Това е деветата от поредица от статии, изследващи раждането на квантовата физика.
През последните няколко седмици проучихме някои от основополагащите концепции в квантовата физика, от квантови скокове да се суперпозиция и много повече. Днес изследваме кой може да е най-странният от квантовите ефекти, този на квантово заплитанекоето Айнщайн нарича призрачен екшън от разстояние. Думата го казва ясно: Да бъдеш заплетен означава да бъдеш свързан – да имаш някаква връзка или зависимост от нещо друго.
Дефиницията в речника е по-прагматична: „причина да се усуче заедно с или да бъде уловен“, като риба, оплетена в мрежа, или човек, оплетен в трудна ситуация. Е, двойки квантови обекти – като двойки фотони, двойки електрони или електрони и детектори – наистина се заплитат. И този вид квантово заплитане всъщност е трудна ситуация, поне за разбиране. За да разберете какво е заплитането, може би е най-добре да го приложите към практически обстоятелства. Ако останете с мен, ще научите основите на заплитането и защо е странно.
Поляризиращо обяснение
Когато светлината е поляризирана (например чрез преминаване през поляризиращ филтър), свързаната с нея вълна се движи нагоре и надолу в същата посока на поляризацията, подобно на това, че се движим нагоре и надолу, когато яздим кон. (Това е посоката на електрическото поле, характеризиращо електромагнитната вълна.) Фотони, които можем да разберем като частици светлина, споделете тази поляризация. Подробностите за това как работи това не са важни. Важното е, че фотоните имат това свойство и че то може да бъде измерено.
Представете си, че източник на светлина създава двойка поляризирани фотони, пътуващи в противоположни посоки, както е на диаграмата по-долу. Сега си представете, че двама физици, Алис и Боб, всеки стои със светлинен детектор на сто ярда от източника. Алис стои отляво, а Боб отдясно. Тъй като фотоните се движат със скоростта на светлината, Алис и Боб биха видели фотони, пристигащи към техните детектори по едно и също време.
[Alice]———<———(източник)———>———[Bob]
Детекторите могат да усетят две посоки на поляризация на светлината: вертикална (⎮) и хоризонтална (—). Източникът на светлина винаги произвежда двойки фотони с еднаква поляризация. Алис и Боб не знаят каква поляризация има двойката, докато не измерят своите фотони. Да кажем, че Алис измерва вертикално; Боб ще измерва и вертикално. Ако Алиса измерва хоризонтално, Боб също ще измерва. Въпреки че има 50/50 шанс фотонът да бъде в едно от двете състояния на поляризация (донякъде като хвърляне на монета, вертикалната или хоризонталната поляризация се появява на случаен принцип), Алис и Боб винаги ще получат същия резултат. Двата фотона, напускащи източника, са заплетени и изглежда, че се държат като един.
Алис решава да се приближи малко до източника. По този начин нейният фотон изминава по-късо разстояние до нея и пристига по-рано от фотона на Боб. Тя измерва фотон с вертикална поляризация. Веднага тя разбира, че фотонът на Боб също ще има вертикална поляризация. Тя знае това, преди фотонът да достигне детектора на Боб.
Според квантовата механика можете да разберете състоянието на нещо само като погледнете. И тъй като нищо не може да се движи по-бързо от скоростта на светлината, Алис очевидно е повлияла мигновено на фотона на Боб, без да взаимодейства с него. Или поне това е един от начините да мислим за това. (Ако не мигновено, влиянието е поне свръхсветлинно, по-бързо от скоростта на светлината.) Този вид ефект може да се използва в квантовата телепортация, където информацията се прехвърля чрез възпроизвеждане на състоянието на квантова система от разстояние. По-пряко, той може да се използва в бъдещи комуникационни системи, които ще бъдат по-бързи и по-сигурни от тези, които използваме днес.
Каране на прибоя на Вселената
Удивително е, че ефектът не зависи от това колко далеч са Алис и Боб един от друг. Те можеха да са на 10 мили или 10 светлинни години и щеше да се случи същото. В рамките на точността на текущите детектори всичко изглежда се случва мигновено. Имайте предвид обаче, че не е прехвърлена информация между двата фотона. Те не са взаимодействали помежду си по никакъв (известен) начин. Те се държаха като единно цяло, напълно непроницаемо за пространствено разделение.
През 2018 г. експеримент раздели квантово заплетени фотони на разстояния над 30 мили, и се случи същото. Съвсем наскоро, a беше извършен подобен подвиг не със заплетени фотони, а със заплетени рубидиеви атоми, разделени от 33 километра. Квантовото заплитане е безспорна характеристика на квантовата физика. Изглежда, че се противопоставя на пространството, тъй като не зависи от разстоянието между обектите, и на времето, защото ако не е мигновено — то е поне по-бързо от светлината.
Възможно ли е физиците да пропускат нещо важно и очевидно? Дали просто не сме постигнали правилното разбиране на случващото се? Има ли това, което бихме могли да наречем скрити променливи, които не са част от традиционната формулировка на квантовата механика, които биха могли да обяснят това? В началото на 50-те години на миналия век физикът Дейвид Бом добави допълнително ниво на обяснение към квантовата теория, което може да опише позицията на електрона със сигурност. Той го нарече пилотна вълнова функция. Докато Уравнение на Шрьодингер остане същото, друго уравнение ще работи като негов „пилот“.
Точно както диригентът контролира начина, по който различните части от оркестъра свирят по време на симфония, пилотът на Бом би определил как вълновата функция се разклонява в различните си вероятни състояния. Това провеждане се случва чрез една или повече неоткриваеми скрити променливи, информация, която остава извън обсега на експериментите. Пилотната вълна действаше навсякъде едновременно, като вездесъщо божество, упражняващо свойство, което физиците наричат нелокалност. В новата механика на де Бройл-Бом частиците си остават частици и тяхното колективно движение се ръководи детерминистично чрез нелокалното действие на пилотната вълна. Частиците приличаха на група сърфисти, плъзгащи се по една вълна, всеки избутван насам-натам с напредването на вездесъщата вълна.
Скритата променлива би била липсващата връзка между класическата концепция за реалността и размития свят на квантовата неопределеност. Цената да се направи квантовата механика детерминистична беше да се наложи безкрайна мрежа от влияние сред всичко, което съществува. По принцип това означава, че цялата Вселена участва в определянето на резултата от всеки експеримент. За Айнщайн изоставянето на локалността е твърде висока цена за детерминистичната еволюция.
Все пак трябваше да знаем дали идеята на Бом е валидна или не.
Квантовото заплитане наистина е призрачно
През 1964 г. ирландският физик Джон Бел, работещ в Европейската организация за ядрени изследвания (CERN), предложи брилянтен начин да се провери дали алтернативна формулировка на квантовата механика включва местен скритите променливи беше по-добър в описването на резултатите от експерименти със заплетени частици. Тестът включваше експеримент, подобен на този по-горе, включващ Алис и Боб. Експериментът на Бел обаче използва друго квантово свойство на частиците, наречено спин. Това е вид вътрешно въртене, като въртящ се връх, който никога не спира и може да се върти само при определени квантувани скорости.
Абонирайте се за контраинтуитивни, изненадващи и въздействащи истории, доставяни във входящата ви поща всеки четвъртък
Възприемането е, че през последните четири десетилетия тестът на Бел е прилаган в реални експерименти – които са наградени с Нобелова награда за 2022 г по физика – и резултатите бяха наистина шокиращи: няма локални теории за скрити променливи, съвместими с квантовата механика.
С други думи, природата изглежда действа чрез призрачни действия от разстояние. Нелокални влияния, действащи свръхсветлинно между членовете на пространствено разделени заплетени квантови двойки – това са призраци, които изглеждат реални. Реалността е не само по-странна, отколкото предполагаме. Много по-странно е от нас мога предполагам.
Какви са последствията от квантовото заплитане и суперпозицията за нашата концепция за физическата реалност? Как да тълкуваме всичко това? Следващата седмица ще завършим тази поредица от статии с преглед на различните интерпретации на квантовата физика, които все още се обсъждат страстно сред физиците. Зад окопите виждаме Айнщайн и Бор, толкова вдъхновяващи сега, колкото са били през повече от век на квантово недоумение и триумф.