Kuinka sotkeutua hiukkasiin. Kvanttikietoutuminen yksinkertaisella tavalla. Ihmeet jatkuvat. Bellin epäyhtälöt, epätasa-arvojen kokeelliset testit

• Käännös

Kvanttikietoutuminen on yksi tieteen monimutkaisimmista käsitteistä, mutta sen perusperiaatteet ovat yksinkertaiset. Ja jos ymmärrät sen, sotkeutuminen avaa tien sellaisten käsitteiden parempaan ymmärtämiseen kuin kvanttiteorian monet maailmat.

Lumoava mysteerin aura ympäröi kvanttikietoutumisen käsitettä sekä (jollakin tavalla) siihen liittyvää kvanttiteorian väitettä, jonka mukaan "maailmoja täytyy olla monia". Ja kuitenkin, ytimessään nämä ovat tieteellisiä ideoita, joilla on arkipäiväinen merkitys ja erityisiä sovelluksia. Haluaisin selittää sotkeutumisen ja monien maailmojen käsitteet yhtä yksinkertaisesti ja selkeästi kuin ne itse tunnen.

minä

Kietoutuminen ilmenee tilanteissa, joissa meillä on osittaista tietoa kahden järjestelmän tilasta. Esimerkiksi kahdesta objektista voi tulla järjestelmämme - kutsukaamme niitä kaoneiksi. "K" tarkoittaa "klassisia" objekteja. Mutta jos haluat todella kuvitella jotain konkreettista ja miellyttävää, kuvittele, että nämä ovat kakkuja.

Kaoneillamme on kaksi muotoa, neliö tai pyöreä, ja nämä muodot osoittavat niiden mahdolliset tilat. Sitten kahden kaonin neljä mahdollista yhteistilaa ovat: (neliö, neliö), (neliö, ympyrä), (ympyrä, neliö), (ympyrä, ympyrä). Taulukko näyttää todennäköisyyden, että järjestelmä on jossakin neljästä luetellusta tilasta.

Sanomme, että kaonit ovat "riippumattomia", jos tieto toisen tilasta ei anna meille tietoa toisen tilasta. Ja tällä pöydällä on sellainen ominaisuus. Jos ensimmäinen kaon (kakku) on neliön muotoinen, emme vieläkään tiedä toisen muotoa. Toisaalta toisen muoto ei kerro meille mitään ensimmäisen muodosta.

Toisaalta sanomme, että kaksi kaonia sotkeutuu, jos tiedot toisesta parantavat tietoamme toisesta. Toinen tabletti näyttää meille vahvan sotkeutumisen. Tässä tapauksessa, jos ensimmäinen kaon on pyöreä, tiedämme, että myös toinen on pyöreä. Ja jos ensimmäinen kaon on neliö, niin toinen on sama. Kun tiedämme yhden muodon, voimme yksilöllisesti määrittää toisen muodon.

Kietoutumisen kvanttiversio näyttää itse asiassa samalta - se on riippumattomuuden puutetta. Kvanttiteoriassa tiloja kuvaavat matemaattiset objektit, joita kutsutaan aaltofunktioiksi. Säännöt, jotka yhdistävät aaltofunktioita fysikaalisiin mahdollisuuksiin, synnyttävät erittäin mielenkiintoisia monimutkaisia ​​asioita, joista keskustelemme myöhemmin, mutta klassisen tapauksen osalta osoittamamme sotkeutuneen tiedon peruskäsite pysyy samana.

Vaikka kakkuja ei voida pitää kvanttijärjestelminä, sotkeutuminen kvanttijärjestelmiin tapahtuu luonnollisesti - esimerkiksi hiukkasten törmäysten jälkeen. Käytännössä sotkeutumattomia (riippumattomia) tiloja voidaan pitää harvinaisina poikkeuksina, koska niiden välillä syntyy korrelaatioita järjestelmien vuorovaikutuksessa.

Ajatellaanpa esimerkiksi molekyylejä. Ne koostuvat alajärjestelmistä - erityisesti elektroneista ja ytimistä. Molekyylin minimienergiatila, jossa se yleensä sijaitsee, on elektronien ja ytimen erittäin kietoutunut tila, koska näiden aineosien järjestely ei ole mitenkään riippumaton. Kun ydin liikkuu, elektroni liikkuu sen mukana.

Palataanpa esimerkkiimme. Jos kirjoitetaan Φ■, Φ● aaltofunktioiksi, jotka kuvaavat järjestelmää 1 sen neliömäisessä tai pyöreässä tilassa ja ψ■, ψ● aaltofunktioille, jotka kuvaavat järjestelmää 2 sen neliömäisessä tai pyöreässä tilassa, niin työesimerkissämme voidaan kuvata kaikki tilat , Miten:

Riippumaton: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Sotkeutunut: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Itsenäinen versio voidaan kirjoittaa myös seuraavasti:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Huomaa, kuinka jälkimmäisessä tapauksessa kiinnikkeet erottavat selvästi ensimmäisen ja toisen järjestelmän itsenäisiksi osiin.

On monia tapoja luoda sotkeutuneita tiloja. Yksi on mitata komposiittijärjestelmää, joka antaa sinulle osittaista tietoa. Voidaan esimerkiksi tietää, että kaksi järjestelmää on sopinut olevansa samanmuotoisia tietämättä kumman muodon he ovat valinneet. Tämä käsite tulee tärkeäksi hieman myöhemmin.

Kvanttikietoutumisen tunnusomaisemmat seuraukset, kuten Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) ja Greenberg-Horn-Seilinger (GHZ) -vaikutukset, johtuvat sen vuorovaikutuksesta toisen kvanttiteorian ominaisuuden kanssa, jota kutsutaan "komplementaarisuusperiaatteeksi". Keskustellakseni EPR:stä ja GHZ:stä, haluan ensin esitellä teille tämän periaatteen.

Tähän asti olemme kuvitelleet, että kaoneja on kahta muotoa (neliömäinen ja pyöreä). Kuvittele nyt, että niitä on myös kahdessa värissä - punainen ja sininen. Ottaen huomioon klassiset järjestelmät, esimerkiksi kakut, tämä lisäominaisuus tarkoittaisi, että kaon voi olla jossakin neljästä mahdollisesta tilasta: punainen neliö, punainen ympyrä, sininen neliö ja sininen ympyrä.

Mutta kvanttikakut ovat kvanttikakkuja... Tai kvantteja... Ne käyttäytyvät aivan eri tavalla. Se, että kvantti joissakin tilanteissa voi olla eri muoto ja väri ei välttämättä tarkoita, että sillä on sekä muoto että väri samaan aikaan. Itse asiassa terve järki, jota Einstein vaati fyysiseltä todellisuudesta, ei vastaa kokeellisia tosiasioita, kuten pian näemme.

Voimme mitata kvantonin muodon, mutta menetämme tällöin kaiken tiedon sen väristä. Tai voimme mitata värin, mutta menettää tiedot sen muodosta. Kvanttiteorian mukaan emme voi mitata sekä muotoa että väriä samanaikaisesti. Kenenkään näkemys kvanttitodellisuudesta ei ole täydellinen; on otettava huomioon monia erilaisia ​​ja toisensa poissulkevia kuvia, joista jokaisella on oma epätäydellinen käsityksensä siitä, mitä tapahtuu. Tämä on täydentävyysperiaatteen ydin, sellaisena kuin Niels Bohr sen muotoili.

Tämän seurauksena kvanttiteoria pakottaa meidät olemaan varovaisia ​​määrittäessämme ominaisuuksia fyysiselle todellisuudelle. Kiistan välttämiseksi on tunnustettava, että:

Omaisuutta ei ole, jos sitä ei ole mitattu.
Mittaus on aktiivinen prosessi, joka muuttaa mitattavaa järjestelmää

II

Albert Einstein, Boris Podolsky ja Nathan Rosen (EPR) kuvasivat hämmästyttävää vaikutusta, joka syntyy, kun kaksi kvanttijärjestelmää kietoutuvat. EPR-efektissä yhdistyvät erityinen, kokeellisesti saavutettavissa oleva kvanttisekoittumisen muoto.

EPR-pari koostuu kahdesta kvantista, joista jokainen voidaan mitata muodon tai värin (mutta ei molempien) suhteen. Oletetaan, että meillä on monia tällaisia ​​pareja, ne ovat kaikki samoja, ja voimme valita mitkä mittaukset otamme niiden komponenteille. Jos mittaamme yhden EPR-parin jäsenen muodon, saamme yhtä todennäköisesti neliön tai ympyrän. Jos mittaamme värin, niin samalla todennäköisyydellä saamme punaisen tai sinisen.

Mielenkiintoisia vaikutuksia, jotka vaikuttivat paradoksaalisilta EPR:lle, syntyy, kun mitataan parin molemmat jäsenet. Kun mittaamme molempien osien värin tai muodon, huomaamme, että tulokset aina täsmäävät. Eli jos huomaamme, että yksi niistä on punainen ja sitten mittaamme toisen värin, huomaamme myös, että se on punainen - ja niin edelleen. Toisaalta, jos mitataan toisen muotoa ja toisen väriä, korrelaatiota ei havaita. Eli jos ensimmäinen oli neliö, niin toinen samalla todennäköisyydellä voi olla sininen tai punainen.

Kvanttiteorian mukaan saamme tällaisia ​​tuloksia, vaikka kahta järjestelmää erottaisi valtava etäisyys ja mittaukset tehdään lähes samanaikaisesti. Mittaustyypin valinta yhdessä paikassa näyttää vaikuttavan järjestelmän tilaan muualla. Tämä "pelottava toiminta etäisyydellä", kuten Einstein sitä kutsui, näyttää vaativan tiedon - tässä tapauksessa tiedon suoritetusta mittauksesta - siirtämistä valon nopeutta suuremmalla nopeudella.

Mutta onko se? Ennen kuin tiedän, minkä tuloksen sait, en tiedä mitä odottaa. saan hyödyllistä tietoa kun saan tuloksesi, en kun mittaat. Ja mikä tahansa viesti, joka sisältää saamasi tuloksen, on välitettävä jollain fyysisellä tavalla, valonnopeutta hitaammin.

Lisätutkimuksen myötä paradoksi tuhoutuu entisestään. Tarkastellaan toisen järjestelmän tilaa, jos ensimmäisen mittaus antoi punaisen värin. Jos päätämme mitata toisen kvantonin värin, saamme punaisen. Mutta täydentävyyden periaatteen mukaan, jos päätämme mitata sen muodon sen ollessa "punaisessa" tilassa, meillä on yhtäläiset mahdollisuudet saada neliö tai ympyrä. Siksi EPR:n tulos on loogisesti ennalta määrätty. Tämä on vain kertomus täydentävyysperiaatteesta.

Ei ole paradoksia siinä tosiasiassa, että kaukaiset tapahtumat korreloivat. Loppujen lopuksi, jos laitamme toisen kahdesta hansikasparista laatikoihin ja lähetämme ne planeetan eri osiin, ei ole yllättävää, että yhteen laatikkoon katsomalla voin määrittää, mihin käteen toinen hansikas on tarkoitettu. Samoin kaikissa tapauksissa EPR-parien korrelaatio on kiinnitettävä niihin, kun ne ovat lähellä, jotta ne kestävät myöhemmän erottelun ikään kuin niillä olisi muistia. EPR-paradoksin omituisuus ei ole korrelaation mahdollisuudessa itsessään, vaan sen mahdollisuudessa säilyttää lisäysten muodossa.

III

Jokainen yksittäinen kokeilija saa satunnaisia ​​tuloksia. Mittaamalla kvantin muodon hän saa yhtä suurella todennäköisyydellä neliön tai ympyrän; mittaamalla kvantin värin, hän saa punaisen tai sinisen yhtä suurella todennäköisyydellä. Vaikka kaikki on normaalia.

Mutta kun kokeilijat kokoontuvat yhteen ja vertaavat tuloksia, analyysi paljastaa yllättävän tuloksen. Sanotaan, että kutsumme neliön muotoa ja punaista väriä "hyväksi" ja ympyröitä ja sinistä väriä "pahaksi". Kokeilijat huomaavat, että jos kaksi heistä päättää mitata muodon ja kolmas valitsee värin, joko 0 tai 2 mittausta ovat "pahoja" (eli pyöreitä tai sinisiä). Mutta jos kaikki kolme päättävät mitata värin, joko 1 tai 3 mittausta on paha. Kvanttimekaniikka ennustaa tämän, ja juuri niin tapahtuu.

Kysymys: Onko pahuuden määrä parillinen vai pariton? Molemmat mahdollisuudet toteutuvat eri ulottuvuuksissa. Meidän on hylättävä tämä ongelma. Ei ole mitään järkeä puhua pahuuden määrästä järjestelmässä ottamatta huomioon, miten se mitataan. Ja tämä johtaa ristiriitaisuuksiin.

GHZ-ilmiö, kuten fyysikko Sidney Colman kuvailee, on "isku kvanttimekaniikan kasvoihin". Se rikkoo tavanomaisen, opitun odotuksen, että fysikaalisilla järjestelmillä on ennalta määrätyt ominaisuudet riippumatta niiden mittauksesta. Jos näin olisi, hyvän ja pahan tasapaino ei riippuisi mittaustyyppien valinnasta. Kun hyväksyt GHZ-efektin olemassaolon, et unohda sitä, ja horisonttisi laajenee.

IV

Puhumme "kietoutuneista tarinoista", kun on mahdotonta määrittää järjestelmään tiettyä tilaa kullakin hetkellä. Aivan kuten suljemme pois mahdollisuudet perinteisessä sotkeutumisessa, voimme myös luoda kietoutuneet historiat tekemällä mittauksia, jotka keräävät osittaista tietoa menneistä tapahtumista. Yksinkertaisimmissa sotkeutuneissa tarinoissa meillä on yksi kvantti, jota tutkimme kahdessa eri ajankohdassa. Voimme kuvitella tilanteen, jossa määritämme, että kvanttimme muoto oli molemmilla kerroilla neliö tai molemmilla kerroilla pyöreä, mutta molemmat tilanteet ovat mahdollisia. Tämä on ajallinen kvanttianalogia aikaisemmin kuvattuihin takertumisen yksinkertaisimpiin variantteihin.

Monimutkaisempaa protokollaa käyttämällä voimme lisätä tähän järjestelmään hieman täydentävyyttä ja kuvata tilanteita, jotka aiheuttavat kvanttiteorian "monen maailman" ominaisuuden. Kvantonimme voidaan valmistaa punaisessa tilassa ja sitten mitata ja saada sinisenä. Ja kuten edellisissä esimerkeissä, emme voi pysyvästi osoittaa kvantille värin ominaisuutta kahden ulottuvuuden välillä; sillä ei ole tiettyä muotoa. Tällaiset tarinat ymmärtävät rajoitetulla, mutta täysin kontrolloidulla ja täsmällisellä tavalla kvanttimekaniikan monien maailmojen kuvan luontaisen intuition. Tietty valtio voi jakaantua kahteen ristiriitaiseen historialliseen kehityskulkuun, jotka sitten yhdistyvät uudelleen.

Kvanttiteorian perustaja Erwin Schrödinger, joka oli skeptinen sen oikeellisuudesta, korosti, että kvanttijärjestelmien evoluutio johtaa luonnollisesti tiloihin, joiden mittaaminen voi antaa erittäin erilaisia ​​tuloksia. Hänen ajatuskokeensa "Schrödingerin kissalla" olettaa, kuten tiedätte, kvanttiepävarmuutta, joka on nostettu kissan kuolleisuuteen vaikuttavalle tasolle. Ennen mittaamista on mahdotonta määrittää kissalle elämän (tai kuoleman) omaisuutta. Molemmat tai eivät kumpikaan ovat olemassa yhdessä toisessa maailmassa.

Jokapäiväinen kieli ei sovellu kvanttikomplementaarisuuden selittämiseen osittain siksi, että jokapäiväinen kokemus ei sisällä sitä. Käytännön kissat ovat vuorovaikutuksessa ympäröivien ilmamolekyylien ja muiden esineiden kanssa täysin eri tavoin riippuen siitä, ovatko ne elossa vai kuolleet, joten käytännössä mittaus on automaattinen ja kissa jatkaa elämäänsä (tai ei elä). Mutta tarinat kuvaavat kvantoneja, jotka ovat Schrödingerin pentuja, monimutkaisesti. Heidän Täysi kuvaus edellyttää, että tarkastelemme kahta toisensa poissulkevaa omaisuusrataa.

Kietoutuneiden historian hallittu kokeellinen toteutus on herkkä asia, koska se vaatii osittaisen tiedon keräämistä kvantteista. Perinteiset kvantimittaukset keräävät yleensä kaiken tiedon kerralla - esimerkiksi määrittävät tarkan muodon tai tarkan värin - sen sijaan, että osittaisia ​​tietoja hankittaisiin useita kertoja. Mutta se voidaan tehdä, vaikkakin äärimmäisillä teknisillä vaikeuksilla. Tällä tavoin voimme antaa kvanttiteorian "monien maailmojen" käsitteen leviämiselle tietyn matemaattisen ja kokeellisen merkityksen ja osoittaa sen todellisuuden.

Mitä kvanttimekaniikasta syntyy

Missä on tiheysmatriisi, H on Hamilton-operaattori, ja suluissa on kommutaattori.

Landau vei hänet ulos. Kaikki tiettyyn hiukkaseen liittyvät fyysiset suureet voidaan ilmaista tiheysmatriisina. Tätä tilaa kutsutaan sekoitettuna. Jos meillä on vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten järjestelmä, niin jokainen hiukkanen on sekatilassa. Jos hiukkaset ovat hajallaan pitkiä matkoja ja vuorovaikutus on kadonnut, niiden tila säilyy edelleen sekoitettuna. Jos jokainen useista hiukkasista on puhtaassa tilassa, niin tällaisen järjestelmän aaltofunktio on jokaisen hiukkasen aaltofunktioiden tulos (jos hiukkaset ovat erilaisia. Identtisille hiukkasille, bosoneille tai fermioneille on tehtävä symmetrinen tai antisymmetrinen yhdistelmä, katso, mutta siitä lisää myöhemmin Hiukkasten, fermionien ja bosonien identiteetti on jo relativistinen kvanttiteoria.

Hiukkasparin kietoutunut tila on tila, jossa eri hiukkasiin liittyvien fysikaalisten suureiden välillä on jatkuva korrelaatio. Yksinkertainen ja yleisin esimerkki on, että jokin fyysinen kokonaismäärä on tallennettu, esimerkiksi parin kokonaisspin tai kulmamomentti. Tässä tapauksessa hiukkaspari on puhtaassa tilassa, mutta jokainen hiukkanen on sekoitettuna. Saattaa vaikuttaa siltä, ​​että yhden hiukkasen tilan muutos vaikuttaa välittömästi toisen hiukkasen tilaan. Vaikka he ovat hajallaan eivätkä ole vuorovaikutuksessa, tämä on ilmaistu suosituissa artikkeleissa. Tätä ilmiötä on jo kutsuttu kvanttiteleportaatioksi, ja jotkut lukutaidottomat toimittajat jopa väittävät, että muutos tapahtuu välittömästi, eli se leviää valon nopeutta nopeammin.

Tarkastellaan tätä kvanttimekaniikan näkökulmasta: Ensinnäkin mikä tahansa toiminta tai mittaus, joka muuttaa vain yhden hiukkasen spiniä tai kulmamomenttia, rikkoo välittömästi kokonaisominaisuuden säilymislakia. Vastaava käyttäjä ei voi työskennellä kokonaispyörinnällä tai kokonaiskulmamomentilla. Siten hiukkasparin tilan alkuperäinen kietoutuminen rikotaan. Toisen hiukkasen spin tai momentti ei voi enää olla yksiselitteisesti yhteydessä ensimmäisen hiukkaseen. Voit tarkastella tätä ongelmaa toiselta puolelta. Kun hiukkasten välinen vuorovaikutus on kadonnut, kunkin hiukkasen tiheysmatriisin kehitystä kuvataan omalla yhtälöllään, joka ei sisällä toisen hiukkasen dynaamisia muuttujia. Siksi vaikutus yhteen hiukkaseen ei muuta toisen tiheysmatriisia.

On olemassa jopa Eberhardin lause, jonka mukaan kahden hiukkasen keskinäistä vaikutusta ei voida havaita mittauksilla. Olkoon kvanttijärjestelmä, jota kuvaa tiheysmatriisi. Ja olkoon tämä järjestelmä kahdesta osajärjestelmästä A ja B. Eberhardin lause sanoo, että vain osajärjestelmään A liittyvien havaittavien mittaus ei vaikuta vain osajärjestelmään B liittyvien havaittavien mittaustuloksiin. Lauseen todistuksessa kuitenkin käytetään aaltoa. funktio, jota ei ole todistettu teoreettisesti tai kokeellisesti. Mutta kaikki nämä pohdinnat tehdään ei-relativistisen kvanttimekaniikan puitteissa ja viittaavat erilaisiin, ei identtisiin hiukkasiin.

Nämä argumentit eivät toimi relativistisessa teoriassa, kun kyseessä on identtisten hiukkasten pari. Muistutan vielä kerran, että hiukkasten identiteetti tai erottamattomuus tulee relativistisesta kvanttimekaniikasta, jossa hiukkasten lukumäärä ei säily. Hitaille hiukkasille voidaan kuitenkin käyttää yksinkertaisempaa ei-relativistisen kvanttimekaniikan laitteistoa yksinkertaisesti ottamalla huomioon hiukkasten erottamattomuus. Tällöin parin aaltofunktion tulee olla symmetrinen (bosoneille) tai antisymmetrinen (fermioneille) hiukkasten permutaatioon nähden. Tällainen vaatimus syntyy relativistisessa teoriassa hiukkasten nopeuksista riippumatta. Juuri tämä vaatimus johtaa identtisten hiukkasten parin pitkän kantaman korrelaatioihin. Periaatteessa protoni elektronin kanssa voi olla myös sotkeutuneessa tilassa. Jos ne kuitenkin eroavat useiden kymmenien angströmien verran, vuorovaikutus sähkömagneettisten kenttien ja muiden hiukkasten kanssa tuhoaa tämän tilan. Vaihtovuorovaikutus (kuten tätä ilmiötä kutsutaan) toimii makroskooppisilla etäisyyksillä, kuten kokeet osoittavat. Pari hiukkasia, vaikka hajallaan metreillä, pysyy erottamattomina. Jos teet mittauksen, et tiedä tarkalleen, mihin hiukkaseen mitattava määrä viittaa. Mittaat pari hiukkasta samanaikaisesti. Siksi kaikki upeat kokeet suoritettiin samoilla hiukkasilla - elektroneilla ja fotoneilla. Tarkkaan ottaen tämä ei ole aivan se sotkuinen tila, jota tarkastellaan ei-relativistisen kvanttimekaniikan puitteissa, vaan jotain vastaavaa.

Harkitse yksinkertaisin tapaus on identtisten ei-vuorovaikutteisten hiukkasten pari. Jos nopeudet ovat pieniä, voidaan käyttää ei-relativistista kvanttimekaniikkaa ottaen huomioon aaltofunktion symmetria suhteessa hiukkasten permutaatioon. Olkoon ensimmäisen hiukkasen aaltofunktio , toisen hiukkasen - , missä ja ovat ensimmäisen ja toisen hiukkasen dynaamiset muuttujat, yksinkertaisimmassa tapauksessa vain koordinaatteja. Sitten parin aaltofunktio

+- ja –merkit viittaavat bosoneihin ja fermioneihin. Oletetaan, että hiukkaset ovat kaukana toisistaan. Sitten ne lokalisoidaan syrjäisille alueille 1 ja 2, eli näiden alueiden ulkopuolella ne ovat pieniä. Yritetään laskea ensimmäisen hiukkasen jonkin muuttujan, esimerkiksi koordinaattien, keskiarvo. Yksinkertaisuuden vuoksi voimme kuvitella, että vain koordinaatit tulevat aaltofunktioihin. Osoittautuu, että hiukkasen 1 koordinaattien keskiarvo on alueiden 1 ja 2 VÄLILLÄ, ja se on sama kuin hiukkasen 2 keskiarvo. Tämä on itse asiassa luonnollista - hiukkasia ei voi erottaa, emme voi tietää, minkä hiukkasen koordinaatit mitataan . Yleensä kaikki hiukkasten 1 ja 2 keskiarvot ovat samat. Tämä tarkoittaa, että siirtämällä hiukkasen 1 lokalisaatioaluetta (esimerkiksi hiukkanen lokalisoituu kidehilan vian sisään ja siirrämme koko kiteen) vaikutamme hiukkaseen 2, vaikka hiukkaset eivät ole vuorovaikutuksessa tavallisessa mielessä - esimerkiksi sähkömagneettisen kentän kautta. Tämä on yksinkertainen esimerkki relativistisesta sotkeutumisesta.

Näiden korrelaatioiden vuoksi kahden hiukkasen välillä ei tapahdu välitöntä tiedonsiirtoa. Relativistisen kvanttiteorian laitteisto rakennettiin alun perin siten, että valokartion vastakkaisilla puolilla aika-avaruudessa sijaitsevat tapahtumat eivät voi vaikuttaa toisiinsa. Yksinkertaisesti sanottuna signaali, isku tai häiriö ei voi levitä valoa nopeampi. Molemmat hiukkaset ovat itse asiassa yhden kentän, esimerkiksi elektroni-positronin, tila. Toimimalla kenttään yhdessä pisteessä (hiukkas 1) luomme häiriön, joka etenee kuin aallot vedessä. Ei-relativistisessa kvanttimekaniikassa valon nopeutta pidetään äärettömän suurena, mikä saa aikaan illuusion hetkellisestä muutoksesta.

Tilanne, jossa suurilla etäisyyksillä erotetut hiukkaset pysyvät pareittain sidottuna, vaikuttaa paradoksaalliselta klassisten hiukkasten käsitysten vuoksi. Meidän on muistettava, että todellisuudessa ei ole hiukkasia, vaan kenttiä. Se, mitä pidämme hiukkasina, ovat yksinkertaisesti näiden kenttien tiloja. klassinen esitys hiukkasista on täysin sopimaton mikrokosmukseen. Kysymykset koosta, muodosta, materiaalista ja rakenteesta heräävät välittömästi. alkuainehiukkasia. Itse asiassa klassisen ajattelun kannalta paradoksaalisia tilanteita syntyy myös yhden partikkelin kanssa. Esimerkiksi Stern-Gerlachin kokeessa vetyatomi lentää epähomogeenisen magneettikentän läpi, joka on suunnattu kohtisuoraan nopeuteen nähden. Ytimen spin voidaan jättää huomiotta ydinmagnetonin pienuuden vuoksi, olkoon elektronin spin aluksi suunnattu nopeutta pitkin.

Atomin aaltofunktion kehitystä ei ole vaikea laskea. Alkuperäinen paikallinen aaltopaketti jakautuu kahteen identtiseen osaan, jotka lentävät symmetrisesti kulmassa alkuperäiseen suuntaan. Toisin sanoen atomi, raskas hiukkanen, jota yleensä pidetään klassisena, jolla on klassinen liikerata, on jakautunut kahdeksi aaltopaketiksi, jotka voivat sirota melko makroskooppisille etäisyyksille. Samalla totean, että laskelmasta seuraa, että edes ihanteellinen Stern-Gerlach-koe ei pysty mittaamaan hiukkasten spiniä.

Jos ilmaisin sitoo vetyatomin esimerkiksi kemiallisesti, niin "puolikkaat" - kaksi hajallaan olevaa aaltopakettia - kerätään yhdeksi. Se, miten tällainen tahriintuneen hiukkasen lokalisointi tapahtuu, on erikseen olemassa oleva teoria, jota en ymmärrä. Kiinnostuneet voivat löytää laajaa kirjallisuutta tästä aiheesta.

Johtopäätös

Kirjallisuus
1. Landau, L. D., Lifshits, E. M. Kvanttimekaniikka (ei-relativistinen teoria). - 3. painos, tarkistettu ja laajennettu. - M.: Nauka, 1974. - 752 s. - ("Teoreettinen fysiikka", osa III).
2. Eberhard, P.H., "Bell's theorem and the different concepts of nonlocality", Nuovo Cimento 46B, 392-419 (1978)

kvanttikettuminen

Kvanttikietoutuminen on tulevaisuuden teknologioiden, kuten kvanttitietokoneen ja kvanttisalauksen perusta, ja sitä on käytetty myös kvanttiteleportaatiokokeissa. Teoreettisesti ja filosofisesti tämä ilmiö on yksi kvanttiteorian vallankumouksellisimmista ominaisuuksista, koska voidaan nähdä, että kvanttimekaniikan ennustamat korrelaatiot ovat täysin ristiriidassa käsitteiden kanssa ilmeisen ilmeisestä todellisen maailman paikallisuudesta, jossa tietoa Tietoja järjestelmän tilasta voidaan välittää vain sen välittömän ympäristön kautta. Erilaiset näkemykset siitä, mitä kvanttimekaanisen kietoutumisprosessin aikana todella tapahtuu, johtavat erilaisiin tulkintoihin kvanttimekaniikasta.

Tausta

Vuonna 1935 Einstein, Podolsky ja Rosen muotoilivat kuuluisan Einstein-Podolsky-Rosen-paradoksin, joka osoitti, että kvanttimekaniikasta tulee ei-paikallinen teoria yhteyksien vuoksi. Tiedämme, kuinka Einstein pilkkasi yhteyksiä ja kutsui sitä "painajaistoiminnaksi etänä". Luonnollisesti ei-paikallinen liitettävyys kumosi TO:n postulaatin valon nopeuden (signaalin lähetyksen) rajoittamisesta.

Toisaalta kvanttimekaniikka on erinomainen ennustamisessa kokeelliset tulokset, ja itse asiassa havaittiin jopa vahvoja korrelaatioita sotkeutumisilmiön vuoksi. On olemassa tapa, joka näyttää onnistuneen selittämään kvanttikietoutumista, "piilotetun muuttujan teorian" lähestymistapaa, jossa tietyt mutta tuntemattomat mikroskooppiset parametrit ovat vastuussa korrelaatioista. Kuitenkin vuonna 1964 J.S. Bell osoitti, että "hyvää" paikallista teoriaa ei voida rakentaa tällä tavalla, eli kvanttimekaniikan ennustama takertuminen voidaan kokeellisesti erottaa tuloksista, joita ennustaa laaja teorialuokka paikallisilla piiloparametreilla. . Myöhempien kokeiden tulokset antoivat hämmästyttävän vahvistuksen kvanttimekaniikasta. Jotkut tarkastukset osoittavat, että näissä kokeissa on useita pullonkauloja, mutta yleisesti hyväksytään, että ne eivät ole merkittäviä.

Yhteydellä on mielenkiintoinen suhde suhteellisuusperiaatteeseen, jonka mukaan tieto ei voi kulkea paikasta toiseen nopeammin kuin valon nopeus. Vaikka kaksi järjestelmää voidaan erottaa toisistaan ​​suurella etäisyydellä ja silti sotkeutua, on mahdotonta välittää hyödyllistä tietoa niiden yhteyden kautta, joten kausaalisuus ei riko sotkeutumisen vuoksi. Tämä tapahtuu kahdesta syystä:
1. kvanttimekaniikan mittaustulokset ovat pohjimmiltaan todennäköisiä;
2. Kvanttitilojen kloonauslause kieltää kietoutuneiden tilojen tilastollisen todentamisen.

Hiukkasten vaikutuksen syyt

Maailmassamme on useiden kvanttihiukkasten erityistiloja - kietoutuneita tiloja, joissa havaitaan kvanttikorrelaatioita (yleensä korrelaatio on satunnaisten yhteensattumien tason yläpuolella olevien tapahtumien välinen suhde). Nämä korrelaatiot voidaan havaita kokeellisesti, mikä tehtiin ensimmäisen kerran yli kaksikymmentä vuotta sitten ja jota käytetään nykyään rutiininomaisesti erilaisissa kokeissa. Klassisessa (eli ei-kvanttimaailmassa) on kahdenlaisia ​​korrelaatioita - kun yksi tapahtuma on syynä toiselle tai kun niillä molemmilla on yhteinen syy. Kvanttiteoriassa syntyy kolmas korrelaatiotyyppi, joka liittyy useiden hiukkasten kietoutuneiden tilojen ei-paikallisiin ominaisuuksiin. Tätä kolmatta korrelaatiotyyppiä on vaikea kuvitella tuttujen kotitalousanalogioiden avulla. Tai kenties nämä kvanttikorrelaatiot ovat seurausta jostain uudesta, toistaiseksi tuntemattomasta vuorovaikutuksesta, jonka ansiosta kietoutuvat hiukkaset (ja vain ne!) vaikuttavat toisiinsa?

On heti syytä korostaa tällaisen hypoteettisen vuorovaikutuksen "poikkeavuutta". Kvanttikorrelaatioita havaitaan, vaikka kahden suuren etäisyyden päässä toisistaan ​​erotetun hiukkasen havaitseminen tapahtuisi samanaikaisesti (kokeellisten virheiden rajoissa). Tämä tarkoittaa, että jos tällaista vuorovaikutusta tapahtuu, sen on edettävä laboratorion viitekehyksessä erittäin nopeasti, superluminaalisella nopeudella. Ja tästä seuraa väistämättä, että muissa viitekehyksessä tämä vuorovaikutus on yleensä välitöntä ja vaikuttaa jopa tulevaisuudesta menneisyyteen (vaikka kausaalisuuden periaatetta rikkomatta).

Kokeen ydin

Kokeen geometria. Sotkeutuneita fotoneja syntyi Genevessä, minkä jälkeen fotonit lähetettiin samanpituisia valokaapeleita pitkin (merkitty punaisella) kahteen vastaanottimeen (merkitty kirjaimilla APD), jotka olivat 18 km:n päässä toisistaan. Kuva kyseisestä Nature-artikkelista

Kokeen idea on seuraava: luomme kaksi sotkeutunutta fotonia ja lähetämme ne kahteen ilmaisimeen mahdollisimman kaukana toisistaan ​​(kuvatussa kokeessa kahden ilmaisimen välinen etäisyys oli 18 km). Tässä tapauksessa teemme fotonien polut ilmaisimiin mahdollisimman identtisiksi, jotta niiden havaitsemishetket ovat mahdollisimman lähellä. Tässä työssä havaintohetket osuivat yhteen noin 0,3 nanosekunnin tarkkuudella. Kvanttikorrelaatioita havaittiin edelleen näissä olosuhteissa. Joten jos oletetaan, että ne "toimivat" edellä kuvatun vuorovaikutuksen vuoksi, sen nopeuden tulisi ylittää valon nopeus satatuhatta kertaa.
Itse asiassa sama ryhmä teki tällaisen kokeen aiemmin. Tämän työn uutuus on vain se, että kokeilu kesti pitkään. Kvanttikorrelaatioita havaittiin jatkuvasti, eivätkä ne hävinneet mihinkään aikaan päivästä.
Miksi se on tärkeää? Jos jokin media kantaa hypoteettista vuorovaikutusta, tällä välineellä on erottuva viitekehys. Maan pyörimisestä johtuen laboratorion viitekehys liikkuu tämän vertailukehyksen suhteen eri nopeuksilla. Tämä tarkoittaa, että kahden fotonin havaitsemistapahtuman välinen aikaväli on erilainen tälle väliaineelle koko ajan vuorokaudenajasta riippuen. Erityisesti tulee hetki, jolloin nämä kaksi tapahtumaa tälle ympäristölle näyttävät olevan samanaikaisia. (Tässä on muuten käytetty suhteellisuusteorian tosiasiaa, että kaksi samanaikaista tapahtumaa ovat samanaikaisia ​​kaikissa inertiavertailukehyksissä, jotka liikkuvat kohtisuorassa niitä yhdistävään linjaan nähden).

Jos kvanttikorrelaatiot suoritetaan edellä kuvatun hypoteettisen vuorovaikutuksen vuoksi ja jos tämän vuorovaikutuksen nopeus on äärellinen (vaikka se olisi mielivaltaisen suuri), niin korrelaatiot katoaisivat tällä hetkellä. Siksi jatkuva korrelaatioiden tarkkailu päivän aikana sulkee tämän mahdollisuuden täysin. Ja tällaisen kokeen toistaminen eri vuodenaikoina sulkee tämän hypoteesin jopa äärettömän nopealla vuorovaikutuksella omassa, valitussa viitekehyksessään.

Valitettavasti tätä ei saavutettu kokeen epätäydellisyyden vuoksi. Tässä kokeessa, jotta voidaan sanoa, että korrelaatioita todella havaitaan, signaalia on kerättävä useiden minuuttien ajan. Korrelaatioiden katoamista, esimerkiksi 1 sekunniksi, tämä kokeilu ei voinut huomata. Tästä syystä kirjoittajat eivät kyenneet sulkemaan hypoteettista vuorovaikutusta kokonaan, vaan saivat vain rajan sen etenemisnopeudelle valitsemassaan viitekehyksessä, mikä tietysti alentaa suuresti saadun tuloksen arvoa.

Voi olla...?

Lukija voi kysyä: jos yllä kuvattu hypoteettinen mahdollisuus kuitenkin toteutuu, mutta kokeilussa se yksinkertaisesti jätettiin huomiotta sen epätäydellisyyden vuoksi, tarkoittaako tämä, että suhteellisuusteoria on väärä? Voidaanko tätä vaikutusta käyttää superluminaaliseen tiedonsiirtoon tai jopa liikkumiseen avaruudessa?

Ei. Rakentamisen edellä kuvattu hypoteettinen vuorovaikutus palvelee ainoaa tarkoitusta - nämä ovat "vaihteet", jotka saavat kvanttikorrelaatiot "toimimaan". Mutta on jo todistettu, että kvanttikorrelaatioiden avulla on mahdotonta välittää tietoa valonnopeutta nopeammin. Siksi kvanttikorrelaatioiden mekanismista riippumatta se ei voi rikkoa suhteellisuusteoriaa.
© Igor Ivanov

Katso vääntökentät.
Hienovaraisen maailman perusteet - fyysiset tyhjiö- ja vääntökentät. 4.

kvanttikettuminen.

Copyright © 2015 Ehdoton rakkaus

Kvanttikietoutuminen, kvanttimekaniikan moniselitteisin ilmiö, jota Albert Einstein kutsui "fantomitoiminnaksi etäisyydellä", saattaa olla jopa "sekavampi" kuin väitetään. moderneja teorioita. Washingtonin ja New Yorkin yliopistojen fyysikot uskovat, että tämä ilmiö liittyy madonreikiin - aika-avaruuden hypoteettisiin piirteisiin, jotka nykyaikaisen tieteiskirjallisuuden mukaan voivat tarjota nopean siirtymisen universumin osasta toiseen.

Kvanttikietoutuminen on ilmiö, jossa usean kappaleen järjestelmän kvanttitilat liittyvät toisiinsa. Tämä yhteys säilyy, vaikka kohteet eroavat toisistaan ​​sellaisilla etäisyyksillä, että niiden välillä ei synny tunnettuja vuorovaikutuksia. Fyysisessä käsitteessä on myös lyhyen ja pitkän kantaman käsitteitä. Lyhyen kantaman teorian mukaan kappaleiden välinen vuorovaikutus välittyy jonkin kolmannen linkin avulla ja äärellisellä nopeudella. Esimerkiksi sähkömagneettinen vuorovaikutus sähkömagneettisen kentän avulla. Pitkän kantaman vuorovaikutuksen teorian mukaan kohteiden välinen vuorovaikutus välittyy ilman lisäelementtiä, tyhjyyden kautta ja millä tahansa etäisyydellä. Vuorovaikutus tapahtuu tässä tapauksessa äärettömän suurella nopeudella. Esimerkkinä voidaan ottaa voima painovoima Newtonin painovoimateoriasta.

Kvanttikietoutumisen seurauksena ryhmä hiukkasia vuorovaikuttaa tavoilla, jotka sanelevat yhden hiukkasen käyttäytymisen suhteessa muiden käyttäytymiseen. Esimerkiksi sotkeutuneiden hiukkasten parissa, jos toisessa hiukkasessa havaitaan tietty spin, toisessa hiukkasessa havaitaan päinvastainen. Einstein kutsui tällaista vuorovaikutusta aavemaiseksi juuri sen kietoutumisen jatkumisen vuoksi riippumatta siitä, kuinka kaukana toisistaan ​​hiukkaset ovat. Jos yhden hiukkasen käyttäytyminen muuttuu, muuttuu myös siihen liittyvän hiukkasen käyttäytyminen.

Madonreikä kahden mustan aukon välissä. Lähde: Alan Stonebraker/American Physical Society

Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että niin kutsuttujen madonreikien piirteet ovat samat, jos kaksi mustaa aukkoa on aiemmin kietoutunut ja erotettu toisistaan ​​tietyllä etäisyydellä. Vaikka mustat aukot olisivat maailmankaikkeuden vastakkaisissa päissä, madonreikä voisi yhdistää ne. Mutta olivatpa mustat aukot yhtä pieniä kuin atomi tai suurempia kuin aurinkomme (jota havaitaan kaikkialla universumissa), niiden painovoima on niin voimakas, että edes valo ei pääse pakoon painovoiman otteesta. Jos kaksi mustaa aukkoa kietoutuisivat, niin ensimmäisen mustan aukon tapahtumahorisontin ulkopuolella oleva henkilö ei vieläkään voisi tietää, mitä tapahtuu toisen mustan aukon tapahtumahorisontin takana. Voidakseen kommunikoida toisessa päässä olevan henkilön kanssa, molempien on mentävä mustiin aukkoihinsa. Silloin ympäröivä tila on sama.