Cpt teorēma un kvantu sapīšanās. Ceļā uz kvantu internetu: kvantu sapīšanās un Ķīnas satelīta stāsta atšķetināšana. Kvantu datu pārsūtīšanas papildu bonuss

kvantu sapīšanās, neviennozīmīgākā kvantu mehānikas parādība, ko Alberts Einšteins nosauca par "fantoma darbību no attāluma", var būt vēl "mulsinošāka", nekā tiek apgalvots. mūsdienu teorijas. Vašingtonas un Ņujorkas universitāšu fiziķi uzskata, ka šī parādība ir saistīta ar tārpu caurumiem - hipotētiskām telpas-laika iezīmēm, kas, saskaņā ar mūsdienu zinātniskās fantastikas datiem, var nodrošināt ātru pāreju no vienas Visuma daļas uz otru.

Kvantu sapīšanās ir parādība, kurā vairāku ķermeņu sistēmas kvantu stāvokļi kļūst savstarpēji saistīti. Šis savienojums tiek saglabāts pat tad, ja objektus atdala tādi attālumi, ka starp tiem nerodas zināma mijiedarbība. Arī fiziskajā jēdzienā ir jēdzieni tuvs un liels attālums. Saskaņā ar maza attāluma teoriju mijiedarbība starp ķermeņiem tiek pārraidīta ar kādas trešās saites palīdzību un ar ierobežotu ātrumu. Piemēram, elektromagnētiskā mijiedarbība ar palīdzību elektromagnētiskais lauks. Saskaņā ar liela attāluma mijiedarbības teoriju, mijiedarbība starp objektiem tiek pārraidīta bez papildu elementa, caur tukšumu un jebkurā attālumā. Mijiedarbība šajā gadījumā notiek bezgalīgi lielā ātrumā. Kā piemēru var ņemt spēku smagums no Ņūtona gravitācijas teorijas.

Kvantu sapīšanās rezultātā daļiņu grupa mijiedarbojas tādā veidā, kas nosaka vienas daļiņas uzvedību attiecībā pret citu uzvedību. Piemēram, sapinušo daļiņu pārī, ja vienā daļiņā tiek novērots noteikts spins, tad otrā daļiņā tiks novērots pretējais. Einšteins šādu mijiedarbību nosauca par spokainu tieši tāpēc, ka ir noturīga sapīšanās neatkarīgi no tā, cik tālu viena no otras atrodas daļiņas. Ja mainās vienas daļiņas uzvedība, mainās arī saistītās daļiņas uzvedība.

Tārpu caurums starp diviem melnajiem caurumiem. Avots: Alan Stonebraker/American Physical Society

Jaunākie pētījumi liecina, ka tā saukto tārpu caurumu pazīmes sakrīt, ja divi melnie caurumi iepriekš bija sapinušies un pēc tam atdalīti ar noteiktu attālumu. Pat ja melnie caurumi atrastos pretējos Visuma galos, tārpa caurums tos varētu savienot. Bet neatkarīgi no tā, vai melnie caurumi ir tikpat mazi kā atoms vai lielāki par mūsu Sauli (kas tiek novērota visur Visumā), to gravitācija ir tik spēcīga, ka pat gaisma nevar izvairīties no gravitācijas satvēriena. Ja divi melnie caurumi būtu sapinušies, tad cilvēks, kurš atrodas aiz pirmā melnā cauruma notikumu horizonta, joprojām nevarētu zināt, kas notiek aiz otrā melnā cauruma notikumu horizonta. Lai sazinātos ar cilvēku otrā galā, abiem būtu jāiekļūst savos melnajos caurumos. Tad apkārtējā telpa būs tāda pati.

• Tulkošana

Kvantu sapīšanās ir viens no sarežģītākajiem zinātnes jēdzieniem, taču tā pamatprincipi ir vienkārši. Un, ja jūs to saprotat, sapīšanās paver ceļu uz labāku izpratni par tādiem jēdzieniem kā daudzās pasaules kvantu teorijā.

Apburoša noslēpumaina aura ieskauj kvantu sapīšanās jēdzienu, kā arī (kaut kādā veidā) saistīto kvantu teorijas apgalvojumu, ka ir jābūt "daudzām pasaulēm". Un tomēr būtībā tās ir zinātniskas idejas ar ikdienišķu nozīmi un specifisku pielietojumu. Sapīšanās un daudzu pasauļu jēdzienus es vēlētos izskaidrot tik vienkārši un skaidri, cik es pats tos pazīstu.

es

Tiek uzskatīts, ka sapīšanās ir parādība, kas raksturīga tikai kvantu mehānikai, taču tā nav. Patiesībā būtu saprotamāk (kaut arī neparasta pieeja) sākt ar vienkāršu, ne kvantu (klasisko) sapīšanās versiju. Tas ļaus mums atdalīt smalkumus, kas saistīti ar pašu sapīšanu, no citām kvantu teorijas dīvainībām.

Sapīšanās parādās situācijās, kad mums ir daļēja informācija par divu sistēmu stāvokli. Piemēram, divi objekti var kļūt par mūsu sistēmām – sauksim tos par kaoniem. "K" apzīmēs "klasiskos" objektus. Bet, ja jūs patiešām vēlaties iedomāties kaut ko konkrētu un patīkamu, iedomājieties, ka tās ir kūkas.

Mūsu kaoniem būs divas formas, kvadrātveida vai apaļas, un šīs formas norādīs to iespējamos stāvokļus. Tad četri iespējamie divu kaonu savienojuma stāvokļi būs: (kvadrāts, kvadrāts), (kvadrāts, aplis), (aplis, kvadrāts), (aplis, aplis). Tabulā parādīta varbūtība, ka sistēma atrodas vienā no četriem uzskaitītajiem stāvokļiem.

Mēs teiksim, ka kaoni ir "neatkarīgi", ja zināšanas par viena no tām stāvokli nesniedz mums informāciju par otra stāvokli. Un šim galdam ir tāda īpašība. Ja pirmais kaons (kūka) ir kvadrātveida, mēs joprojām nezinām otrās formas. Un otrādi, otrā forma mums neko nepasaka par pirmās formas.

No otras puses, mēs sakām, ka divi kaoni ir sapinušies, ja informācija par vienu uzlabo mūsu zināšanas par otru. Otrā planšete mums parādīs spēcīgu sapīšanos. Šajā gadījumā, ja pirmais kaons ir apaļš, mēs zināsim, ka arī otrais ir apaļš. Un, ja pirmais kaons ir kvadrātveida, tad otrais būs tāds pats. Zinot viena formu, mēs varam unikāli noteikt otra formu.

Sapīšanās kvantu versija patiesībā izskatās tāpat – tas ir neatkarības trūkums. Kvantu teorijā stāvokļus apraksta matemātiski objekti, ko sauc par viļņu funkcijām. Noteikumi, kas apvieno viļņu funkcijas ar fiziskām iespējām, rada ļoti interesantus sarežģījumus, par kuriem mēs runāsim vēlāk, bet sapīto zināšanu pamatjēdziens, ko mēs demonstrējām klasiskajam gadījumam, paliek nemainīgs.

Lai gan kūkas nevar uzskatīt par kvantu sistēmām, sapīšanās kvantu sistēmās notiek dabiski – piemēram, pēc daļiņu sadursmēm. Praksē nesaistītus (neatkarīgus) stāvokļus var uzskatīt par retiem izņēmumiem, jo ​​sistēmu mijiedarbības laikā starp tiem rodas korelācijas.

Apsveriet, piemēram, molekulas. Tie sastāv no apakšsistēmām - konkrēti, elektroniem un kodoliem. Molekulas minimālais enerģijas stāvoklis, kurā tā parasti atrodas, ir ļoti sapinies elektronu un kodola stāvoklis, jo šo veidojošo daļiņu izvietojums nekādā gadījumā nebūs neatkarīgs. Kad kodols pārvietojas, elektrons pārvietojas ar to.

Atgriezīsimies pie mūsu piemēra. Ja rakstām Φ■, Φ● kā viļņu funkcijas, kas apraksta sistēmu 1 tās kvadrātveida vai apaļajos stāvokļos, un ψ■, ψ● viļņu funkcijām, kas apraksta sistēmu 2 tās kvadrātveida vai apaļajos stāvokļos, tad mūsu darba piemērā visi stāvokļi var būt aprakstīts, kā:

Neatkarīgs: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Sapinies: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Neatkarīgo versiju var uzrakstīt arī šādi:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Ņemiet vērā, kā pēdējā gadījumā iekavas skaidri atdala pirmo un otro sistēmu neatkarīgās daļās.

Ir daudz veidu, kā izveidot sapinušos stāvokļus. Viens no tiem ir izmērīt salikto sistēmu, kas sniedz jums daļēju informāciju. Var zināt, piemēram, ka divas sistēmas ir vienojušās būt vienā formā, nezinot, kuru formu tās izvēlējušās. Šī koncepcija kļūs svarīga nedaudz vēlāk.

Kvantu sapīšanās raksturīgākās sekas, piemēram, Einšteina-Podoļska-Rozena (EPR) un Grīnberga-Horna-Seilingera (GHZ) efekti, rodas no tā mijiedarbības ar citu kvantu teorijas īpašību, ko sauc par "komplementaritātes principu". Lai apspriestu EPR un GHZ, ļaujiet man vispirms jūs iepazīstināt ar šo principu.

Līdz šim mēs esam iedomājušies, ka kaoniem ir divas formas (kvadrātveida un apaļas). Tagad iedomājieties, ka tie ir arī divās krāsās - sarkanā un zilā. Ņemot vērā klasiskās sistēmas, piemēram, kūkas, šī papildu īpašība nozīmētu, ka kaons var pastāvēt vienā no četriem iespējamiem stāvokļiem: sarkans kvadrāts, sarkans aplis, zils kvadrāts un zils aplis.

Bet kvantu kūkas ir kvantu kūkas... Vai kvanti... Tās uzvedas pavisam savādāk. Fakts, ka dažās situācijās kvantam var būt atšķirīga forma un krāsa, ne vienmēr nozīmē, ka tam vienlaikus ir gan forma, gan krāsa. Patiesībā veselais saprāts, ko Einšteins prasīja fiziskajai realitātei, neatbilst eksperimentālajiem faktiem, kurus mēs drīz redzēsim.

Mēs varam izmērīt kvantona formu, taču, to darot, mēs zaudējam visu informāciju par tā krāsu. Vai arī mēs varam izmērīt krāsu, bet zaudēt informāciju par tās formu. Saskaņā ar kvantu teoriju mēs nevaram izmērīt gan formu, gan krāsu vienlaikus. Neviena skatījums uz kvantu realitāti nav pilnīgs; jāņem vērā daudz dažādu un savstarpēji izslēdzošu attēlu, no kuriem katram ir savs nepilnīgs priekšstats par notiekošo. Tāda ir komplementaritātes principa būtība, kādu to formulēja Nīls Bors.

Rezultātā kvantu teorija liek mums būt uzmanīgiem, piedēvējot fiziskajai realitātei īpašības. Lai izvairītos no strīdiem, jāatzīst, ka:

Nav īpašuma, ja tas nav uzmērīts.
Mērīšana ir aktīvs process, kas maina mērīto sistēmu

II

Tagad mēs aprakstām divus piemērus, bet ne klasiskus kvantu teorijas dīvainību ilustrācijas. Abi ir pārbaudīti stingros eksperimentos (reālos eksperimentos cilvēki mēra nevis kūku formas un krāsas, bet gan elektronu leņķisko impulsu).

Alberts Einšteins, Boriss Podoļskis un Natans Rozens (EPR) aprakstīja apbrīnojamo efektu, kas rodas, sapinoties divām kvantu sistēmām. EPR efekts apvieno īpašu, eksperimentāli sasniedzamu kvantu sapīšanās veidu ar komplementaritātes principu.

EPR pāris sastāv no diviem kvantiem, no kuriem katru var izmērīt pēc formas vai krāsas (bet ne abiem). Pieņemsim, ka mums ir daudz šādu pāru, tie visi ir vienādi, un mēs varam izvēlēties, kādus mērījumus veikt to komponentiem. Ja mēs izmērām viena no EPR pāra locekļa formu, mēs varam iegūt kvadrātu vai apli. Ja mēs izmērām krāsu, tad ar tādu pašu varbūtību mēs iegūstam sarkanu vai zilu.

Interesanti efekti, kas EPR šķita paradoksāli, rodas, mērot abus pāra dalībniekus. Izmērot abu elementu krāsu vai formu, mēs atklājam, ka rezultāti vienmēr sakrīt. Tas ir, ja mēs atklājam, ka viens no tiem ir sarkans un pēc tam izmērām otrā krāsu, mēs arī atklājam, ka tas ir sarkans — un tā tālāk. No otras puses, ja izmērām viena forma un otra krāsa, korelācija netiek novērota. Tas ir, ja pirmais bija kvadrāts, tad otrais ar tādu pašu varbūtību var būt zils vai sarkans.

Saskaņā ar kvantu teoriju šādus rezultātus iegūsim pat tad, ja abas sistēmas šķirs milzīgs attālums un mērījumi tiks veikti gandrīz vienlaicīgi. Šķiet, ka mērījumu veida izvēle vienā vietā ietekmē sistēmas stāvokli citur. Šķiet, ka šī "biedējošā darbība no attāluma", kā to sauca Einšteins, prasa informācijas pārraidi - mūsu gadījumā informāciju par veikto mērījumu - ar ātrumu, kas ir lielāks par gaismas ātrumu.

Bet vai tā ir? Kamēr es nezinu, kādu rezultātu jūs saņēmāt, es nezinu, ko gaidīt. Es saņemu noderīgu informāciju, kad saņemu jūsu rezultātu, nevis tad, kad veicat mērījumu. Un jebkurš ziņojums, kas satur jūsu saņemto rezultātu, ir jāpārraida kaut kādā fiziskā veidā, lēnāk par gaismas ātrumu.

Turpinot izpēti, paradokss ir vēl vairāk iznīcināts. Apskatīsim otrās sistēmas stāvokli, ja pirmās mērījums deva sarkanu krāsu. Ja mēs nolemjam izmērīt otrā kvantona krāsu, mēs iegūstam sarkanu. Bet pēc komplementaritātes principa, ja mēs nolemjam izmērīt tā formu, kad tas ir "sarkanā" stāvoklī, mums būs vienādas iespējas iegūt kvadrātu vai apli. Tāpēc EPR rezultāts ir loģiski iepriekš noteikts. Tas ir tikai komplementaritātes principa atkārtojums.

Nav paradoksa, ka attāli notikumi ir savstarpēji saistīti. Galu galā, ja vienu no diviem cimdiem no pāra saliekam kastēs un nosūtām uz dažādām planētas vietām, nav brīnums, ka, ieskatoties vienā kastē, varu noteikt, kurai rokai ir paredzēts otrs cimds. Tāpat visos gadījumos EPR pāru korelācija ir jānostiprina tiem, kad tie atrodas tuvumā, lai tie varētu izturēt turpmāko atdalīšanu tā, it kā tiem būtu atmiņa. EPR paradoksa dīvainība ir nevis pašā korelācijas iespējamībā, bet gan tās saglabāšanas iespējamībā papildinājumu veidā.

III

Daniels Grīnbergers, Maikls Horns un Antons Zeilingers atklāja vēl vienu lielisku kvantu sapīšanās piemēru. Tajā ir iekļauti trīs mūsu kvanti, kas atrodas īpaši sagatavotā sapītajā stāvoklī (GHZ stāvoklī). Mēs izplatām katru no tiem dažādiem attāliem eksperimentētājiem. Katrs neatkarīgi un nejauši izvēlas, vai mērīt krāsu vai formu, un reģistrē rezultātu. Eksperiments tiek atkārtots daudzas reizes, bet vienmēr ar trim kvantiem GHZ stāvoklī.

Katrs eksperimentētājs saņem nejaušus rezultātus. Izmērot kvantona formu, viņš ar vienādu varbūtību iegūst kvadrātu vai apli; mērot kvantu krāsu, viņš ar vienādu varbūtību kļūst sarkans vai zils. Kamēr viss ir normāli.

Bet, kad eksperimentētāji sanāk kopā un salīdzina rezultātus, analīze atklāj pārsteidzošu rezultātu. Pieņemsim, ka kvadrātveida formu un sarkano krāsu saucam par "laipnu", bet apļus un Zilā krāsa- "ļaunums". Eksperimentētāji atklāj, ka, ja divi no viņiem nolemj izmērīt formu un trešais izvēlas krāsu, tad vai nu 0, vai 2 mērījumi ir "ļauns" (t.i., apaļš vai zils). Bet, ja visi trīs nolemj izmērīt krāsu, tad vai nu 1, vai 3 mērījumi ir ļauni. Kvantu mehānika to paredz, un tieši tā arī notiek.

Jautājums: Vai ļaunuma daudzums ir pāra vai nepāra? Abas iespējas tiek realizētas dažādās dimensijās. Mums ir jāatsakās no šī jautājuma. Nav jēgas runāt par ļaunuma daudzumu sistēmā, neņemot vērā to, kā tas tiek mērīts. Un tas noved pie pretrunām.

GHZ efekts, kā to apraksta fiziķis Sidnijs Kolmens, ir "sitiens kvantu mehānikas sejā". Tas izjauc ierasto, apgūto cerību, ka fiziskajām sistēmām ir iepriekš noteiktas īpašības neatkarīgi no to mērījumiem. Ja tas tā būtu, tad labā un ļaunā līdzsvars nebūtu atkarīgs no mērījumu veidu izvēles. Tiklīdz jūs pieņemat GHZ efekta esamību, jūs to neaizmirsīsit, un jūsu redzesloks tiks paplašināts.

IV

Pagaidām mēs runājam par to, kā sapīšanās neļauj mums piešķirt unikālus neatkarīgus stāvokļus vairākiem kvantiem. Tas pats pamatojums attiecas uz izmaiņām vienā kvantā, kas notiek laika gaitā.

Runa ir par "sapinušajiem stāstiem", kad sistēmai nav iespējams katrā laika brīdī piešķirt noteiktu stāvokli. Tāpat kā mēs izslēdzam tradicionālās sapīšanās iespējas, mēs varam arī izveidot sarežģītas vēstures, veicot mērījumus, kas apkopo daļēju informāciju par pagātnes notikumiem. Vienkāršākajos stāstos mums ir viens kvantons, kuru mēs pētām divos dažādos laika punktos. Mēs varam iedomāties situāciju, kurā mēs nosakām, ka mūsu kvanta forma abas reizes bija kvadrātveida vai abas reizes apaļa, taču abas situācijas joprojām ir iespējamas. Šī ir laika kvantu analoģija vienkāršākajiem iepriekš aprakstītajiem sapīšanās variantiem.

Izmantojot sarežģītāku protokolu, mēs varam pievienot šai sistēmai mazliet papildināmību un aprakstīt situācijas, kas izraisa kvantu teorijas "daudzu pasauļu" īpašību. Mūsu kvantu var sagatavot sarkanā stāvoklī, pēc tam izmērīt un iegūt zilā krāsā. Un tāpat kā iepriekšējos piemēros mēs nevaram pastāvīgs pamats piešķir kvantonam krāsu īpašību intervālā starp divām dimensijām; tai nav noteiktas formas. Šādos stāstos ierobežotā, bet pilnībā kontrolētā un precīzā veidā tiek realizēta intuīcija, kas piemīt kvantu mehānikas daudzo pasauļu attēlam. Noteikta valsts var sadalīties divās pretrunīgās vēsturiskās trajektorijās, kuras pēc tam atkal savienojas.

Kvantu teorijas pamatlicējs Ervins Šrēdingers, kurš bija skeptisks par tās pareizību, uzsvēra, ka kvantu sistēmu evolūcija dabiski noved pie stāvokļiem, kuru mērīšana var dot ārkārtīgi atšķirīgus rezultātus. Viņa domu eksperiments ar "Šrēdingera kaķi", kā jūs zināt, postulē kvantu nenoteiktību, kas ietekmēja kaķu mirstību. Pirms mērīšanas kaķim nav iespējams piešķirt dzīvības (vai nāves) īpašību. Abi vai ne viens, ne otrs eksistē kopā citpasaules iespēju pasaulē.

Ikdienas valoda nav piemērota, lai izskaidrotu kvantu komplementaritāti, daļēji tāpēc, ka ikdienas pieredze to neietver. Praktiski kaķi mijiedarbojas ar apkārtējām gaisa molekulām un citiem objektiem pilnīgi dažādos veidos, atkarībā no tā, vai tie ir dzīvi vai miruši, tāpēc praksē mērījumi notiek automātiski, un kaķis turpina dzīvot (vai nedzīvo). Bet stāsti apraksta kvantus, kas ir Šrēdingera kaķēni, ar sarežģītību. To pilnīgam aprakstam ir jāņem vērā divas savstarpēji izslēdzošas īpašuma trajektorijas.

Samezglotu vēsturi kontrolēta eksperimentāla realizācija ir delikāta lieta, jo tā prasa daļējas informācijas vākšanu par kvantiem. Parastie kvantu mērījumi parasti apkopo visu informāciju uzreiz - piemēram, nosaka precīza forma vai precīza krāsa - tā vietā, lai vairākas reizes iegūtu daļēju informāciju. Bet to var izdarīt, kaut arī ar ekstrēmu tehniskas grūtības. Tādā veidā mēs varam piešķirt noteiktu matemātisku un eksperimentālu nozīmi jēdziena "daudzas pasaules" izplatībai kvantu teorijā un demonstrēt tās realitāti.

Koku zeltainā lapotne spoži mirdzēja. Vakara saules stari skāra retinātās galotnes. Gaisma izlauzās cauri zariem un iestudēja uz universitātes "kapterkas" sienas dīvainu figūru mirgojošu skatu.

Sera Hamiltona domīgais skatiens lēnām kustējās, vērodams chiaroscuro spēli. Īru matemātiķa galvā bija īsts domu, ideju un secinājumu kūstošais katls. Viņš labi apzinājās, ka daudzu parādību izskaidrošana ar Ņūtona mehānikas palīdzību ir kā ēnu spēle uz sienas, mānīgi savijot figūras un atstājot daudzus jautājumus bez atbildes. "Varbūt tas ir vilnis... vai varbūt tā ir daļiņu straume," prātoja zinātnieks, "vai arī gaisma ir abu parādību izpausme. Kā no ēnas un gaismas austas figūras.

Kvantu fizikas sākums

Ir interesanti vērot izcilus cilvēkus un mēģināt saprast, kā dzimst lieliskas idejas, kas maina visas cilvēces evolūcijas gaitu. Hamiltons ir viens no tiem, kas stāvēja pie kvantu fizikas pirmsākumiem. Piecdesmit gadus vēlāk, divdesmitā gadsimta sākumā, pētījums elementārdaļiņas to ir izdarījuši daudzi zinātnieki. Iegūtās zināšanas bija nekonsekventas un neapkopotas. Tomēr pirmie drebošie soļi tika sperti.

Mikropasaules izpratne 20. gadsimta sākumā

1901. gadā tika prezentēts pirmais atoma modelis un parādīta tā atteice no parastās elektrodinamikas viedokļa. Tajā pašā laika posmā Makss Planks un Nīls Bors publicēja daudzus darbus par atoma būtību. Neskatoties uz to, ka viņi pilnībā saprata atoma struktūru, nepastāvēja.

Dažus gadus vēlāk, 1905. gadā, mazpazīstams vācu zinātnieks Alberts Einšteins publicēja ziņojumu par gaismas kvanta pastāvēšanas iespējamību divos stāvokļos - viļņu un korpuskulārā (daļiņās). Viņa darbā tika sniegti argumenti, izskaidrojot modeļa neveiksmes iemeslu. Tomēr Einšteina redzējumu ierobežoja vecā izpratne par atoma modeli.

Pēc daudzajiem Nīla Bora un viņa kolēģu darbiem 1925. gadā radās jauns virziens - sava veida kvantu mehānika. Izplatīts izteiciens - "kvantu mehānika" parādījās trīsdesmit gadus vēlāk.

Ko mēs zinām par kvantiem un to dīvainībām?

Mūsdienās kvantu fizika ir gājusi pietiekami tālu. Ir atklātas daudzas dažādas parādības. Bet ko mēs īsti zinām? Atbildi sniedz viens mūsdienu zinātnieks. "Var vai nu ticēt kvantu fizikai, vai arī to nesaprast," ir definīcija. Padomājiet par to paši. Pietiks pieminēt tādu parādību kā daļiņu kvantu sapīšanās. Šī parādība ir novedusi zinātniskā pasaule pilnīga apjukuma stāvoklī. Vēl šokējošāk bija tas, ka radītais paradokss nav savienojams ar Einšteinu.

Fotonu kvantu sapīšanās efekts pirmo reizi tika apspriests 1927. gadā piektajā Solvay kongresā. Starp Nīlsu Boru un Einšteinu izcēlās karsts strīds. Kvantu sapīšanās paradokss ir pilnībā mainījis izpratni par materiālās pasaules būtību.

Ir zināms, ka visi ķermeņi sastāv no elementārdaļiņām. Attiecīgi visas kvantu mehānikas parādības tiek atspoguļotas parastajā pasaulē. Nīls Bors teica, ka, ja mēs neskatāmies uz mēnesi, tad tas neeksistē. Einšteins to uzskatīja par nepamatotu un uzskatīja, ka objekts pastāv neatkarīgi no novērotāja.

Pētot kvantu mehānikas problēmas, jāsaprot, ka tās mehānismi un likumi ir savstarpēji saistīti un nepakļaujas klasiskajai fizikai. Mēģināsim izprast vispretrunīgāko jomu – daļiņu kvantu sapīšanās.

Kvantu sapīšanās teorija

Vispirms ir vērts saprast, ka kvantu fizika ir kā bezdibena aka, kurā var atrast visu, ko vien vēlaties. Kvantu sapīšanās fenomenu pagājušā gadsimta sākumā pētīja Einšteins, Bors, Maksvels, Boils, Bels, Planks un daudzi citi fiziķi. Visā divdesmitajā gadsimtā tūkstošiem zinātnieku visā pasaulē to aktīvi pētīja un eksperimentēja.

Pasaule ir pakļauta stingriem fizikas likumiem

Kāpēc tāda interese par kvantu mehānikas paradoksiem? Viss ir ļoti vienkārši: mēs dzīvojam, pakļaujoties noteiktiem fiziskās pasaules likumiem. Spēja “apiet” predestināciju paver maģiskas durvis, aiz kurām viss kļūst iespējams. Piemēram, jēdziens "Šrēdingera kaķis" noved pie matērijas kontroles. Tāpat kļūs iespējams teleportēt informāciju, kas izraisa kvantu sapīšanās. Informācijas pārraide kļūs tūlītēja neatkarīgi no attāluma.
Šis jautājums joprojām tiek pētīts, taču tam ir pozitīva tendence.

Analoģija un izpratne

Kas ir unikāls kvantu sapīšanai, kā to saprast un kas ar to notiek? Mēģināsim to izdomāt. Tas prasīs kādu domu eksperimentu. Iedomājieties, ka jūsu rokās ir divas kastes. Katrā no tiem ir viena bumbiņa ar svītru. Tagad mēs iedodam vienu kasti astronautam, un viņš lido uz Marsu. Tiklīdz jūs atverat kastīti un redzat, ka svītra uz bumbas ir horizontāla, tad otrā lodziņā bumbiņai automātiski būs vertikāla svītra. Tā būs kvantu sapīšanās. vienkāršos vārdos izrunāts: viens objekts iepriekš nosaka cita pozīciju.

Tomēr jāsaprot, ka tas ir tikai virspusējs skaidrojums. Lai iegūtu kvantu sapīšanos, ir nepieciešams, lai daļiņām būtu vienāda izcelsme, piemēram, dvīņiem.

Ir ļoti svarīgi saprast, ka eksperiments tiks izjaukts, ja kādam pirms jums bija iespēja apskatīt vismaz vienu no objektiem.

Kur var izmantot kvantu sapīšanu?

Kvantu sapīšanās principu var izmantot, lai nekavējoties pārraidītu informāciju lielos attālumos. Šāds secinājums ir pretrunā ar Einšteina relativitātes teoriju. Tajā teikts, ka maksimālais kustības ātrums ir raksturīgs tikai gaismai - trīs simti tūkstoši kilometru sekundē. Šāda informācijas pārsūtīšana ļauj pastāvēt fiziskai teleportācijai.

Viss pasaulē ir informācija, arī matērija. Kvantu fiziķi nonāca pie šāda secinājuma. 2008. gadā, balstoties uz teorētisko datubāzi, ar neapbruņotu aci bija iespējams redzēt kvantu samezglošanos.

Tas vēlreiz norāda uz to, ka esam uz lielu atklājumu robežas – kustība telpā un laikā. Laiks Visumā ir diskrēts, tāpēc momentāna kustība lielos attālumos ļauj nokļūt dažādos laika blīvumos (pamatojoties uz Einšteina, Bora hipotēzēm). Iespējams, nākotnē tā būs realitāte tāpat kā mobilais tālrunis šodien.

Ētera dinamika un kvantu sapīšanās

Pēc dažu vadošo zinātnieku domām, kvantu sapīšanās ir izskaidrojama ar to, ka telpa ir piepildīta ar kaut kādu ēteri - melno vielu. Jebkura elementārdaļiņa, kā mēs zinām, pastāv viļņa un korpusa (daļiņas) formā. Daži zinātnieki uzskata, ka visas daļiņas atrodas uz tumšās enerģijas "audekla". To nav viegli saprast. Mēģināsim to izdomāt citā veidā - asociācijas metodē.

Iedomājieties sevi jūrmalā. Neliels vējiņš un neliels vējiņš. Redzi viļņus? Un kaut kur tālumā, saules staru atspulgos, ir redzama buru laiva.
Kuģis būs mūsu elementārdaļiņa, un jūra būs ēteris (tumšā enerģija).
Jūra var kustēties redzamu viļņu un ūdens pilienu veidā. Tādā pašā veidā visas elementārdaļiņas var būt tikai jūra (tās neatņemama sastāvdaļa) vai atsevišķa daļiņa - piliens.

Šis ir vienkāršots piemērs, viss ir nedaudz sarežģītāk. Daļiņas bez novērotāja klātbūtnes ir viļņa formā un tām nav noteiktas atrašanās vietas.

Baltā buru laiva ir izcils objekts, tā atšķiras no jūras ūdens virsmas un struktūras. Tādā pašā veidā enerģijas okeānā ir "virsotnes", kuras mēs varam uztvert kā to mums zināmo spēku izpausmi, kuri ir veidojuši pasaules materiālo daļu.

Mikropasaule dzīvo pēc saviem likumiem

Kvantu sapīšanās principu var saprast, ja ņemam vērā faktu, ka elementārdaļiņas ir viļņu formā. Bez noteiktas atrašanās vietas un īpašībām abas daļiņas atrodas enerģijas okeānā. Brīdī, kad parādās novērotājs, vilnis “pārvēršas” par objektu, kas ir pieejams pieskarties. Otrā daļiņa, novērojot līdzsvara sistēmu, iegūst pretējas īpašības.

Aprakstītais raksts nav paredzēts ietilpīgiem zinātniskiem aprakstiem kvantu pasaule. Spēja saprast parastu cilvēku ir balstīta uz piedāvātā materiāla izpratnes pieejamību.

Elementārdaļiņu fizika pēta kvantu stāvokļu samezglošanos, pamatojoties uz elementārdaļiņas griešanos (rotāciju).

Zinātniskā valodā (vienkāršotā) - kvantu sapīšanās tiek definēta ar dažādiem spiniem. Objektu novērošanas procesā zinātnieki redzēja, ka var pastāvēt tikai divi griezieni - gar un šķērsām. Savādi, bet citās pozīcijās daļiņas “nepozē” novērotājam.

Jauna hipotēze – jauns skatījums uz pasauli

Mikrokosma – elementārdaļiņu telpas – izpēte radīja daudzas hipotēzes un pieņēmumus. Kvantu sapīšanās efekts mudināja zinātniekus aizdomāties par sava veida kvantu mikrorežģa esamību. Pēc viņu domām, katrā mezglā - krustošanās punktā - ir kvants. Visa enerģija ir neatņemams režģis, un daļiņu izpausme un kustība ir iespējama tikai caur režģa mezgliem.

Šāda režģa "loga" izmērs ir diezgan mazs, un mērījums moderns aprīkojums neiespējami. Tomēr, lai apstiprinātu vai atspēkotu šo hipotēzi, zinātnieki nolēma izpētīt fotonu kustību telpiskā kvantu režģī. Apakšējā līnija ir tāda, ka fotons var pārvietoties vai nu taisni, vai zigzagos - pa režģa diagonāli. Otrajā gadījumā, pārvarot lielāku attālumu, viņš tērēs vairāk enerģijas. Attiecīgi tas atšķirsies no fotona, kas kustas taisnā līnijā.

Iespējams, laika gaitā mēs uzzināsim, ka dzīvojam telpiskā kvantu režģī. Vai arī tas var izrādīties nepareizi. Taču tieši kvantu sapīšanās princips norāda uz režģa pastāvēšanas iespējamību.

Ja runāt vienkārša valoda, tad hipotētiskā telpiskā "kubā" vienas sejas definīcijai ir skaidri pretēja nozīme otrai. Tas ir telpas – laika – struktūras saglabāšanas princips.

Epilogs

Lai saprastu burvju un noslēpumaina pasaule kvantu fizika, ir vērts tuvāk aplūkot zinātnes attīstības gaitu pēdējo piecsimt gadu laikā. Kādreiz Zeme bija plakana, nevis sfēriska. Iemesls ir acīmredzams: ja jūs uztverat tā formu kā apaļu, tad ūdens un cilvēki nespēs pretoties.

Kā redzam, problēma pastāvēja tad, ja nebija pilnīga visu darbojošos spēku vīzijas. Iespējams, ka mūsdienu zinātne lai izprastu kvantu fiziku, nepietiek tikai redzēt visus darbojošos spēkus. Redzes nepilnības rada pretrunu un paradoksu sistēmu. Iespējams, maģiskā kvantu mehānikas pasaule satur atbildes uz uzdotajiem jautājumiem.

kvantu sapīšanās

kvantu sapīšanās (sapīšanās) (ang. Entanglement) - kvantu mehāniska parādība, kurā jāapraksta divu vai vairāku objektu kvantu stāvoklis attiecībā pret otru, pat ja atsevišķi objekti ir atdalīti telpā. Rezultātā starp novērotajiem pastāv korelācijas fizikālās īpašības objektus. Piemēram, ir iespējams sagatavot divas daļiņas, kas atrodas vienā kvantu stāvoklī, lai, novērojot vienu daļiņu stāvoklī ar spinu, kas vērsts uz augšu, otras spins izrādās vērsts uz leju un otrādi, un tas neskatoties uz to, ka saskaņā ar kvantu mehāniku tiek prognozēts, ka katru reizi faktiski iegūtie virzieni ir neiespējami. Citiem vārdiem sakot, šķiet, ka mērījumiem, kas veikti vienā sistēmā, ir tūlītēja ietekme uz to, kas ar to ir sapinusies. Tomēr tas, kas tiek saprasts ar informāciju klasiskajā izpratnē, joprojām nevar tikt pārraidīts caur sapīšanu ātrāk nekā ar gaismas ātrumu.
Iepriekš oriģinālais termins "sapīšanās" tika tulkots pretējā nozīmē - kā sapīšanās, bet vārda nozīme ir saglabāt saikni arī pēc sarežģītas kvantu daļiņas biogrāfijas. Tātad, klātesot savienojumam starp divām daļiņām fiziskās sistēmas spolē, “pavelkot” vienu daļiņu, bija iespējams noteikt otru.

Kvantu sapīšanās ir nākotnes tehnoloģiju, piemēram, kvantu datoru un kvantu kriptogrāfijas, pamatā, un tā ir izmantota arī eksperimentos kvantu teleportācija. Teorētiskā un filozofiskā ziņā šī parādība ir viena no revolucionārākajām kvantu teorijas īpašībām, jo ​​redzams, ka kvantu mehānikas prognozētās korelācijas ir pilnīgi nesavienojamas ar priekšstatiem par šķietami acīmredzamo reālās pasaules lokāciju, kurā informācija. par sistēmas stāvokli var pārraidīt tikai caur tās tiešo vidi. Dažādi uzskati par to, kas patiesībā notiek kvantu mehāniskās sapīšanās procesā, noved pie dažādām kvantu mehānikas interpretācijām.

Fons

1935. gadā Einšteins, Podoļskis un Rozens formulēja slaveno Einšteina-Podoļska-Rozena paradoksu, kas parādīja, ka savienojamības dēļ kvantu mehānika kļūst par nelokālu teoriju. Mēs zinām, kā Einšteins izsmēja savienojamību, nosaucot to par "murgu darbību no attāluma". Protams, nelokālā savienojamība atspēkoja TO postulātu par gaismas ātruma ierobežošanu (signāla pārraidi).

No otras puses, kvantu mehānika ir lieliski spējusi prognozēt eksperimentālos rezultātus, un patiesībā ir novērotas pat spēcīgas korelācijas sapīšanās fenomena dēļ. Ir veids, kas, šķiet, ir veiksmīgs, lai izskaidrotu kvantu sapīšanos, "slēptās mainīgās teorijas" pieeju, kurā noteikti, bet nezināmi mikroskopiski parametri ir atbildīgi par korelācijām. Tomēr 1964. gadā Dž.S. Bells parādīja, ka “labu” lokālo teoriju šādā veidā nevar izveidot, tas ir, kvantu mehānikas prognozēto samezglošanos var eksperimentāli atšķirt no rezultātiem, ko paredz plaša teoriju klase ar lokāliem slēptiem parametriem. . Turpmāko eksperimentu rezultāti sniedza satriecošu kvantu mehānikas apstiprinājumu. Dažas pārbaudes liecina, ka šajos eksperimentos ir vairākas vājās vietas, taču ir vispāratzīts, ka tie nav būtiski.

Savienojamībai ir interesantas attiecības ar relativitātes principu, kas nosaka, ka informācija nevar pārvietoties no vietas uz vietu ātrāk par gaismas ātrumu. Lai gan divas sistēmas var atšķirties ar lielu attālumu un joprojām sapīties, caur to savienojumu nav iespējams pārraidīt noderīgu informāciju, tāpēc sapīšanās dēļ cēloņsakarība netiek pārkāpta. Tas notiek divu iemeslu dēļ:
1. mērījumu rezultāti kvantu mehānikā ir fundamentāli varbūtiski;
2. Kvantu stāvokļa klonēšanas teorēma aizliedz statistiski pārbaudīt sapinušos stāvokļus.

Daļiņu ietekmes cēloņi

Mūsu pasaulē ir vairāku kvantu daļiņu īpašie stāvokļi - sapinušies stāvokļi, kuros tiek novērotas kvantu korelācijas (kopumā korelācija ir sakarība starp notikumiem virs nejaušu sakritību līmeņa). Šīs korelācijas var atklāt eksperimentāli, kas pirmo reizi tika veikts pirms vairāk nekā divdesmit gadiem un tagad tiek regulāri izmantots dažādos eksperimentos. Klasiskajā (tas ir, nekvantu) pasaulē pastāv divu veidu korelācijas – kad viens notikums ir cita cēlonis, vai arī tad, kad tiem abiem ir kopīgs cēlonis. Kvantu teorijā rodas trešais korelācijas veids, kas saistīts ar vairāku daļiņu sapinušies stāvokļu nelokālajām īpašībām. Šo trešo korelācijas veidu ir grūti iedomāties, izmantojot pazīstamas ikdienas analoģijas. Vai varbūt šīs kvantu korelācijas ir kādas jaunas, līdz šim nezināmas mijiedarbības rezultāts, kuras dēļ sapinušās daļiņas (un tikai tās!) ietekmē viena otru?

Tūlīt ir vērts uzsvērt šādas hipotētiskas mijiedarbības "nenormalitāti". Kvantu korelācijas tiek novērotas pat tad, ja vienlaicīgi (eksperimentālo kļūdu robežās) notiek divu lielā attālumā atdalītu daļiņu noteikšana. Tas nozīmē, ka, ja šāda mijiedarbība notiek, tai laboratorijas atskaites sistēmā ir jāizplatās ārkārtīgi ātri, ar superluminālo ātrumu. Un no tā neizbēgami izriet, ka citos atskaites rāmjos šī mijiedarbība kopumā būs tūlītēja un pat iedarbosies no nākotnes uz pagātni (lai gan nepārkāpjot cēloņsakarības principu).

Eksperimenta būtība

Eksperimenta ģeometrija. Ženēvā tika ģenerēti sapinušies fotonu pāri, pēc tam fotoni pa vienāda garuma optiskās šķiedras kabeļiem (atzīmēti ar sarkanu) tika nosūtīti uz diviem uztvērējiem (apzīmēti ar burtiem APD), kas atdalīti 18 km attālumā. Attēls no attiecīgā raksta žurnālā Nature

Eksperimenta ideja ir šāda: mēs izveidojam divus sapinušos fotonus un nosūtām tos uz diviem detektoriem pēc iespējas tālāk (aprakstītajā eksperimentā attālums starp diviem detektoriem bija 18 km). Šajā gadījumā fotonu ceļus uz detektoriem veidojam pēc iespējas identiskākus, lai to noteikšanas momenti būtu pēc iespējas tuvāki. Šajā darbā noteikšanas momenti sakrita ar aptuveni 0,3 nanosekundes precizitāti. Šādos apstākļos joprojām tika novērotas kvantu korelācijas. Tātad, ja mēs pieņemam, ka tie “darbojas” iepriekš aprakstītās mijiedarbības dēļ, tad tā ātrumam vajadzētu simts tūkstošus reižu pārsniegt gaismas ātrumu.
Faktiski šādu eksperimentu tā pati grupa veica iepriekš. Šī darba jaunums ir tikai tas, ka eksperiments ilga ilgu laiku. Kvantu korelācijas tika novērotas nepārtraukti un nepazuda nevienā diennakts laikā.
Kāpēc tas ir svarīgi? Ja hipotētisku mijiedarbību veic kāds medijs, tad šim medijam būs īpašs atskaites rāmis. Zemes rotācijas dēļ laboratorijas atskaites rāmis pārvietojas attiecībā pret šo atskaites rāmi dažādos ātrumos. Tas nozīmē, ka laika intervāls starp diviem divu fotonu noteikšanas notikumiem šai videi visu laiku būs atšķirīgs atkarībā no diennakts laika. Jo īpaši būs brīdis, kad šie divi notikumi šai videi šķitīs vienlaicīgi. (Šeit, starp citu, tiek izmantots fakts no relativitātes teorijas, ka divi vienlaicīgi notikumi visās būs vienādi inerciālās sistēmas atsauce, kas pārvietojas perpendikulāri līnijai, kas tos savieno).

Ja kvantu korelācijas tiek veiktas iepriekš aprakstītās hipotētiskās mijiedarbības dēļ un ja šīs mijiedarbības ātrums ir ierobežots (kaut arī patvaļīgi liels), tad šajā brīdī korelācijas izzustu. Tāpēc nepārtraukta korelāciju novērošana dienas laikā šo iespēju pilnībā slēgtu. Un šāda eksperimenta atkārtošana dažādos gada laikos slēgtu šo hipotēzi pat ar bezgala ātru mijiedarbību savā, izvēlētajā atskaites sistēmā.

Diemžēl tas netika sasniegts eksperimenta nepilnības dēļ. Šajā eksperimentā, lai teiktu, ka korelācijas patiešām tiek novērotas, ir nepieciešams uzkrāt signālu vairākas minūtes. Korelāciju pazušanu, piemēram, uz 1 sekundi, šis eksperiments nevarēja pamanīt. Tāpēc autori nespēja pilnībā aizvērt hipotētisko mijiedarbību, bet tikai ieguva ierobežojumu tās izplatīšanās ātrumam savā izvēlētajā atskaites sistēmā, kas, protams, ievērojami samazina iegūtā rezultāta vērtību.

Var būt...?

Lasītājs var jautāt: ja tomēr iepriekš aprakstītā hipotētiskā iespēja ir realizēta, bet eksperimentā tā vienkārši netika ņemta vērā tās nepilnības dēļ, vai tas nozīmē, ka relativitātes teorija ir nepareiza? Vai šo efektu var izmantot superluminālai informācijas pārraidei vai pat kustībai telpā?

Nē. Iepriekš aprakstītā hipotētiskā būvniecības mijiedarbība kalpo vienīgajam mērķim - tie ir “zobrati”, kas liek kvantu korelācijām “darboties”. Bet jau ir pierādīts, ka ar kvantu korelāciju palīdzību nav iespējams pārraidīt informāciju ātrāk par gaismas ātrumu. Tāpēc, lai kāds būtu kvantu korelāciju mehānisms, tas nevar pārkāpt relativitātes teoriju.
© Igors Ivanovs

Skatīt vērpes laukus.
Smalkās pasaules pamati – fiziskie vakuuma un vērpes lauki. četri.

kvantu sapīšanās.

Autortiesības © 2015 Beznosacījumu mīlestība