Експеримент, який назавжди змінив наше уявлення про реальність

      Принцип невизначеності говорить, що ми не можемо знати певні властивості квантової системи в один і той же час. Наприклад, ми не можемо одночасно дізнатися положення частки і її швидкість. Але що це говорить нам про реальний світ? Якби ми могли зазирнути за лаштунки квантової теорії, виявили б ми, що об'єкти дійсно володіють певною позицією і швидкістю? Або принцип невизначеності означає, що на фундаментальному рівні об'єкти просто не мають чітку позицію і імпульс одночасно . Іншими словами, неповна чи наша теорія чи реальність «розмита» насправді?
 
 
 
 
Варіант 1: Каламутні окуляри, чітка реальність
Перша перспектива така, що використання квантової механіки — як носіння митних очок. Якби ми могли якось зняти ці окуляри і зазирнути за лаштунки на фундаментальну реальність, то, звичайно, частка повинна мати деяку певну позицію і імпульс. Зрештою, це річ в нашому Всесвіті і Всесвіт повинна знати, де ця річ і в яку сторону вона рухається, навіть якщо ми не знаємо цього. Відповідно до цієї точки зору, квантова механіка не є повним описом реальності — ми досліджуємо всю тонкість природи тупим інструментом і тому безсумнівно пропускаємо деякі деталі.
 
Це відповідає тому, як все інше в нашому світі працює. Коли я знімаю своє взуття, і ви бачите, що я одягнув червоні шкарпетки, ви не думаєте, що мої шкарпетки були в стані невизначеного кольору, поки ми не спостерігали їх, з тим шансом, що вони могли б бути сині, жовті або рожеві. Замість цього ви (правильно) припускаєте, що мої шкарпетки завжди були червоні. Так чому ж частки повинні працювати по-іншому? Очевидно, що властивості речей в природі повинні існувати незалежно від того, вимірюємо ми їх, правда?
 
 
 
 
Варіант 2: Чіткі окуляри, каламутна реальність
З іншого боку, може виявитися, що наші окуляри абсолютно чіткі, але реальність розмита. Відповідно до цієї точки зору, квантова механіка є повним описом реальності на цьому рівні і всі об'єкти у Всесвіті просто не мають певного положення та імпульсу. Це думка, якого більшість квантових фізиків дотримуються. Це не інструменти тупі, а реальність туманна за своєю суттю. На відміну від випадку з моїми червоними шкарпетками, коли ви вимірюєте позицію частинки, вона не має певного положення до того моменту, як ви виміряли його. Акт вимірювання позиції змушує частинку мати певну позицію.
 
Тепер ви можете подумати, що це один з тих «якщо-дерево-падає-в-лісі» метафізичних питань, які не можуть мати певну відповідь. Проте, на відміну від більшості філософських питань є фактичний експеримент, який ви можете зробити, щоб вирішити цей спір. Більш того, цей експеримент був пророблений безліч разів. На мій погляд, це одна з найбільш недооцінених ідей в нашому розумінні фізики. Експеримент є досить простим і надзвичайно глибоким, тому що пояснює нам дещо дивне про природу реальності.
 
 
 
Ось установка. Є джерело світла в середині кімнати. Кожну хвилину він посилає два фотони в протилежних напрямках. Ці пари фотонів створюються в особливому стані, відомому як квантова заплутаність. Це означає, що вони обидва пов'язані квантовим чином — якщо ви робите вимірювання одного фотона, ви не просто міняєте його квантовий стан, але відразу ж впливаєте на квантовий стан іншого фотона.
 
Ліворуч і праворуч в цій кімнаті два однакових ящика, призначених для прийому фотонів. На кожному ящику є лампочка-індикатор. Кожен раз, коли фотон потрапляє в пристрій, індикатор блимає одним з двох кольорів — червоним або зеленим. Щоразу колір лампочки виявляється випадковим — без будь-якої закономірності. По всій видимості ця коробка вимірює деякий властивість фотона.
 
Ви можете лише здогадуватися про те, який колір запалиться наступним. Але ось дійсно дивна річ: всякий раз, коли одна коробка блимає певним кольором, інша коробка блимає тим же самим. Незалежно від того, як далеко ви намагаєтеся перемістити коробки від детектора, навіть якби вони знаходилися в протилежних кінцях нашої Сонячної системи, вони будуть мигати і одним і тим же кольором без збоїв.
 
Це схоже на те, як якщо б ці ящики були у змові з метою дати один і той же результат. Як це можливо? (Якщо у вас є власна теорія про те, як ці коробки працюють, притримайте її і скоро ви зможете порівняти свою ідею з експериментом.)
 
 
 
«Ага! — Скаже квантовий ентузіаст. — Я можу пояснити, що тут відбувається. Кожен раз, коли фотон потрапляє в один з ящиків, пристрій вимірює його квантовий стан, яке повідомляється миготінням червоним або зеленим кольором. Але два фотони квантово зчеплені, тому коли ми виміряли, що один фотон перебуває, скажімо, в "червоному стані", ми змушуємо другий фотон бути в тому ж самому стані! Ось чому два ящики завжди блимають одним і тим же кольором ».
 
 
 
«Почекай-но, — каже класичний фізик. — Частинки — це більярдні кулі, а не ляльки вуду. Це абсурд, що вимірювання в одному місці простору може миттєво вплинути на щось у зовсім іншому місці. Коли я помічаю, що один з моїх шкарпеток червоний, це не змінює стан мого іншого носка, змушуючи його бути також корисним. Просте пояснення в тому, що фотони в цьому експерименті, як і шкарпетки, створюються парами. Іноді вони обидва в червоному стані, в інших випадках — в зеленому. Ці коробки просто вимірюють "приховані параметри" фотонів ».
 
Експеримент і міркування, викладені тут, є версією уявного експерименту, вперше сформульованого Ейнштейном, Подільським та Розеном, і відомим як парадокс ЕПР . Вирішальним моментом їх аргументів є те, що абсурдним здається той факт, що вимірювання в одному місці може миттєво вплинути на вимірювання в зовсім іншому місці. Більш логічне пояснення в тому, що ящики детектируют деякі приховані властивості, якими володіють обидва фотона. З моменту їх створення ці фотони мають якийсь прихований штамп, як паспорт, який відносить їх до червоному або зеленому станом. Коробки, має бути, визначають цей штамп. Ейнштейн, Подільський і Розен стверджували, що випадковість, яку ми спостерігаємо в цих експериментах, є нашим прогалиною в теорії природи. За їх словами — наші окуляри мутні. У термінології теорій поля ця ідея відома як Теорія прихованих параметрів .
 
 image
 
Здавалося б, класична фізика виграв цей раунд, з поясненням, що простіше і має більше сенсу.
 
Наступного дня нова пара ящиків приходить поштою. Нова версія коробки має три вбудованих дверей. Ви можете відкрити тільки одні двері за один раз. За кожними дверима індикатор, який як і колись, може світитися червоним або зеленим.
 
 image
 
Обидва фізика граються з цими новими девайсами, ловлячи фотони і спостерігаючи, що відбувається, коли вони відкривають двері. Через кілька годин метушні вони з'ясовують:
 
1. Якщо вони відкривають одну і ту ж двері на обох коробках, лампочки горять завжди одним і тим же кольором.
 
2. Якщо вони відкривають двері двох коробок випадково, то один і той же колір з'являється рівно в половині випадків.
 
Після деяких роздумів класичний фізик придумує просте пояснення цьому експерименту. «В принципі, це не дуже відрізняється від вчорашніх коробок. Це можна пояснити так. Припустимо, що замість одного штампа кожен фотон з пари тепер має три штампа, як наявність декількох паспортів. Кожні двері коробки відповідає одному з таких штампів. Так, наприклад, три штампа можуть бути червоним, зеленим, червоним. Це означатиме, що індикатор за першими дверима буде блимати червоним, за другий зеленим і за третє теж червоним ».
 
«Ця ідея пояснює, що, коли ми відкриваємо ту ж двері на обох коробках, ми отримуємо той же колір, тому що обидві коробки читають один і той же штамп. Але коли ми відкриваємо різні двері, пристрої читають різні штампи, тому вони можуть давати різні результати ».
 
І знову пояснення класичного фізика просто і не стосується ніяких модних понять, як квантова заплутаність або принцип невизначеності.
 
«Не так швидко, — говорить квантовий фізик, який щойно закінчив строчити розрахунок у своєму блокноті. — Коли ми відкриваємо двері навмання, то виявляємо, що в половині раз вогні блимають одним і тим же кольором. Це число — 0.5 — в точності збігається з прогнозами квантової механіки. Але згідно вашої "теорії прихованих параметрів", лампочки повинні мигати одним і тим же кольором більше половини раз! »
 
«Згідно ідеї прихованих параметрів, є 8 можливих комбінацій штампів, які фотони можуть мати. Давайте називати їх за першими літерами квітів для стислості, так RRG = червоний, червоний, зелений (red, red, green) ».
 
RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
RGG
RRR
GGG
«Тепер, якщо ми вибираємо двері рандомно, то в третині випадків ми виберемо одну і ту ж двері і побачимо той же колір».
 
«Інші дві третини часу ми вибираємо різні двері. Скажімо, ми маємо справу з фотонами з наступною конфігурацією штампів »:
 
RRG
«У такій конфігурації, якщо ми вибрали двері 1 на одній коробці і двері 2 на другий, індикатори світяться однаковими квітами (червоний і червоний). Але якщо ми вибрали двері 1 і 3 або двері 2 і 3 — кольори різні (червоний і зелений). Таким чином, в одній третині таких випадків коробки дають один і той же колір ».
 
«Підводячи підсумок. У третині випадків коробки мають однакові кольори, тому що ми вибрали однакові двері. Дві третини часу ми вибираємо різні двері, і в однієї третини цих випадків ми отримаємо один і той же колір ».
 
«Порахуємо»:
 
⅓ + ⅔ ⅓ = 3/9 + 2/9 = 5/9 = 55.55%
 
«55.55% — ймовірність того, що ящики запаляться одним і тим же кольором, коли ми вибираємо дві двері навмання, у відповідності з теорією прихованих параметрів».
 
«Але зачекайте! Ми розібрали тільки одну комбінацію — RRG. А як же інші? Швидко глянувши, можна помітити, що математика залишається точно такий же у всіх наступних випадках »:
 
RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
RGG
«Залишається два варіанти»:
 
RRR
GGG
«У цих ситуаціях ми отримаємо однакові кольори незалежно від того, які двері ми оберемо. Таким чином, шанси вибрати один і той же колір тільки збільшуються ».
 
«Кульмінацією є те, що згідно з ідеєю прихованих параметрів, шанси коробок блимати одним і тим же кольором, коли ми відкриваємо двері навмання — не менше 55.55%. Але згідно з квантовою механікою, відповідь становить 50%. Експериментальні дані узгоджуються з квантовою механікою, і це виключає теорію прихованих параметрів ».
 
Можна зробити паузу і подумати, що ми тільки що показали.
 
Ми розглянули новаторський аргумент у квантовій механіці, відомий як Теорема Белла . Чорні ящики насправді не блимають червоними і зеленими вогнями, але ключові деталі збігаються з реальними експериментами , які вимірюють поляризацію поплутаних фотонів.
 
Теорема Белла малює лінію на піску між дивним квантовим світом і класичним світом, який ми знаємо і любимо. Це доводить, що теорії прихованих параметрів і схожі з ними теорії, які Ейнштейн і його приятелі придумали, не відображають реальний світ. Замість цього з'являється квантова механіка з її частками, які можуть бути зчеплені на величезних відстанях. Коли ви обурюватися квантовий стан однієї з цих заплутаних часток, ви миттєво обурюватися стан іншої незалежно від того, де у Всесвіті вона знаходиться.
 
Відрадно думати, що ми могли б пояснити дивацтва квантової механіки, якби уявили повсякденні частинки з маленькими невидимими механізмами всередині або невидимими штампами, або захованими записниками, або чимось ще — деякими прихованими змінними, до яких ми не маємо доступу і які зберігають «реальні» координати і імпульс, і інші подробиці про частинку. Комфортно думати, що на фундаментальному рівні реальність поводиться класично і що наша незграбна теорія не дозволяє нам зазирнути в цей прихований регістр. Але Теорема Белла позбавляє нас цього комфорту. Реальність розмита , і ми просто повинні звикнути до цього факту.
 
 
  
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.