактически происходит дифракция атомов на синусоидальной дифракционной решетке, аналогично тому, как происходит дифракция света на ультразвуковой волне в жидкости. Падающий пучок A (его скорость в области взаимодействия составляет всего 2 м/с) расщепляется вначале на два пучка B и C, затем попадает на вторую световую решетку, после которой образуются две пары параллельных пучков (D,E) и (F,G). Эти две пары перекрывающихся пучков в дальней зоне образуют стандартную интерференционную картину, соответствующую дифракции атомов на двух щелях, которые расположены на расстоянии d, равном поперечному расхождению пучков после первой решетки.

Рис.1 Схема атомного интерферометра. Пучок холодных атомов рубидия A, приготовленный в магнитооптической ловушке, направляется на стоячую световую волну, где он расщепляется на два пучка - прошедший без взаимодействия прямой пучок C и испытавший брэгговское отражение пучок B. Через время пучки расходятся по горизонтали на величину d. Затем пучки еще раз расщепляются стоячей световой волной на две пары пучков (F,G) и (D,E), которые в дальней зоне образуют интерференционные полосы. Запись информации о траектории атомов производится с помощью микроволнового излучения (частотой ГГц), показанного волнистыми линиями со стрелками.

Практически эксперимент проводился иначе - двух отдельных световых решеток не было. Стоячая световая волна образовывалась в одном и том же резонаторе с помощью импульсного лазера. Протяженность светового поля в вертикальном направлении (направлении движения частиц) была достаточно большой, а длительность импульса от лазера - намного меньше, чем время прохождения атомов через резонатор. Импульсный лазер включался дважды через заданный промежуток времени, и атомы на своем пути дважды встречались со световой решеткой. Поэтому фактическая схема эксперимента полностью соответствует рассмотренной выше принципиальной.

Пространственное распределение атомов рубидия в выходящих пучках регистрировали в дальней зоне: атомы возбуждали резонансным образом с помощью лазера и затем детектировали фотоны флуоресценции. На рис.2 показана картина, получающаяся при двух расстояниях между интерферирующими пучками d=1.3 мкм и 3.1 мкм. Точно такая же интерференционная картина образуется в классических экспериментах по дифракции света на двух щелях, которые проводят студенты в физическом практикуме.

Рис.2 Интерференционные картины в дальней зоне, образованные парами пучков (D,E) и (F,G). Вверху - распределение интенсивности при расхождении пучков d=1.3 мкм, внизу - при d=3.1 мкм. Штриховыми линиями показаны профили пучков, измеренные независимо. Заметим, что положения интерференционных максимумов в левой части соответствуют интерференционным минимумам в правой и наоборот.

Информация о том, двигался атом по пути B или C, запоминалась по состоянию атомных электронов. Дело в том, что верхний электронный уровень рубидия за счет сверхтонкого взаимодействия расщеплен на два подуровня, соответствующих полному угловому моменту F=2 или 3 (см. рис.3, слева). Обозначим эти состояния как и соответственно. Хорошо известна тонкая структура в спектре излучения натрия (желтый дублет), связанная с небольшим расщеплением его верхнего уровня за счет спин-орбитального взаимодействия - взаимодействия электрона с орбитальным магнитным моментом. Сверхтонкое расщепление намного меньше и обусловлено взаимодействием электронов с магнитным моментом ядра, поэтому энергия, необходимая для возбуждения атома, очень мала, этот переход может быть инициирован микроволновым излучением частотой ГГц.

Вперед