Бөлшектерді қалай шатастыруға болады. Қарапайым тілмен айтқанда кванттық түйісу. Ғажайыптар жалғасуда. Белл теңсіздіктері, теңсіздіктерді эксперименттік сынау

• Аударма

Кванттық шиеленіс ғылымдағы ең күрделі ұғымдардың бірі, бірақ оның негізгі принциптері қарапайым. Ал егер сіз оны түсінсеңіз, түйісу кванттық теориядағы көптеген әлемдер сияқты ұғымдарды жақсырақ түсінуге жол ашады.

Сиқырлы жұмбақ аура кванттық шиеленіс ұғымын, сондай-ақ кванттық теорияның «көп әлемдер» болуы керек деген (әйтеуір) байланысты мәлімдемесін қоршайды. Дегенмен, олардың негізінде бұл күнделікті мағынасы және нақты қолданбалары бар ғылыми идеялар. Мен шиеленіс және көптеген дүниелер ұғымдарын өзім білетіндей қарапайым және түсінікті етіп түсіндіргім келеді.

I

Шатасу екі жүйенің күйі туралы ішінара ақпаратқа ие болған жағдайларда пайда болады. Мысалы, екі нысан біздің жүйеге айналуы мүмкін - оларды каондар деп атаймыз. «K» «классикалық» нысандарды білдіреді. Бірақ егер сіз шынымен нақты және жағымды нәрсені елестеткіңіз келсе, бұл торттар деп елестетіңіз.

Біздің каондар шаршы немесе дөңгелек екі пішінге ие болады және бұл пішіндер олардың мүмкін күйлерін көрсетеді. Сонда екі каонның мүмкін болатын төрт бірлескен күйі болады: (шаршы, шаршы), (шаршы, шеңбер), (шеңбер, шаршы), (шеңбер, шеңбер). Кестеде жүйенің аталған төрт күйдің бірінде болу ықтималдығы көрсетілген.

Егер олардың біреуінің жағдайы туралы білім екіншісінің жағдайы туралы мәлімет бермесе, каондар «тәуелсіз» деп айтамыз. Ал мына кестенің осындай қасиеті бар. Бірінші каон (торт) төртбұрышты болса, екіншісінің пішінін әлі білмейміз. Керісінше, екіншісінің пішіні біріншінің пішіні туралы ештеңе айтпайды.

Екінші жағынан, егер біреуі туралы ақпарат екіншісі туралы білімімізді жетілдірсе, екі каон шиеленіседі деп айтамыз. Екінші планшет бізге күшті шиеленісті көрсетеді. Бұл жағдайда бірінші каон дөңгелек болса, екіншісінің де дөңгелек екенін білеміз. Ал егер бірінші каон шаршы болса, екіншісі де солай болады. Біреуінің пішінін біле отырып, екіншісінің пішінін ерекше анықтай аламыз.

Шатасудың кванттық нұсқасы, шын мәнінде, бірдей көрінеді - бұл тәуелсіздіктің болмауы. Кванттық теорияда күйлер толқындық функциялар деп аталатын математикалық объектілер арқылы сипатталады. Толқындық функцияларды физикалық мүмкіндіктермен біріктіретін ережелер біз кейінірек талқылайтын өте қызықты күрделіліктерді тудырады, бірақ біз классикалық жағдай үшін көрсеткен түйіскен білімнің негізгі тұжырымдамасы өзгеріссіз қалады.

Торттарды кванттық жүйелер деп санауға болмайтынымен, кванттық жүйелердегі шиеленіс табиғи түрде болады - мысалы, бөлшектер соқтығысқаннан кейін. Тәжірибеде шиеленіскен (тәуелсіз) күйлерді сирек ерекшеліктер деп санауға болады, өйткені олардың арасында жүйелердің өзара әрекеттесуі кезінде корреляция пайда болады.

Мысалы, молекулаларды қарастырайық. Олар ішкі жүйелерден, атап айтқанда, электрондар мен ядролардан тұрады. Әдетте ол орналасқан молекуланың минималды энергетикалық күйі электрондар мен ядроның өте шиеленіскен күйі болып табылады, өйткені бұл құрамдас бөлшектердің орналасуы ешбір жағдайда тәуелсіз болмайды. Ядро қозғалған кезде электрон онымен бірге қозғалады.

Мысалымызға қайта оралайық. Егер Φ■, Φ● 1-жүйені оның шаршы немесе дөңгелек күйінде сипаттайтын толқындық функциялар ретінде және 2-жүйені оның шаршы немесе дөңгелек күйінде сипаттайтын толқындық функциялар үшін ψ■, ψ● деп жазсақ, онда біздің жұмыс мысалымызда барлық күйлерді сипаттауға болады. , Қалай:

Тәуелсіз: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Шатастырылған: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Тәуелсіз нұсқаны келесідей жазуға болады:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Соңғы жағдайда жақшалар бірінші және екінші жүйелерді тәуелсіз бөліктерге қалай анық бөлетініне назар аударыңыз.

Шатастырылған күйлерді құрудың көптеген жолдары бар. Біреуі сізге ішінара ақпарат беретін композиттік жүйені өлшеу. Мысалы, екі жүйенің қандай форманы таңдағанын білмей-ақ, бір пішінде болуға келіскенін білуге ​​болады. Бұл тұжырымдама сәл кейінірек маңызды болады.

Эйнштейн-Подольский-Розен (ЭПР) және Гринберг-Хорн-Сейлингер (GHZ) әсерлері сияқты кванттық шиеленістің анағұрлым тән салдары кванттық теорияның «комплементарлық принцип» деп аталатын басқа қасиетімен өзара әрекеттесуінен туындайды. EPR және GHZ талқылау үшін алдымен осы принциппен таныстыруға рұқсат етіңіз.

Осы уақытқа дейін біз каондар екі пішінде (төртбұрыш және дөңгелек) келеді деп елестеттік. Енді олар да екі түсті - қызыл және көк түсті деп елестетіңіз. ескере отырып классикалық жүйелер, мысалы, торттар, бұл қосымша сипат каонның төрт мүмкін күйдің бірінде болуы мүмкін дегенді білдіреді: қызыл шаршы, қызыл шеңбер, көк шаршы және көк шеңбер.

Бірақ кванттық торттар кванттық пирожныйлар... Немесе квантондар... Олар мүлдем басқаша әрекет етеді. Кейбір жағдайларда квантон болуы мүмкін әртүрлі пішінжәне түс міндетті түрде оның бір уақытта пішіні де, түсі де бар дегенді білдірмейді. Шындығында, Эйнштейн физикалық шындықты талап еткен қарапайым ой тәжірибелік фактілерге сәйкес келмейді, біз жақын арада көреміз.

Біз квантонның пішінін өлшей аламыз, бірақ осылайша біз оның түсі туралы барлық ақпаратты жоғалтамыз. Немесе біз түсті өлшей аламыз, бірақ оның пішіні туралы ақпаратты жоғалта аламыз. Кванттық теория бойынша біз пішінді де, түсті де бір уақытта өлшей алмаймыз. Кванттық шындыққа ешкімнің көзқарасы толық емес; әр түрлі және бір-бірін жоққа шығаратын көптеген суреттерді ескеру керек, олардың әрқайсысында не болып жатқаны туралы толық емес түсінік бар. Бұл Нильс Бор тұжырымдағандай толықтыру принципінің мәні.

Нәтижесінде кванттық теория бізді физикалық шындыққа қасиеттерді беруде абай болуға мәжбүр етеді. Қарама-қайшылықты болдырмау үшін мынаны мойындау керек:

Ол өлшенбесе, қасиет жоқ.
Өлшеу – өлшенетін жүйені өзгертетін белсенді процесс

II

Альберт Эйнштейн, Борис Подольский және Натан Розен (ЭПР) екі кванттық жүйе бір-бірімен араласқан кезде болатын таңғажайып әсерді сипаттады. EPR эффектісі қосымшалық принципімен кванттық түйісудің арнайы, эксперименталды түрде қол жеткізілетін түрін біріктіреді.

EPR жұбы екі квантоннан тұрады, олардың әрқайсысын пішіні немесе түсі бойынша өлшеуге болады (бірақ екеуі де емес). Бізде мұндай жұптар көп делік, олардың барлығы бірдей және біз олардың құрамдас бөліктеріне қандай өлшемдерді алатынымызды таңдай аламыз. Егер EPR-жұп мүшелерінің біреуінің пішінін өлшейтін болсақ, шаршы немесе шеңбер алу ықтималдығы бірдей. Түсті өлшейтін болсақ, сол ықтималдықпен біз қызыл немесе көк аламыз.

Жұптың екі мүшесін де өлшеген кезде EPR-ге парадоксальды болып көрінетін қызықты әсерлер пайда болады. Екі мүшенің түсін немесе пішінін өлшегенде, нәтижелер әрқашан сәйкес келетінін көреміз. Яғни, егер олардың біреуінің қызыл екенін тауып, екіншісінің түсін өлшесек, оның қызыл екенін де табамыз - т.б. Екінші жағынан, егер біреуінің пішінін, екіншісінің түсін өлшесек, ешқандай корреляция байқалмайды. Яғни, егер бірінші квадрат болса, екінші ықтималдығы бірдей көк немесе қызыл болуы мүмкін.

Кванттық теорияға сәйкес, екі жүйені үлкен қашықтыққа бөліп, өлшеулер бір уақытта дерлік жүргізілсе де, біз мұндай нәтижелерге қол жеткіземіз. Бір жерде өлшеу түрін таңдау басқа жерде жүйенің күйіне әсер ететін сияқты. Бұл «қашықтықтағы үрейлі әрекет», Эйнштейн айтқандай, ақпаратты – біздің жағдайда алынған өлшем туралы ақпаратты – жарық жылдамдығынан жоғары жылдамдықпен беруді қажет ететін сияқты.

Бірақ солай ма? Сіз қандай нәтиже алғаныңызды білмейінше, мен не күтетінімді білмеймін. мен аламын пайдалы ақпаратСіз өлшеуді қабылдаған кезде емес, нәтижені алған кезде. Сіз алған нәтижені қамтитын кез келген хабарлама жарық жылдамдығынан баяу физикалық жолмен берілуі керек.

Әрі қарай зерттеумен парадокс одан да жойылады. Біріншісінің өлшемі қызыл түс берсе, екінші жүйенің күйін қарастырайық. Екінші квантонның түсін өлшеуді шешсек, қызыл түс аламыз. Бірақ толықтыру принципі бойынша, егер оның пішінін «қызыл» күйде болғанда өлшеуді шешсек, шаршы немесе шеңбер алу мүмкіндігі бірдей болады. Сондықтан EPR нәтижесі логикалық түрде алдын ала анықталған. Бұл бір-бірін толықтыру принципін қайталау ғана.

Алыстағы оқиғалардың өзара байланысты болуының ешқандай парадокс жоқ. Өйткені, жұптағы екі қолғаптың бірін қораптарға салып, планетаның әр түкпіріне жіберетін болсақ, бір қорапқа үңілу арқылы екінші қолғаптың қай қолға арналғанын анықтауым ғажап емес. Сол сияқты, барлық жағдайларда EPR жұптарының корреляциясы оларда жады бар сияқты кейінгі бөлінуге төтеп беруі үшін олар жақын болған кезде бекітілуі керек. ЭПР парадоксының оғаштығы корреляцияның өз мүмкіндігінде емес, оны толықтырулар түрінде сақтау мүмкіндігінде.

III

Әрбір жеке экспериментатор кездейсоқ нәтижелер алады. Квантонның пішінін өлшей отырып, ол тең ықтималдықпен шаршы немесе шеңбер алады; квантонның түсін өлшей отырып, ол тең ықтималдықпен қызыл немесе көк түсті алады. Бәрі қалыпты болған кезде.

Бірақ экспериментаторлар жиналып, нәтижелерді салыстырғанда, талдау таңқаларлық нәтиже көрсетеді. Шаршы пішінді және қызыл түсті «жақсы», ал шеңберлер мен көк түсті «жамандық» деп атаймыз. Экспериментаторлар егер олардың екеуі пішінді өлшеуді шешсе, ал үшіншісі түсті таңдаса, 0 немесе 2 өлшем «жамандық» (яғни, дөңгелек немесе көк) екенін анықтайды. Бірақ егер үшеуі де түсті өлшеуді шешсе, онда 1 немесе 3 өлшем жаман. Кванттық механика мұны болжайды және дәл солай болады.

Сұрақ: Жамандықтың мөлшері жұп па, тақ па? Екі мүмкіндік те әртүрлі өлшемдерде жүзеге асырылады. Біз бұл мәселені тастауымыз керек. Жүйедегі зұлымдықтың мөлшері туралы оның қалай өлшенетініне қарамай айтудың мағынасы жоқ. Және бұл қайшылықтарға әкеледі.

Физик Сидни Колман сипаттағандай, GHZ эффектісі «кванттық механикаға соққы» болып табылады. Ол физикалық жүйелердің олардың өлшемдеріне тәуелсіз алдын ала анықталған қасиеттері бар деген үйреншікті, үйреншікті күтуді бұзады. Егер бұлай болса, жақсылық пен жамандықтың тепе-теңдігі өлшем түрлерін таңдауға байланысты болмас еді. GHZ әсерінің бар екенін мойындағаннан кейін, сіз оны ұмытпайсыз және сіздің көкжиегіңіз кеңейеді.

IV

Біз жүйеге уақыттың әр сәтінде белгілі бір күйді тағайындау мүмкін болмаған кезде «шытырман оқиғалар» туралы айтып отырмыз. Дәстүрлі шиеленістің мүмкіндіктерін жоққа шығаратынымыз сияқты, өткен оқиғалар туралы ішінара ақпаратты жинайтын өлшемдер жасау арқылы да шиеленіскен тарихтарды жасай аламыз. Ең қарапайым шиеленіскен әңгімелерде бізде екі түрлі уақытта зерттейтін бір квантон бар. Біз квантонның пішіні екі рет шаршы немесе екі рет дөңгелек болғанын анықтайтын жағдайды елестете аламыз, бірақ екі жағдай да мүмкін болып қалады. Бұл бұрын сипатталған түйісудің қарапайым нұсқаларына уақытша кванттық ұқсастық.

Неғұрлым күрделі хаттаманы қолдана отырып, біз бұл жүйеге аздап қосымша қосуға болады және кванттық теорияның «көп әлемдер» қасиетін тудыратын жағдайларды сипаттай аламыз. Біздің квантонды қызыл күйде дайындауға болады, содан кейін көк түспен өлшеніп, алуға болады. Ал алдыңғы мысалдардағыдай, біз квантонға екі өлшем арасындағы интервалдағы түс қасиетін біржолата бере алмаймыз; оның нақты формасы жоқ. Мұндай әңгімелер кванттық механикадағы көптеген әлемдердің суретіне тән интуицияны шектеулі, бірақ толық бақыланатын және нақты түрде жүзеге асырады. Белгілі бір мемлекет екі қарама-қайшы тарихи траекторияға бөлінуі мүмкін, содан кейін олар қайтадан қосылады.

Кванттық теорияның негізін қалаушы, оның дұрыстығына күмәнмен қараған Эрвин Шредингер кванттық жүйелердің эволюциясы табиғи күйлерге әкелетінін, олардың өлшемдері өте жоғары нәтиже беретінін атап өтті. әртүрлі нәтижелер. Оның «Шредингер мысығы» постулаттарымен жасаған ой эксперименті, өзіңіз білетіндей, кванттық белгісіздік мысықтардың өліміне әсер ету деңгейіне әкелді. Өлшеуден бұрын мысыққа өмірдің (немесе өлімнің) қасиетін тағайындау мүмкін емес. Екеуі де, екеуі де басқа дүниелік мүмкіндіктер әлемінде бірге өмір сүрмейді.

Күнделікті тіл кванттық толықтыруды түсіндіруге жарамсыз, ішінара күнделікті тәжірибе оны қамтымайды. Тәжірибелік мысықтар қоршаған ауа молекулаларымен және басқа объектілермен, олардың тірі немесе өлі болуына байланысты мүлдем басқа жолмен әрекеттеседі, сондықтан іс жүзінде өлшеу автоматты түрде жүзеге асырылады, ал мысық өмір сүруді жалғастырады (немесе өмір сүрмейді). Бірақ әңгімелер Шредингердің котяттары болып табылатын квантондарды күрделілікпен сипаттайды. Олардың Толық сипаттамабір-бірін жоққа шығаратын екі меншік траекториясын қарастыруды талап етеді.

Шатастырылған тарихты бақыланатын эксперименталды жүзеге асыру өте нәзік нәрсе, өйткені ол кванттар туралы ішінара ақпарат жинауды талап етеді. Кәдімгі кванттық өлшемдер әдетте бірнеше рет ішінара ақпаратты алудың орнына барлық ақпаратты бірден жинайды - мысалы, нақты пішінді немесе нақты түсті анықтайды. Бірақ мұны өте техникалық қиындықтарға қарамастан жасауға болады. Осылайша кванттық теориядағы «көп дүниелер» ұғымының таралуына белгілі бір математикалық және эксперименттік мағына беріп, оның шындығын көрсете аламыз.

Кванттық механикадан не шығады

Тығыздық матрицасы қайда ХГамильтон операторы болып табылады, ал жақшалар коммутаторды білдіреді.

Ландау оны шығарып салды. Берілген бөлшекке қатысты кез келген физикалық шамаларды тығыздық матрицасы арқылы көрсетуге болады. Бұл күй аралас деп аталады. Егер бізде өзара әрекеттесетін бөлшектер жүйесі болса, онда бөлшектердің әрқайсысы аралас күйде болады. Егер бөлшектер ұзақ қашықтыққа шашырап, өзара әрекеттесу жойылса, олардың күйі әлі де аралас болып қалады. Егер бірнеше бөлшектердің әрқайсысы таза күйде болса, онда мұндай жүйенің толқындық функциясы бөлшектердің әрқайсысының толқындық функцияларының көбейтіндісі болып табылады (егер бөлшектер әртүрлі болса. Бірдей бөлшектер, бозондар немесе фермиондар үшін мынаны жасау керек: симметриялық немесе антисимметриялық комбинация, қараңыз, бірақ бұл туралы кейінірек.Бөлшектердің, фермиондардың және бозондардың сәйкестігі қазірдің өзінде релятивистік кванттық теория болып табылады.

Жұп бөлшектердің шиеленіскен күйі деп әртүрлі бөлшектерге қатысты физикалық шамалар арасында тұрақты корреляция болатын күйді айтады. Қарапайым және кең таралған мысал - кейбір жалпы физикалық шама сақталады, мысалы, жұптың жалпы спині немесе бұрыштық импульсі. Бұл жағдайда жұп бөлшектер таза күйде, бірақ бөлшектердің әрқайсысы аралас күйде болады. Бір бөлшектің күйінің өзгеруі екінші бөлшектің күйіне бірден әсер ететіндей көрінуі мүмкін. Олар алысқа шашырап кетсе де, араласпаса да, Бұл танымал мақалаларда айтылған. Бұл құбылыс қазірдің өзінде кванттық телепортация деп аталды.Тіпті кейбір сауатсыз журналистер бұл өзгеріс бірден болады, яғни жарық жылдамдығынан да тез таралады деп мәлімдейді.

Мұны кванттық механика тұрғысынан қарастырайық.Біріншіден, тек бір бөлшектің спинін немесе бұрыштық импульсін өзгертетін кез келген әрекет немесе өлшем толық сипаттаманың сақталу заңын бірден бұзады. Сәйкес оператор толық спинмен немесе толық бұрыштық импульспен ауыса алмайды. Осылайша, жұп бөлшектер күйінің бастапқы түйісуі бұзылады. Екінші бөлшектің спині немесе моменті енді біріншінің айналуымен бірегей түрде байланысты болуы мүмкін емес. Бұл мәселені екінші жағынан қарастыруға болады. Бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесу жойылғаннан кейін бөлшектердің әрқайсысының тығыздық матрицасының эволюциясы басқа бөлшектің динамикалық айнымалыларын қамтымайтын өз теңдеуімен сипатталады. Сондықтан бір бөлшекке әсер ету екіншісінің тығыздық матрицасын өзгертпейді.

Тіпті Эберхард теоремасы бар, ол екі бөлшектің өзара әсерін өлшеулер арқылы анықтауға болмайды. Тығыздық матрицасы арқылы сипатталатын кванттық жүйе болсын. Және бұл жүйе А және В екі ішкі жүйеден тұрсын. Эберхард теоремасы тек А ішкі жүйесімен байланысты бақыланатындардың ешбір өлшемі тек B ішкі жүйесімен байланысты кез келген бақыланатындарды өлшеу нәтижесіне әсер етпейтінін айтады. Алайда теореманы дәлелдеу толқынды пайдаланады. қысқарту гипотезасы.теориялық немесе тәжірибе жүзінде дәлелденбеген функция. Бірақ бұл ойлардың барлығы релятивистік емес кванттық механика шеңберінде жасалған және бірдей емес, әртүрлі бөлшектерге сілтеме жасайды.

Бұл аргументтер релятивистік теорияда бірдей бөлшектер жұбы жағдайында жұмыс істемейді. Бөлшектердің сәйкестігі немесе ажыратылмауы бөлшектердің саны сақталмаған релятивистік кванттық механикадан келетінін тағы бір рет еске сала кетейін. Дегенмен, баяу бөлшектер үшін біз жай бөлшектердің бір-бірінен ажыратылмауын ескере отырып, релятивистік емес кванттық механиканың қарапайым аппаратын пайдалана аламыз. Сонда жұптың толқындық функциясы бөлшектердің ауыстырылуына қатысты симметриялы (бозондар үшін) немесе антисимметриялық (фермиондар үшін) болуы керек. Мұндай талап релятивистік теорияда бөлшектердің жылдамдығына қарамастан туындайды. Дәл осы талап жұп бірдей бөлшектердің ұзақ мерзімді корреляциясына әкеледі. Негізінде электроны бар протон да шиеленіскен күйде болуы мүмкін. Алайда, егер олар бірнеше ондаған ангстромға бөлінсе, онда электромагниттік өрістермен және басқа бөлшектермен әрекеттесу бұл күйді бұзады. Алмасу әрекеттесуі (бұл құбылыс осылай аталады) эксперименттер көрсеткендей, макроскопиялық қашықтықта әрекет етеді. Бір жұп бөлшектер, тіпті метрлер бойынша дисперсті болса да, ажыратылмайды. Егер сіз өлшеу жүргізіп жатсаңыз, онда өлшенетін шама қай бөлшекке қатысты екенін нақты білмейсіз. Сіз бір уақытта бірнеше бөлшектерді өлшеп жатырсыз. Сондықтан барлық керемет эксперименттер бірдей бөлшектермен - электрондармен және фотондармен жүргізілді. Дәлірек айтқанда, бұл релятивистік емес кванттық механика аясында қарастырылатын күрделі күй емес, ұқсас нәрсе.

Қарастырыңыз ең қарапайым жағдайөзара әрекеттеспейтін бірдей бөлшектердің жұбы болып табылады. Егер жылдамдықтар аз болса, бөлшектердің орын ауыстыруына қатысты толқындық функцияның симметриясын ескере отырып, релятивистік емес кванттық механиканы қолдануға болады. Бірінші бөлшектің толқындық функциясы , екінші бөлшек - болсын, мұндағы және бірінші және екінші бөлшектердің динамикалық айнымалылары, қарапайым жағдайда жай координаталар. Содан кейін жұптың толқындық функциясы

+ және – белгілері бозондар мен фермиондарға қатысты. Бөлшектер бір-бірінен алшақ жатыр делік. Содан кейін олар сәйкесінше 1 және 2 шалғай аймақтарда локализацияланады, яғни бұл аймақтардан тыс олар аз. Бірінші бөлшектің кейбір айнымалысының орташа мәнін есептеуге тырысайық, мысалы, координаталар. Қарапайымдылық үшін толқындық функцияларға тек координаттар ғана кіреді деп елестете аламыз. 1-бөлшек координаталарының орташа мәні 1 және 2-аймақтар арасында жатыр және ол 2-бөлшектің орташа мәніне сәйкес келеді. Бұл шын мәнінде табиғи - бөлшектерді ажырату мүмкін емес, координаталар қай бөлшекпен өлшенетінін біле алмаймыз. . Жалпы алғанда, 1 және 2 бөлшектер үшін барлық орташа мәндер бірдей болады. Бұл 1-бөлшектің локализация аймағын жылжыту арқылы (мысалы, бөлшек кристалдық тордағы ақаудың ішінде локализацияланған және біз бүкіл кристалды жылжытамыз) бөлшектер өзара әрекеттеспесе де, біз 2-бөлшекке әрекет етеміз дегенді білдіреді. кәдімгі мағынада - мысалы, электромагниттік өріс арқылы. Бұл релятивистік шиеленістің қарапайым мысалы.

Осы корреляцияға байланысты екі бөлшек арасында ақпараттың лезде берілуі болмайды. Релятивистік кванттық теорияның аппараты бастапқыда жарық конусының қарама-қарсы жағындағы кеңістік-уақытта орналасқан оқиғалар бір-біріне әсер ете алмайтындай етіп салынған. Қарапайым тілмен айтқанда, ешқандай сигнал, ешқандай әсер немесе кедергі тарала алмайды жарықтан жылдамырақ. Екі бөлшек те бір өрістің күйі болып табылады, мысалы, электрон-позитрон. Бір нүктеде (1-бөлшек) өрісте әрекет ете отырып, біз судағы толқындар сияқты таралатын бұзылуды жасаймыз. Релятивистік емес кванттық механикада жарық жылдамдығы шексіз жоғары деп есептеледі, бұл лездік өзгерістер елесін тудырады.

Үлкен қашықтықтармен бөлінген бөлшектердің жұппен байланысқан күйі бөлшектер туралы классикалық идеяларға байланысты парадоксальды болып көрінеді. Шындығында бөлшектер емес, өрістер бар екенін есте ұстауымыз керек. Бөлшектер деп ойлайтынымыз жай ғана осы өрістердің күйлері. классикалық орындаубөлшектер туралы микроәлемде мүлдем жарамсыз. Көлемі, пішіні, материалы және құрылымы туралы сұрақтар бірден пайда болады. элементар бөлшектер. Шын мәнінде, классикалық ойлау үшін кереғар жағдайлар да бір бөлшекпен туындайды. Мысалы, Штерн-Герлах тәжірибесінде сутегі атомы жылдамдыққа перпендикуляр бағытталған біртекті емес магнит өрісі арқылы ұшады. Ядролық магнетонның аздығына байланысты ядроның спинін елемеуге болады, электрон спинін бастапқыда жылдамдық бойымен бағытталсын.

Атомның толқындық функциясының эволюциясын есептеу қиын емес. Бастапқы локализацияланған толқын пакеті бастапқы бағытқа бұрышта симметриялы түрде ұшатын екі бірдей бөлікке бөлінеді. Яғни, әдетте классикалық траекториясы бар классикалық деп есептелетін атом, ауыр бөлшек айтарлықтай макроскопиялық қашықтыққа шашырауы мүмкін екі толқындық пакетке бөлінген. Сонымен бірге, есептеуден шығатынын, тіпті идеалды Штерн-Герлах тәжірибесінің бөлшектердің спинін өлшеуге қабілетсіз екенін атап өткім келеді.

Егер детектор сутегі атомын, мысалы, химиялық жолмен байланыстырса, онда «жартылар» - екі шашыраңқы толқын пакеттері біреуге жиналады. Майланған бөлшектердің мұндай локализациясы қалай пайда болады, мен түсінбеймін, бұл бөлек теория. Қызығушылық танытқандар осы тақырып бойынша кең көлемді әдебиеттерді таба алады.

Қорытынды

Әдебиет
1. Ландау, Л.Д., Лифшитс, Э.М. Кванттық механика (релятивистік емес теория). - 3-ші басылым, өңделген және кеңейтілген. – М.: Наука, 1974. – 752 б. - («Теориялық физика», III том).
2. Eberhard, P.H., “Bell’s theorem and the different concepts of nonlocality”, Nuovo Cimento 46B, 392-419 (1978)

кванттық түйісу

Кванттық түйісу кванттық компьютер және кванттық криптография сияқты болашақ технологиялардың негізі болып табылады және ол кванттық телепортация эксперименттерінде де қолданылды. Теориялық және философиялық тұрғыдан алғанда, бұл құбылыс кванттық теорияның ең революциялық қасиеттерінің бірі болып табылады, өйткені кванттық механика болжаған корреляциялар нақты дүниенің анық көрінетін жері туралы түсініктермен мүлдем үйлеспейтінін көруге болады, онда ақпарат. Жүйенің жай-күйі туралы тек оның тікелей ортасы арқылы берілуі мүмкін. Кванттық механикалық түйісу процесінде іс жүзінде не болатыны туралы әртүрлі көзқарастар кванттық механиканың әртүрлі түсіндірілуіне әкеледі.

Фон

1935 жылы Эйнштейн, Подольский және Розен атақты Эйнштейн-Подольский-Розен парадоксын тұжырымдады, ол кванттық механиканың қосылуға байланысты жергілікті емес теорияға айналатынын көрсетті. Біз Эйнштейннің қосылысты қалай келемеждейтінін білеміз, оны «қашықтықтағы қорқынышты әрекет» деп атады. Әрине, жергілікті емес қосылым жарықтың шектеу жылдамдығы (сигнал беру) туралы TO постулатын жоққа шығарды.

Екінші жағынан, кванттық механика болжауда жақсы эксперименттік нәтижелер, ал шын мәнінде тіпті күшті корреляциялық байланыстар түйісу құбылысына байланысты байқалды. Корреляцияға белгілі, бірақ белгісіз микроскопиялық параметрлер жауап беретін «жасырын айнымалылар теориясы» тәсілі – кванттық шиеленісті түсіндіруде сәтті болып көрінетін әдіс бар. Алайда, 1964 жылы Дж.С.Белл «жақсы» жергілікті теорияны бәрібір осылай құруға болмайтынын көрсетті, яғни кванттық механика болжаған шиеленісті жергілікті жасырын параметрлері бар теориялардың кең класы болжаған нәтижелерден эксперименталды түрде ажыратуға болады. . Кейінгі эксперименттердің нәтижелері кванттық механиканың керемет растауын қамтамасыз етті. Кейбір тексерулер бұл эксперименттерде бірқатар кедергілер бар екенін көрсетеді, бірақ олар маңызды емес деп жалпы қабылданған.

Байланыстылықтың салыстырмалылық принципімен қызықты қатынасы бар, ол ақпарат бір жерден екінші жерге жарық жылдамдығынан жылдам тарай алмайды. Екі жүйе бір-бірінен үлкен қашықтыққа бөлініп, әлі де шиеленісе де, олардың қосылуы арқылы пайдалы ақпаратты беру мүмкін емес, сондықтан түйісу салдарынан себептілік бұзылмайды. Бұл екі себепке байланысты болады:
1. кванттық механикадағы өлшемдердің нәтижелері негізінен ықтималдық;
2. Кванттық күйді клондау теоремасы түйіскен күйлерді статистикалық тексеруге тыйым салады.

Бөлшектердің әсер ету себептері

Біздің әлемде бірнеше кванттық бөлшектердің ерекше күйлері бар - кванттық корреляция байқалатын шиеленіскен күйлер (жалпы алғанда, корреляция кездейсоқ сәйкестік деңгейінен жоғары оқиғалар арасындағы қатынас). Бұл корреляцияларды эксперименталды түрде анықтауға болады, ол алғаш рет жиырма жылдан астам бұрын жасалған және қазір әртүрлі эксперименттерде жүйелі түрде қолданылады. Классикалық (яғни кванттық емес) әлемде корреляцияның екі түрі бар - бір оқиға екінші оқиғаның себебі болған кезде немесе олардың екеуінде де ортақ себеп болған кезде. Кванттық теорияда бірнеше бөлшектердің түйіскен күйлерінің жергілікті емес қасиеттерімен байланысты корреляцияның үшінші түрі пайда болады. Корреляцияның бұл үшінші түрін күнделікті үйреншікті аналогиялар арқылы елестету қиын. Немесе бұл кванттық корреляциялар қандай да бір жаңа, осы уақытқа дейін белгісіз өзара әрекеттесудің нәтижесі болуы мүмкін, соның арқасында түйіскен бөлшектер (және олар ғана!) бір-біріне әсер етеді?

Мұндай гипотетикалық өзара әрекеттесудің «аномальдылығын» бірден атап өткен жөн. Кванттық корреляция үлкен арақашықтықпен бөлінген екі бөлшекті анықтау бір уақытта (тәжірибелік қателер шегінде) орын алса да байқалады. Бұл дегеніміз, егер мұндай өзара әрекеттесу орын алса, онда ол зертханалық анықтамалық жүйеде өте жылдам, супержарық жылдамдығымен таралуы керек. Ал бұдан басқа анықтамалық шеңберлерде бұл өзара әрекеттестік әдетте лезде болатыны және тіпті болашақтан өткенге (себептілік принципін бұзбай) әсер ететіндігі сөзсіз шығады.

Эксперименттің мәні

Эксперименттің геометриясы. Женевада шатастырылған фотондардың жұптары жасалды, содан кейін фотондар бірдей ұзындықтағы (қызыл түспен белгіленген) талшықты-оптикалық кабельдер бойынша бір-бірінен 18 км қашықтықта орналасқан екі қабылдағышқа (APD әріптерімен белгіленген) жіберілді. Табиғаттағы мақаладан алынған сурет

Тәжірибе идеясы келесідей: біз екі шатастырылған фотонды жасаймыз және оларды мүмкіндігінше екі детекторға жібереміз (сипатталған тәжірибеде екі детектор арасындағы қашықтық 18 км болды). Бұл жағдайда біз фотондардың детекторларға баратын жолдарын мүмкіндігінше бірдей етіп жасаймыз, осылайша оларды анықтау сәттері барынша жақын болады. Бұл жұмыста анықтау сәттері шамамен 0,3 наносекундтық дәлдікпен сәйкес келді. Бұл шарттарда кванттық корреляция әлі де байқалды. Сонымен, егер олар жоғарыда сипатталған өзара әрекеттесу нәтижесінде «жұмыс істейді» деп есептесек, онда оның жылдамдығы жарық жылдамдығынан жүз мың есе асып кетуі керек.
Мұндай тәжірибені, шын мәнінде, бұрын да сол топ жасаған. Бұл жұмыстың жаңалығы тек эксперимент ұзақ уақытқа созылды. Кванттық корреляциялар үздіксіз байқалды және тәуліктің кез келген уақытында жойылмады.
Неліктен маңызды? Егер гипотетикалық өзара әрекеттесу қандай да бір орта арқылы жүзеге асатын болса, онда бұл ортада ерекше анықтамалық шеңбер болады. Жердің айналуына байланысты зертханалық анықтамалық жүйе осы эталондық жүйеге қатысты әртүрлі жылдамдықпен қозғалады. Бұл екі фотонды анықтаудың екі оқиғасы арасындағы уақыт аралығы тәулік уақытына байланысты осы орта үшін әр уақытта әр түрлі болатынын білдіреді. Атап айтқанда, бұл орта үшін бұл екі оқиға бір мезгілде болып көрінетін сәт болады. (Мұнда, айтпақшы, салыстырмалылық теориясынан бір мезгілде екі оқиға оларды қосатын түзуге перпендикуляр қозғалатын барлық инерциялық санақ жүйелерінде бір мезгілде болатындығы пайдаланылады).

Егер кванттық корреляция жоғарыда сипатталған гипотетикалық өзара әрекеттесу есебінен жүзеге асырылса және бұл әрекеттесу жылдамдығы ақырлы болса (тіпті ол ерікті түрде үлкен болса да), онда осы сәтте корреляциялар жойылар еді. Сондықтан күн ішінде корреляцияларды үздіксіз бақылау бұл мүмкіндікті толығымен жауып тастайды. Ал мұндай эксперименттің жылдың әр мезгілінде қайталануы бұл гипотезаны өзінің таңдалған анықтамалық шеңбердегі шексіз жылдам әрекеттесуімен де жабады.

Өкінішке орай, эксперименттің жетілмегендігінен бұған қол жеткізілмеді. Бұл экспериментте корреляциялар нақты байқалады деп айту үшін сигналды бірнеше минут бойы жинақтау қажет. Корреляцияның жоғалуы, мысалы, 1 секунд ішінде бұл эксперимент байқамады. Сондықтан авторлар гипотетикалық өзара әрекеттесуді толығымен жауып тастай алмады, бірақ олардың таңдалған анықтамалық жүйесінде оның таралу жылдамдығының шегін ғана алды, бұл, әрине, алынған нәтиженің мәнін айтарлықтай төмендетеді.

Мүмкін...?

Оқырман сұрақ қоюы мүмкін: егер, дегенмен, жоғарыда сипатталған гипотетикалық мүмкіндік жүзеге асырылса, бірақ эксперимент оның жетілмегендігіне байланысты оны елемеді, бұл салыстырмалылық теориясының дұрыс еместігін білдіре ме? Бұл әсерді ақпаратты суперлюминальды тасымалдау үшін немесе тіпті ғарышта қозғалыс үшін қолдануға бола ма?

Жоқ. Жоғарыда құрылыс арқылы сипатталған гипотетикалық өзара әрекеттесу жалғыз мақсатқа қызмет етеді - бұл кванттық корреляцияларды «жұмыс» ететін «берілістер». Бірақ кванттық корреляцияның көмегімен ақпаратты жарық жылдамдығынан жылдам жеткізу мүмкін емес екені қазірдің өзінде дәлелденді. Сондықтан кванттық корреляция механизмі қандай болса да, ол салыстырмалылық теориясын бұза алмайды.
© Игорь Иванов

Бұралу өрістерін қараңыз.
Жіңішке әлемнің негіздері – физикалық вакуум және бұралу өрістері. 4.

кванттық түйісу.

Авторлық құқық © 2015 Шартсыз махаббат

Альберт Эйнштейн «қашықтықтағы фантом әрекеті» деп атаған кванттық механикадағы ең екіұшты құбылыс — кванттық түйісу, ол мәлімделгеннен де «шатастырушы» болуы мүмкін. қазіргі заманғы теориялар. Вашингтон және Нью-Йорк университеттерінің физиктері бұл құбылыстың құрт саңылауларымен - кеңістік-уақыттың гипотетикалық ерекшеліктерімен байланысты деп санайды, бұл қазіргі ғылыми фантастикаға сәйкес, ғаламның бір бөлігінен екінші бөлігіне жылдам өтуді қамтамасыз ете алады.

Кванттық шиеленіс – бірнеше денелер жүйесінің кванттық күйлерінің өзара байланысқан құбылысы. Бұл байланыс объектілер арасында белгілі өзара әрекеттесу туындамайтындай қашықтықтармен бөлінген жағдайда да сақталады. Сондай-ақ физикалық концепцияда қысқа және ұзақ қашықтық деген ұғымдар бар. Қысқа қашықтық теориясы бойынша денелер арасындағы өзара әрекеттесу қандай да бір үшінші буынның көмегімен және шектеулі жылдамдықпен беріледі. Мысалы, электромагниттік өрістің көмегімен электромагниттік әрекеттесу. Ұзақ қашықтықтағы өзара әрекеттесу теориясына сәйкес, объектілер арасындағы өзара әрекеттесу қосымша элементсіз, бостық арқылы және кез келген қашықтықта беріледі. Бұл жағдайда өзара әрекеттесу шексіз жоғары жылдамдықта жүреді. Мысал ретінде күшті алуға болады ауырлықНьютонның гравитация теориясынан.

Кванттық түйісу нәтижесінде бөлшектер тобы бір бөлшектің әрекетін басқалардың мінез-құлқына қатысты басқаратын тәсілдермен әрекеттеседі. Мысалы, түйіскен бөлшектердің жұбында бір бөлшекте белгілі бір спин байқалса, екінші бөлшекте керісінше байқалады. Эйнштейн мұндай өзара әрекеттесуді бөлшектердің арасы қаншалықты алыс болса да, шиеленісудің тұрақтылығына байланысты елес деп атады. Егер бір бөлшектің мінез-құлқы өзгерсе, онда байланысты бөлшектің мінез-құлқы да өзгереді.

Екі қара тесік арасындағы құрт тесігі. Дереккөз: Алан Стоунбракер/Американдық физикалық қоғам

Жақында жүргізілген зерттеулер, егер екі қара тесік бұрын шиеленісіп, содан кейін белгілі бір қашықтыққа бөлінген болса, құрт тесіктері деп аталатын белгілердің сәйкес келетінін көрсетті. Қара тесіктер ғаламның қарама-қарсы ұштарында болса да, оларды құрт тесігі байланыстыра алады. Бірақ қара тесіктер атом сияқты кішкентай болсын немесе біздің Күннен үлкен болсын (әлемнің барлық жерінде байқалады), олардың тартылыс күші соншалықты күшті, тіпті жарық та гравитациялық күштен құтыла алмайды. Егер екі қара құрдым шиеленісе, бірінші қара құрдымның оқиға горизонтынан тыс жерде тұрған адам екінші қара құрдымның оқиға көкжиегінен тыс жерде не болып жатқанын әлі де біле алмайды. Екінші жағындағы адаммен байланысу үшін екеуі де өздерінің қара тесіктеріне кіруі керек еді. Сонда айналадағы кеңістік бірдей болады.