Одна из самых странных демонстраций в физике: если «пометить» щель поляризатором, интерференция исчезает — как будто фотон «знает», что его путь известен. Третий поляризатор под 45° «стирает» информацию о пути — интерференция возвращается.
Эксперимент воспроизводит принцип квантового стирания с запаздывающим выбором Вилера (1978) в «мягкой» форме, допустимой без детекторов одиночных фотонов. Видимый результат убедителен, хотя квантовая интерпретация требует осторожности.
Безопасность: защити глаза
Лазер прямо в зрачок повреждает сетчатку быстрее, чем срабатывает моргательный рефлекс. Восстановления нет.
- Никогда не направляй лазер на людей, животных, в зеркала и блестящие поверхности.
- Никогда не смотри в луч, даже на отражение от стекла, экрана смартфона или металла.
- Используй защитные очки, подобранные под длину волны лазера: для зелёного 532 нм — оранжево-красные стёкла (OD ≥ 4), для красного 650 нм — сине-зелёные, для фиолетового 405 нм — жёлтые. Универсальных очков «для любого лазера» не бывает.
- Для бытовых указок до 1 мВт (класс 2) очки желательны. Для зелёных и фиолетовых указок мощностью 5+ мВт очки обязательны — дешёвые указки часто заявлены как «5 мВт», а реально дают 50–200 мВт (класс 3B–4), это ожог сетчатки даже отражённым лучом.
- Расположи установку так, чтобы луч проходил ниже уровня глаз сидящих или выше уровня стоящих. Никогда не на уровне головы.
- Сними часы, кольца, очки в металлической оправе, — случайный отскок луча в глаз через металл реален.
- Экран — матовая белая поверхность (бумага, белёная стена), не глянец.
В школьной лаборатории учитель обязан обеспечить очки и контролировать траекторию луча.
Варианты установки
Волос как препятствие
Самый доступный способ увидеть дифракцию без каких-либо щелей — натянуть человеческий волос поперёк лазерного пучка. По принципу Бабине препятствие даёт ту же картину, что и щель той же ширины. Волос диаметром ~70 мкм при расстоянии до экрана 1 м даёт полосы шириной около 7–8 мм — очень хорошо видно невооружённым глазом.
Для квантового стирания в полном смысле этот вариант не подходит: нет двух раздельных путей, которые можно пометить независимо. Но как первый шаг для демонстрации волновой природы света — идеален.
Двойная щель своими руками
Классический вариант: два параллельных разреза в алюминиевой фольге, наклеенной на чёрный картон. Канцелярский нож с минимальным нажимом даёт щели шириной ~0.1 мм. Расстояние между щелями ~0.3–0.5 мм. При расстоянии до экрана 1.5–2 м полосы составляют 1.5–2.5 мм — достаточно для наблюдения без лупы.
Главная трудность квантового стирания на малых щелях — расстояние между ними слишком мало, чтобы вставить туда раздельные поляризаторы. Решение: взять готовую пластину с щелями с расстоянием d = 1 мм и совместить границу двух кусков поляроидной плёнки (0° и 90°) с серединой между щелями.
Оптическая скамья из алюминиевого профиля
Наиболее удобная и повторяемая установка — оптическая скамья на основе конструкционного алюминиевого профиля. Профиль продаётся погонными метрами в строительных и технических магазинах, а также на маркетплейсах.
Профили бывают разных серий — они отличаются шагом паза и крепежом:
| Серия | Типичные размеры | Ширина паза | Крепёж |
|---|---|---|---|
| 20 | 20×20, 20×40 мм | 6 мм | Т-гайки M5, болты М5×8–10 |
| 30 | 30×30, 30×60 мм | 8 мм | Т-гайки M5–M6, болты М5×10–12 |
Для оптической скамьи удобен профиль 20×40 мм серии 20: достаточно жёсткий, лёгкий, держатели под него широко распространены. Профиль 30×60 массивнее — подходит для тяжёлых компонентов, но STL-моделей под него меньше.
Крепёж (Т-гайки / «сухари»):
Т-гайки бывают двух типов:
- Молоточковые — вставляются с торца профиля, повернуть нельзя после сборки
- Скользящие — вставляются в паз сбоку в любом месте, удобнее для сборки
Т-гайки тоже можно напечатать на 3D-принтере — в интернете есть STL под оба стандарта (паз 6 мм и 8 мм). Для оптической скамьи нагрузки невелики, поэтому PLA вполне достаточно. Удобно, когда нужно быстро напечатать нужное количество, не дожидаясь доставки.
Печатные держатели:
В интернете существуют наборы STL-файлов для печати компонентов оптической скамьи под стандартный алюминиевый профиль. Типичный набор включает:
- держатель лазерного модуля (под диаметр 9–10 мм)
- держатель линзы с вкладышами под разные диаметры
- рамку для фильтров и поляризаторов (листовая плёнка)
- держатель камеры (C-mount)
- поворотный держатель для регулировки угла
Детали печатаются из PLA или PETG, заполнение 20–30%, стенки 3–4 периметра. Поляроидную плёнку нарезают по размеру рамки и фиксируют трением или каплей клея.
Исландский шпат вместо поляризаторов
Исландский шпат (прозрачная разновидность кальцита) — двулучепреломляющий кристалл: он расщепляет луч на два с взаимно перпендикулярными поляризациями прямо внутри. Если поместить кристалл подходящей толщины перед двойной щелью, каждая щель получит свет своей поляризации — маркировка пути произойдёт автоматически, без каких-либо плёнок или точного позиционирования.
Кристаллы исландского шпата продаются как минералогические образцы (10–200 г). Для опыта нужна плоскопараллельная пластина толщиной 5–15 мм — её можно аккуратно сколоть или заказать у поставщиков оптических компонентов.
Угловое расщепление луча зависит от толщины кристалла; для типичного образца при толщине 10 мм два пучка расходятся примерно на 0.1–0.3 мм — как раз порядок расстояния между щелями стандартных учебных пластин.
Интерферометр Маха-Цендера
Принципиально другой подход: разделить луч лазера на два пути зеркалами и светоделителями, а не щелями. Расстояние между путями составляет сантиметры — поляризаторы вставляются без труда. Стиратель (поляризатор 45°) добавляется в один из путей перед точкой рекомбинации.
Минимальный набор: два зеркала (можно из DVD-привода), два светоделителя (кубик или полупрозрачная пластина под 45°), два держателя на оптической скамье. Установка требует точной юстировки — это отдельная учебная задача, но зато нет проблемы с «как вставить поляризатор в щель 0.2 мм».
Вопросы для обсуждения
- Поляризатор «помечает» щель — фотон «знает», через какую щель прошёл, и интерференция исчезает. Но что именно означает слово «знает» применительно к фотону? Нарушает ли это реалистическое понимание физики?
- Третий поляризатор под 45° «стирает» информацию о пути и возвращает интерференцию. Почему недостаточно просто убрать маркирующий поляризатор? Что принципиально отличает «стирание» от «отсутствия маркировки»?
- Вилер предложил версию с запаздывающим выбором: решение о стирании информации принимается уже после того, как фотон «прошёл» через щели. Как это возможно? Какую интерпретацию вы предпочитаете — копенгагенскую, многомировую или другую?
- В домашней версии используются классические лазерные пучки, а не одиночные фотоны. Можно ли назвать этот опыт «квантовым»? Что теряется при переходе от одиночных фотонов к пучку?
- Аспект и соавторы в 1982 году нарушили неравенства Белла с запутанными фотонами — показали, что квантовая механика нелокальна. Связан ли квантовый ластик с нелокальностью, или это независимое явление?