Kvanttikietoutuminen on entistä hämmentävämpää. Uusia kokeita on tehty kvanttikietoutumisen mekanismin testaamiseksi Kvanttiyhteys
Kvanttikietoutuminen on kvanttimekaaninen ilmiö, jota alettiin tutkia käytännössä suhteellisen hiljattain - 1970-luvulla. Se on seuraava. Kuvitellaan, että jonkin tapahtuman seurauksena kaksi fotonia syntyi samanaikaisesti. Kvanttikietoutunut fotonipari voidaan saada esimerkiksi loistamalla laserilla, jolla on tietyt ominaisuudet epälineaariseen kiteeseen. Parissa syntyneillä fotoneilla voi olla eri taajuuksia (ja aallonpituuksia), mutta niiden taajuuksien summa on yhtä suuri kuin alkuperäisen virityksen taajuus. Niissä on myös ortogonaalisia polarisaatioita kidehilan pohjassa, mikä helpottaa niiden avaruudellista erottamista. Kun hiukkaspari syntyy, säilymislakien on täytyttävä, mikä tarkoittaa, että näiden kahden hiukkasen kokonaisominaisuuksilla (polarisaatio, taajuus) on ennalta tiedossa, tarkasti määritelty arvo. Tästä seuraa, että kun tiedämme yhden fotonin ominaisuudet, voimme täysin tarkasti tietää toisen fotonin ominaisuudet. Kvanttimekaniikan periaatteiden mukaan hiukkanen on mittaushetkeen saakka useiden mahdollisten tilojen superpositiossa ja mittauksen aikana superpositio poistetaan ja hiukkanen päätyy yhteen tilaan. Jos analysoit monia hiukkasia, jokaisessa tilassa on tietty prosenttiosuus hiukkasia, jotka vastaavat tämän tilan todennäköisyyttä superpositiossa.
Mutta mitä tapahtuu kietoutuneiden hiukkasten tilojen superpositiolle sillä hetkellä, kun yhden niistä mitataan? Kvanttikietoutumisen paradoksaalinen ja intuitiivinen luonne piilee siinä, että toisen fotonin ominaisuus määritetään täsmälleen sillä hetkellä, kun mitattiin ensimmäisen fotonin ominaisuus. Ei, tämä ei ole teoreettinen rakennelma, tämä on ympäröivän maailman karu totuus, joka on vahvistettu kokeellisesti. Kyllä, se tarkoittaa vuorovaikutuksen läsnäoloa, joka tapahtuu äärettömän suurella nopeudella, joka ylittää jopa valon nopeuden. Kuinka käyttää tätä ihmiskunnan hyväksi, ei ole vielä kovin selvää. Ideoita on sovelluksia kvanttilaskentaan, kryptografiaan ja viestintään.
Wienin tutkijat ovat onnistuneet kehittämään täysin uuden ja äärimmäisen ristiriitaisen kuvantamistekniikan, joka perustuu valon kvanttiluonteeseen. Heidän järjestelmässään kuvan muodostaa valo, joka ei ole koskaan ollut vuorovaikutuksessa kohteen kanssa. Tekniikka perustuu kvanttisidonnan periaatteeseen. Asiasta julkaistiin artikkeli Nature-lehdessä. Tutkimukseen osallistui tutkijoita Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI), Wienin kvanttitieteen ja teknologian keskuksen (VCQ) ja Wienin yliopiston tutkijoista.
Wieniläisten tiedemiesten kokeessa yhdellä kietoutuneista fotoneista oli aallonpituus spektrin infrapunaosassa, ja tämä kulki näytteen läpi. Sen veljen aallonpituus vastasi punaista valoa ja kamera pystyi havaitsemaan sen. Laserin tuottama valonsäde jaettiin kahteen puolikkaaseen, ja puolikkaat suunnattiin kahteen epälineaariseen kiteeseen. Esine asetettiin kahden kiteen väliin. Se oli kaiverrettu kissan siluetti - kunniaksi Erwin Schrödingerin spekulatiivisen kokeen hahmolle, joka oli jo siirtynyt kansanperinteeseen. Ensimmäisen kiteen fotonien infrapunasäde suunnattiin siihen. Sitten nämä fotonit kulkivat toisen kiteen läpi, jossa kissan kuvan läpi kulkeneet fotonit sekoitettiin vastasyntyneiden infrapunafotonien kanssa niin, että oli täysin mahdotonta ymmärtää, missä kahdesta kiteestä ne syntyivät. Lisäksi kamera ei havainnut infrapunafotoneja ollenkaan. Molemmat punaisten fotonien säteet yhdistettiin ja lähetettiin vastaanottavaan laitteeseen. Kävi ilmi, että kvanttisekoittumisen vaikutuksen ansiosta he tallensivat kaiken kuvan luomiseen tarvittavan tiedon kohteesta.
Samanlaisia tuloksia saatiin kokeella, jossa kuva ei ollut läpinäkymätön levy, jossa oli leikattu ääriviiva, vaan tilavuus silikonikuva, joka ei absorboi valoa, mutta hidasti infrapunafotonin kulkua ja loi fotonien välille vaihe-eron. kulkee kuvan eri osien läpi. Kävi ilmi, että tällainen plastisuus vaikutti myös punaisten fotonien vaiheeseen, sillä ne olivat kvanttikietoutumistilassa infrapunafotonien kanssa, mutta eivät koskaan kulkeneet kuvan läpi.
On ollut monia suosittuja artikkeleita, joissa on puhuttu kvanttisekoittumisesta. Kokeet kvanttisidonnan kanssa ovat erittäin vaikuttavia, mutta ne eivät ole saaneet palkintoja. Miksi tällaiset kokeet kiinnostavat keskivertoihmistä, eivätkä tutkijoita kiinnosta? Suositut artikkelit puhuvat sotkeutuneiden hiukkasten parien hämmästyttävistä ominaisuuksista - vaikutus yhteen johtaa välittömään muutokseen toisen tilassa. Ja mitä kätkeytyy termin "kvanttiteleportaatio" taakse, josta on jo alettu sanoa, että se tapahtuu superluminaalisella nopeudella. Tarkastellaan tätä kaikkea normaalin kvanttimekaniikan näkökulmasta.Mitä tulee kvanttimekaniikasta
Kvanttihiukkaset voivat olla kahdessa tilassa Landaun ja Lifshitzin klassisen oppikirjan mukaan - puhtaita ja sekoitettuja. Jos hiukkanen ei ole vuorovaikutuksessa muiden kvanttihiukkasten kanssa, sitä kuvaa aaltofunktio, joka riippuu vain sen koordinaateista tai momenteista - tätä tilaa kutsutaan puhtaaksi. Tässä tapauksessa aaltofunktio noudattaa Schrödingerin yhtälöä. Toinen vaihtoehto on mahdollinen - hiukkanen on vuorovaikutuksessa muiden kvanttihiukkasten kanssa. Tässä tapauksessa aaltofunktio viittaa koko vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten järjestelmään ja riippuu kaikista niiden dynaamisista muuttujista. Jos olemme kiinnostuneita vain yhdestä hiukkasesta, niin sen tila, kuten Landau osoitti 90 vuotta sitten, voidaan kuvata matriisi- tai tiheysoperaattorilla. Tiheysmatriisi noudattaa yhtälöä, joka on samanlainen kuin Schrödingerin yhtälöMissä on tiheysmatriisi, H on Hamiltonin operaattori, ja suluissa on kommutaattori.
Landau toi hänet ulos. Kaikki tiettyyn hiukkaseen liittyvät fysikaaliset suureet voidaan ilmaista tiheysmatriisin kautta. Tätä tilaa kutsutaan sekamuotoiseksi. Jos meillä on vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten järjestelmä, niin jokainen hiukkanen on sekatilassa. Jos hiukkaset hajoavat pitkiä matkoja ja vuorovaikutus katoaa, niiden tila pysyy silti sekoitettuna. Jos jokainen useista hiukkasista on puhtaassa tilassa, niin tällaisen järjestelmän aaltofunktio on jokaisen hiukkasen aaltofunktion tulos (jos hiukkaset ovat erilaisia. Identtisille hiukkasille, bosoneille tai fermioneille on tarpeen tehdä 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 kuuluvien fysikaalisten suureiden välillä on jatkuva korrelaatio. Yksinkertainen ja yleisin esimerkki on, että tietty fyysinen kokonaismäärä säilyy, esimerkiksi kokonaisspin tai parin 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 ne ovat hajallaan kaukana eivätkä ole vuorovaikutuksessa, tämä ilmaistaan 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 isku tai mittaus, joka muuttaa vain yhden hiukkasen spiniä tai kulmamomenttia, rikkoo välittömästi kokonaisominaisuuden säilymislakia. Vastaava käyttäjä ei voi työskennellä täydellä spinillä tai täydellä kulmamomentilla. Siten hiukkasparin tilan alkuperäinen kietoutuminen katkeaa. Toisen hiukkasen spiniä tai liikemäärää ei voida enää yksiselitteisesti yhdistää ensimmäisen hiukkaseen. Voimme tarkastella tätä ongelmaa toisesta näkökulmasta. Kun hiukkasten välinen vuorovaikutus on kadonnut, kunkin hiukkasen tiheysmatriisin kehitystä kuvataan omalla yhtälöllään, johon ei sisälly 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 kuvataan tiheysmatriisilla. Ja olkoon tämä järjestelmä kahdesta osajärjestelmästä A ja B. Eberhardin lause sanoo, että vain osajärjestelmään A liittyvien havaintojen mittaaminen ei vaikuta vain osajärjestelmään B liittyvien havaittavien mittaustuloksiin. Lauseen todistus kuitenkin käyttää aallonpelkistyshypoteesia funktiota, jota ei ole todistettu teoreettisesti tai kokeellisesti. Mutta kaikki nämä väitteet esitettiin ei-relativistisen kvanttimekaniikan puitteissa ja liittyvät 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 voimme kuitenkin käyttää yksinkertaisempaa ei-relativistisen kvanttimekaniikan laitteistoa yksinkertaisesti sallimalla hiukkasten erottamattomuuden. 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 pitkän kantaman korrelaatioihin identtisten hiukkasten parien välillä. Periaatteessa protoni ja elektroni voivat 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 ne olisivatkin eronneet metreillä, pysyvät erottamattomina. Jos teet mittauksen, et tiedä tarkalleen mihin hiukkaseen mitattu arvo kuuluu. Teet mittauksia parista hiukkasesta samanaikaisesti. Siksi kaikki upeat kokeet suoritettiin täsmälleen samoilla hiukkasilla - elektroneilla ja fotoneilla. Tarkkaan ottaen tämä ei ole juuri se kietoutunut tila, jota tarkastellaan ei-relativistisen kvanttimekaniikan puitteissa, vaan jotain vastaavaa.
Tarkastellaan yksinkertaisinta tapausta - paria identtisiä ei-vuorovaikutteisia hiukkasia. 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 koordinaatit. Sitten parin aaltofunktio
+- ja –merkit viittaavat bosoneihin ja fermioneihin. Oletetaan, että hiukkaset ovat kaukana toisistaan. Sitten ne lokalisoidaan kaukaisille 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 aaltofunktiot sisältävät vain koordinaatteja. 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, kumman hiukkasen koordinaatit on mitattu . Yleensä kaikki hiukkasten 1 ja 2 keskiarvot ovat samat. Tämä tarkoittaa, että siirtämällä hiukkasen 1 lokalisointialuetta (esim. hiukkanen lokalisoituu kidehilan vian sisään ja siirrämme koko kiteen) vaikutamme hiukkaseen 2, vaikka hiukkaset eivät ole vuorovaikutuksessa tavallisessa merkityksessä. - esimerkiksi sähkömagneettisen kentän kautta. Tämä on yksinkertainen esimerkki relativistisesta sotkeutumisesta.
Välitöntä tiedonsiirtoa ei tapahdu näiden kahden hiukkasen välisten korrelaatioiden vuoksi. Relativistisen kvanttiteorian laitteisto rakennettiin alun perin siten, että valokartion vastakkaisilla puolilla aika-avaruudessa sijaitsevat tapahtumat eivät voi vaikuttaa toisiinsa. Yksinkertaisesti sanottuna mikään signaali, mikään vaikutus tai häiriö ei voi kulkea valoa nopeammin. Molemmat hiukkaset ovat itse asiassa saman kentän tiloja, esimerkiksi elektroni-positronin. Vaikuttamalla kenttään yhdessä pisteessä (hiukkas 1) saamme aikaan 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 hiukkasia ei todella ole olemassa, vaan kentät. Se, mitä pidämme hiukkasina, ovat yksinkertaisesti näiden kenttien tiloja. Klassinen idea hiukkasista on täysin sopimaton mikromaailmaan. Välittömästi herää kysymyksiä alkuainehiukkasten koosta, muodosta, materiaalista ja rakenteesta. Itse asiassa klassisen ajattelun kannalta paradoksaalisia tilanteita syntyy myös yhden partikkelin kanssa. Esimerkiksi Stern-Gerlachin kokeessa vetyatomi lentää epätasaisen magneettikentän läpi, joka on suunnattu kohtisuoraan nopeuteen nähden. Ydinspin voidaan jättää huomiotta ydinmagnetonin pienuuden vuoksi, vaikka elektronin spin alun perin suunnattaisiin 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, jakautuu kahdeksi aaltopaketiksi, jotka voivat lentää erilleen melko makroskooppisten etäisyyksien yli. Samalla huomautan, että laskelmasta seuraa, että edes ihanteellinen Stern-Gerlach-koe ei pysty mittaamaan hiukkasen spiniä.
Jos ilmaisin sitoo vetyatomin esimerkiksi kemiallisesti, niin "puolikkaat" - kaksi hajallaan olevaa aaltopakettia - kerätään yhdeksi. Se, miten tällainen tahriintuneen hiukkasen lokalisointi tapahtuu, on erillinen teoria, jota en ymmärrä. Asiasta kiinnostuneet voivat löytää laajaa kirjallisuutta aiheesta.
Johtopäätös
Herää kysymys: mitä tarkoittavat lukuisat kokeet, jotka osoittavat korrelaatioita suurilla etäisyyksillä olevien hiukkasten välillä? Sen lisäksi, että se vahvistaa kvanttimekaniikan, jota yksikään normaali fyysikko ei ole pitkään epäillyt, tämä on upea osoitus, joka tekee vaikutuksen yleisöön ja amatööriviranomaisiin, jotka jakavat varoja tieteeseen (esimerkiksi kvanttiviestintälinjojen kehittämistä sponsoroi Gazprombank). Fysiikan kannalta nämä kalliit demonstraatiot eivät tuota mitään, vaikka ne mahdollistavatkin kokeellisten tekniikoiden kehittämisen.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)
Puiden kultaiset syksyn lehdet loistivat kirkkaasti. Ilta-auringon säteet koskettivat ohennettuja latvoja. Valo murtautui oksien läpi ja loi spektaakkelin omituisista hahmoista, jotka välkkivät yliopiston "matkailuauton" seinällä.
Sir Hamiltonin ajatteleva katse liukui hitaasti ja katseli chiaroscuron leikkimistä. Irlantilaisen matemaatikon päässä oli todellinen ajatusten, ideoiden ja johtopäätösten sulatusuuni. Hän ymmärsi erinomaisesti, että monien ilmiöiden selittäminen newtonilaisella mekaniikalla on kuin varjojen leikkiä seinällä, joka kietoi hahmoja petollisesti yhteen ja jättää monia kysymyksiä vastaamatta. "Ehkä se on aalto... tai ehkä hiukkasvirta", tutkija ajatteli, "tai valo on ilmentymä molemmista ilmiöistä. Kuin varjosta ja valosta kudottuja hahmoja."
Kvanttifysiikan alku
On mielenkiintoista seurata mahtavia ihmisiä ja yrittää ymmärtää, kuinka mahtavia ideoita syntyy, jotka muuttavat koko ihmiskunnan evoluution kulkua. Hamilton on yksi niistä, jotka seisoivat kvanttifysiikan alkuperässä. Viisikymmentä vuotta myöhemmin, 1900-luvun alussa, monet tiedemiehet tutkivat alkuainehiukkasia. Saatu tieto oli ristiriitaista ja kokoamatonta. Ensimmäiset horjuvat askeleet kuitenkin otettiin.
Mikromaailman ymmärtäminen 1900-luvun alussa
Vuonna 1901 esiteltiin ensimmäinen atomin malli ja sen epäjohdonmukaisuus osoitettiin perinteisen sähködynamiikan asemasta. Samana aikana Max Planck ja Niels Bohr julkaisivat monia teoksia atomin luonteesta. Huolimatta täydellisestä ymmärryksestään atomin rakenteesta ei ollut olemassa.
Muutama vuosi myöhemmin, vuonna 1905, vähän tunnettu saksalainen tiedemies Albert Einstein julkaisi raportin valokvantin olemassaolosta kahdessa tilassa - aallossa ja korpuskulaarisessa (hiukkasissa). Hänen työssään esitettiin argumentteja mallin epäonnistumisen syyn selittämiseksi. Einsteinin näkemystä rajoitti kuitenkin vanha ymmärrys atomimallista.
Niels Bohrin ja hänen kollegoidensa lukuisten töiden jälkeen vuonna 1925 syntyi uusi suunta - eräänlainen kvanttimekaniikka. Yleinen ilmaisu "kvanttimekaniikka" ilmestyi kolmekymmentä vuotta myöhemmin.
Mitä tiedämme kvanteista ja niiden erikoisista?
Nykyään kvanttifysiikka on mennyt melko pitkälle. Monia erilaisia ilmiöitä on löydetty. Mutta mitä me todella tiedämme? Vastauksen esittää yksi moderni tiedemies. "Voit joko uskoa kvanttifysiikkaan tai olla ymmärtämättä sitä", on määritelmä. Ajattele sitä itse. Riittää, kun mainitaan sellainen ilmiö kuin hiukkasten kvanttikettuminen. Tämä ilmiö syöksyi tieteellisen maailman täydellisen hämmennyksen tilaan. Vielä suurempi järkytys oli, että syntynyt paradoksi oli ristiriidassa Einsteinin kanssa.
Fotonien kvanttiketkeytymisen vaikutuksesta keskusteltiin ensimmäisen kerran vuonna 1927 viidennessä Solvayn kongressissa. Niels Bohrin ja Einsteinin välillä syntyi kiivas riita. Kvanttikietoutumisen paradoksi on muuttanut täysin käsityksen aineellisen maailman olemuksesta.
Tiedetään, että kaikki kappaleet koostuvat alkuainehiukkasista. Näin ollen kaikki kvanttimekaniikan ilmiöt heijastuvat tavalliseen maailmaan. Niels Bohr sanoi, että jos emme katso Kuuta, sitä ei ole olemassa. Einstein piti tätä järjettömänä ja uskoi, että esine on olemassa tarkkailijasta riippumatta.
Kvanttimekaniikan ongelmia tutkiessa tulee ymmärtää, että sen mekanismit ja lait ovat yhteydessä toisiinsa eivätkä noudata klassista fysiikkaa. Yritetään ymmärtää kiistanalaisin alue - hiukkasten kvanttikettuminen.
Kvanttikietoutumisteoria
Aluksi kannattaa ymmärtää, että kvanttifysiikka on kuin pohjaton kaivo, josta voi löytää mitä tahansa. Einstein, Bohr, Maxwell, Boyle, Bell, Planck ja monet muut fyysikot tutkivat kvanttikietoutumien ilmiötä viime vuosisadan alussa. Koko 1900-luvun tuhannet tiedemiehet ympäri maailmaa tutkivat ja kokeilivat aktiivisesti tätä.
Maailma on fysiikan tiukkojen lakien alainen
Miksi tällainen kiinnostus kvanttimekaniikan paradokseihin? Kaikki on hyvin yksinkertaista: elämme tiettyjen fyysisen maailman lakien alaisina. Kyky "ohittaa" ennaltamääräys avaa maagisen oven, jonka takana kaikki tulee mahdolliseksi. Esimerkiksi käsite "Schrodingerin kissa" johtaa aineen hallintaan. Kvanttisidonnan aiheuttaman tiedon teleportaatio tulee myös mahdolliseksi. Tiedon välittäminen tulee välittömäksi etäisyydestä riippumatta.
Asiaa tutkitaan edelleen, mutta suuntaus on myönteinen.
Analogia ja ymmärrys
Mitä ainutlaatuista kvanttikettumisessa on, miten se ymmärretään ja mitä tapahtuu, kun se tapahtuu? Yritetään selvittää se. Tätä varten sinun on suoritettava jonkinlainen ajatuskoe. Kuvittele, että sinulla on kaksi laatikkoa käsissäsi. Jokaisessa niistä on yksi pallo, jossa on raita. Nyt annamme yhden laatikon astronautille, ja hän lentää Marsiin. Kun avaat laatikon ja näet, että pallon raita on vaakasuora, toisen laatikon pallossa on automaattisesti pystysuora raita. Tämä on kvanttikietoutumista, joka ilmaistaan yksinkertaisilla sanoilla: yksi esine määrittää ennalta toisen sijainnin.
On kuitenkin ymmärrettävä, että tämä on vain pinnallinen selitys. Kvanttikietoutumisen saavuttamiseksi hiukkasilla on oltava sama alkuperä, kuten kaksosilla.
On erittäin tärkeää ymmärtää, että kokeilu keskeytyy, jos jollakin ennen sinua oli mahdollisuus katsoa ainakin yhtä esineistä.
Missä kvanttisidotusta voidaan käyttää?
Kvanttisidonnan periaatetta voidaan käyttää välittämään tietoa pitkiä matkoja välittömästi. Tällainen johtopäätös on ristiriidassa Einsteinin suhteellisuusteorian kanssa. Se sanoo, että suurin liikkeen nopeus on luonnostaan vain valossa - kolmesataa tuhatta kilometriä sekunnissa. Tällainen tiedonsiirto mahdollistaa fyysisen teleportaation olemassaolon.
Kaikki maailmassa on tietoa, myös aine. Kvanttifyysikot tulivat tähän johtopäätökseen. Vuonna 2008 teoreettiseen tietokantaan perustuen kvanttisekoittuminen oli mahdollista nähdä paljaalla silmällä.
Tämä viittaa jälleen kerran siihen, että olemme suurten löytöjen kynnyksellä - liikkeen avaruudessa ja ajassa. Aika universumissa on diskreetti, joten hetkellinen liike valtavien etäisyyksien yli mahdollistaa pääsyn erilaisiin aikatiheyksiin (perustuu Einsteinin ja Bohrin hypoteeseihin). Ehkä tulevaisuudessa tämä on todellisuutta aivan kuten matkapuhelin on nykyään.
Eetteridynamiikka ja kvanttisekoittuminen
Joidenkin johtavien tutkijoiden mukaan kvanttikettuminen selittyy sillä, että avaruus on täynnä eräänlaista eetteriä - mustaa ainetta. Kuten tiedämme, mikä tahansa alkeishiukkanen on olemassa aallon ja hiukkasen (hiukkasen) muodossa. Jotkut tutkijat uskovat, että kaikki hiukkaset sijaitsevat pimeän energian "kankaalla". Tätä ei ole helppo ymmärtää. Yritetään selvittää se toisella tavalla - assosiaatiolla.
Kuvittele itsesi meren rannalla. Heikko tuuli ja heikko tuuli. Näetkö aallot? Ja jossain kaukana, auringonsäteiden heijastuksissa, näkyy purjevene.
Laiva on meidän alkuainehiukkasemme, ja meri on eetteri (pimeä energia).
Meri voi olla liikkeessä näkyvien aaltojen ja vesipisaroiden muodossa. Samalla tavalla kaikki alkuainehiukkaset voivat olla yksinkertaisesti merta (sen olennainen osa) tai erillinen hiukkanen - pisara.
Tämä on yksinkertaistettu esimerkki, kaikki on hieman monimutkaisempaa. Hiukkaset, joissa ei ole tarkkailijaa, ovat aallon muodossa, eikä niillä ole tiettyä sijaintia.
Valkoinen purjevene on erillinen esine, se eroaa meriveden pinnasta ja rakenteesta. Samalla tavalla energian valtameressä on "huippuja", jotka voimme havaita ilmentymäksi meille tuntemistamme voimista, jotka muovasivat maailman aineellista osaa.
Mikromaailma elää omien lakiensa mukaan
Kvanttikietouden periaate voidaan ymmärtää, jos otamme huomioon sen tosiasian, että alkuainehiukkaset ovat aaltojen muodossa. Molemmilla hiukkasilla ei ole erityistä sijaintia ja ominaisuuksia, ne sijaitsevat energian valtameressä. Sillä hetkellä, kun tarkkailija ilmestyy, aalto "muuntuu" esineeksi, jota voidaan koskettaa. Toinen hiukkanen, joka tarkkailee tasapainojärjestelmää, saa päinvastaiset ominaisuudet.
Kuvattu artikkeli ei ole tarkoitettu ytimekkäisiin tieteellisiin kuvauksiin kvanttimaailmasta. Tavallisen ihmisen ymmärtämiskyky perustuu esitettävän aineiston ymmärtämisen saavutettavuuteen.
Hiukkasfysiikka tutkii kvanttitilojen kietoutumista alkuainehiukkasen spinin (kiertoon) perusteella.
Tieteellisellä kielellä (yksinkertaistettu) - kvanttikettuminen määritellään erilaisilla spineillä. Tarkkaillessaan esineitä tutkijat näkivät, että vain kaksi pyöritystä voi olla olemassa - pitkin ja poikki. Kummallista kyllä, muissa asennoissa hiukkaset eivät "posseera" tarkkailijalle.
Uusi hypoteesi - uusi näkemys maailmasta
Mikrokosmoksen - alkuainehiukkasten avaruuden - tutkiminen on synnyttänyt monia hypoteeseja ja oletuksia. Kvanttisidonnan vaikutus sai tutkijat pohtimaan jonkinlaisen kvanttimikrohilan olemassaoloa. Heidän mielestään jokaisessa solmussa - leikkauspisteessä - on kvantti. Kaikki energia on kiinteä hila, ja hiukkasten ilmentyminen ja liikkuminen on mahdollista vain hilan solmujen kautta.
Tällaisen hilan "ikkunan" koko on melko pieni, ja mittaus nykyaikaisilla laitteilla on mahdotonta. Tämän hypoteesin vahvistamiseksi tai kumoamiseksi tutkijat päättivät kuitenkin tutkia fotonien liikettä spatiaalisessa kvanttihilassa. Asia on siinä, että fotoni voi liikkua joko suoraan tai siksakina - pitkin hilan lävistäjä. Toisessa tapauksessa, kun hän on kulkenut pidemmän matkan, hän kuluttaa enemmän energiaa. Näin ollen se eroaa suorassa linjassa liikkuvasta fotonista.
Ehkä ajan myötä opimme, että elämme spatiaalisessa kvanttihilassa. Tai se voi osoittautua vääräksi. Kuitenkin kvanttikettumuksen periaate osoittaa hilan olemassaolon mahdollisuuden.
Yksinkertaisesti sanottuna hypoteettisessa spatiaalisessa "kuutiossa" yhden kasvon määritelmällä on selkeä vastakkainen merkitys toiselle. Tämä on avaruuden rakenteen säilyttämisen periaate - aika.
Epilogi
Kvanttifysiikan maagisen ja salaperäisen maailman ymmärtämiseksi kannattaa tarkastella tarkasti tieteen kehitystä viimeisen viidensadan vuoden aikana. Aikaisemmin uskottiin, että maapallo on litteä, ei pallomainen. Syy on ilmeinen: jos otat sen muodon pyöreäksi, vesi ja ihmiset eivät kestä.
Kuten näemme, ongelma oli siinä, että kaikista pelissä olevista voimista ei ollut täydellistä näkemystä. On mahdollista, että nykytieteellä ei ole tarpeeksi näkemystä kaikista vaikuttavista voimista kvanttifysiikan ymmärtämiseksi. Vision aukot synnyttävät ristiriitaisuuksien ja paradoksien järjestelmän. Ehkä kvanttimekaniikan maaginen maailma sisältää vastaukset esitettyihin kysymyksiin.
Jos et ole vielä hämmästynyt kvanttifysiikan ihmeistä, niin tämän artikkelin jälkeen ajatuksesi kääntyy varmasti ylösalaisin. Tänään kerron teille, mitä kvanttisekoittuminen on, mutta yksinkertaisin sanoin, jotta kuka tahansa voi ymmärtää mitä se on.
Kietoutuminen maagisena yhteytenä
Sen jälkeen kun mikrokosmuksessa esiintyvät epätavalliset vaikutukset löydettiin, tutkijat päätyivät mielenkiintoiseen teoreettiseen oletukseen. Se seurasi juuri kvanttiteorian perusteista.
Aiemmin puhuin siitä, kuinka elektroni käyttäytyy hyvin oudosti.
Mutta kvanttihiukkasten sotkeutuminen on yleensä ristiriidassa terveen järjen kanssa ja ylittää kaiken ymmärryksen.
Jos he olivat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, eron jälkeen heidän välilleen jää maaginen yhteys, vaikka he olisivat erotettuja mihin tahansa, riippumatta siitä, kuinka suuri etäisyys.
Maaginen siinä mielessä, että niiden välinen informaatio välittyy välittömästi.
Kuten kvanttimekaniikasta tiedetään, hiukkanen on ennen mittausta superpositiossa, eli sillä on useita parametreja kerralla, se on avaruudessa hämärtynyt eikä sillä ole tarkkaa spin-arvoa. Jos mittaus tehdään yhdelle aiemmin vuorovaikutuksessa olleista hiukkaspareista, eli aaltofunktion romahdus tehdään, toinen vastaa välittömästi, välittömästi tähän mittaukseen. Ja sillä ei ole väliä, mikä etäisyys heidän välillä on. Fantastista, eikö?
Kuten tiedämme Einsteinin suhteellisuusteoriasta, mikään ei voi ylittää valon nopeutta. Jotta tieto kulkeutuisi yhdestä hiukkasesta toiseen, on välttämätöntä käyttää ainakin valon kulkemiseen kuluva aika. Mutta yksi hiukkanen reagoi välittömästi toisen mittaukseen. Tieto valonnopeudella olisi saavuttanut hänet myöhemmin. Kaikki tämä ei sovi terveeseen järkeen.
Jos jaat pari alkeishiukkasia, joilla on nolla yhteinen spin-parametri, niin yhdellä pitäisi olla negatiivinen spin ja toisella positiivinen. Mutta ennen mittausta spin-arvo on superpositiossa. Heti kun mittasimme ensimmäisen hiukkasen spinin ja huomasimme, että sillä oli positiivinen arvo, toinen sai välittömästi negatiivisen spinin. Jos päinvastoin, ensimmäinen hiukkanen saa negatiivisen spin-arvon, niin toisella on välittömästi positiivinen arvo.
Tai sellainen analogia.
Meillä on kaksi palloa. Toinen on musta, toinen valkoinen. Peitimme ne läpinäkymättömillä laseilla, emme näe kumpi on kumpi. Sekoitamme sitä kuin sormustuspelissä.
Jos avaat yhden lasin ja näet, että siinä on valkoinen pallo, niin toisessa lasissa on musta pallo. Mutta aluksi emme tiedä kumpi on kumpi.
Näin on myös alkuainehiukkasten kanssa. Mutta ennen kuin katsot niitä, ne ovat superpositiossa. Ennen mittausta pallot näyttävät olevan värittömiä. Mutta tuhottuaan yhden pallon superposition ja nähtyään sen olevan valkoinen, toisesta tulee välittömästi musta. Ja tämä tapahtuu välittömästi, vaikka yksi pallo olisi maan päällä ja toinen toisessa galaksissa. Meidän tapauksessamme valon saavuttaminen pallosta toiseen kestää satoja vuosia, ja toinen pallo huomaa, että toisesta on mitattu, toistan, heti. Niiden välillä on hämmennystä.
On selvää, että Einstein ja monet muut fyysikot eivät hyväksyneet tätä tapahtumien lopputulosta, toisin sanoen kvanttisekoittumista. Hän piti kvanttifysiikan johtopäätöksiä virheellisinä, epätäydellisinä ja oletti, että joitain piilotettuja muuttujia puuttui.
Päinvastoin, Einstein keksi edellä kuvatun paradoksin osoittaakseen, että kvanttimekaniikan johtopäätökset eivät ole oikeita, koska sotkeutuminen on ristiriidassa terveen järjen kanssa.
Tätä paradoksia kutsuttiin Einstein-Podolsky-Rosen-paradoksiksi tai lyhyesti EPR-paradoksiksi.
Mutta A. Aspectin ja muiden tutkijoiden myöhemmin tekemät kietoutumiskokeet osoittivat, että Einstein oli väärässä. Kvanttikietoutuminen on olemassa.
Ja nämä eivät enää olleet yhtälöistä johtuvia teoreettisia olettamuksia, vaan todellisia tosiasioita monista kvanttiketuutumiseen liittyvistä kokeista. Tiedemiehet näkivät tämän livenä, ja Einstein kuoli tietämättä totuutta.
Hiukkaset todella vuorovaikuttavat välittömästi; valonnopeuden rajoitukset eivät ole heille esteenä. Maailma osoittautui paljon mielenkiintoisemmaksi ja monimutkaisemmaksi.
Toistan, että kvanttikietoutuessa tapahtuu välitöntä tiedonsiirtoa, muodostuu maaginen yhteys.
Mutta miten tämä voi olla?
Nykypäivän kvanttifysiikka vastaa tähän kysymykseen tyylikkäällä tavalla. Hiukkasten välillä on välitöntä kommunikaatiota, ei siksi, että informaatio siirtyy hyvin nopeasti, vaan koska syvemmällä tasolla ne eivät yksinkertaisesti ole erillään, vaan ovat silti yhdessä. Ne ovat niin sanotussa kvanttisekoittumisessa.
Eli kietoutumistila on järjestelmän tila, jossa sitä ei joidenkin parametrien tai arvojen mukaan voida jakaa erillisiin, täysin itsenäisiin osiin.
Esimerkiksi elektroneja voi vuorovaikutuksen jälkeen erottaa suuri etäisyys avaruudessa, mutta niiden spinit ovat silti yhdessä. Siksi kokeiden aikana spinit sopivat välittömästi keskenään.
Ymmärrätkö mihin tämä johtaa?
Tämän päivän tieto modernista kvanttifysiikasta, joka perustuu dekoherenssiteoriaan, perustuu yhteen asiaan.
On olemassa syvempi, ilmentämätön todellisuus. Ja se, mitä havaitsemme tuttuna klassisena maailmana, on vain pieni osa, erikoistapaus perustavanlaatuisemmasta kvanttitodellisuudesta.
Se ei sisällä tilaa, aikaa tai mitään hiukkasten parametreja, vaan vain tietoa niistä, niiden mahdollisesta ilmentymismahdollisuudesta.
Juuri tämä tosiasia selittää tyylikkäästi ja yksinkertaisesti, miksi edellisessä artikkelissa käsitelty aaltofunktion romahdus, kvanttikettuminen ja muut mikromaailman ihmeet syntyvät.
Tänä päivänä, kun puhumme kvanttisidoutumisesta, muistamme toisen maailman.
Eli perustavanlaatuisemmalla tasolla alkuainehiukkanen on ilmentymätön. Se sijaitsee samanaikaisesti useissa pisteissä avaruudessa ja sillä on useita spin-arvoja.
Sitten se voi joidenkin parametrien mukaan ilmaantua klassiseen maailmaamme mittauksen aikana. Yllä käsitellyssä kokeessa kahdella hiukkasella on jo tietty avaruuskoordinaattiarvo, mutta niiden spinit ovat edelleen kvanttitodellisuudessa, ilmentymättöminä. Tilaa ja aikaa ei ole, joten hiukkasten spinit ovat lukittuneet yhteen huolimatta niiden välisestä valtavasta etäisyydestä.
Ja kun katsomme, mikä spin hiukkasella on, eli teemme mittauksen, näytämme vetävän spinin kvanttitodellisuudesta tavalliseen maailmaamme. Mutta meistä näyttää siltä, että hiukkaset vaihtavat tietoja välittömästi. Se on vain, että he olivat edelleen yhdessä yhdessä parametrissa, vaikka he olivat kaukana toisistaan. Heidän erillisyytensä on itse asiassa illuusio.
Kaikki tämä näyttää oudolta ja epätavalliselta, mutta tämä tosiasia on jo vahvistettu monilla kokeilla. Kvanttitietokoneita luodaan maagisen sotkeutumisen perusteella.
Todellisuus osoittautui paljon monimutkaisemmaksi ja mielenkiintoisemmaksi.
Kvanttikietouden periaate ei sovi tavanomaiseen maailmakuvaamme.
Näin fyysikko-tieteilijä D. Bohm selittää kvanttisekoittumisen.
Oletetaan, että katsomme kaloja akvaariossa. Mutta joidenkin rajoitusten vuoksi emme voi katsoa akvaariota sellaisenaan, vaan vain sen heijastuksia, jotka on kuvattu kahdella kameralla edestä ja sivulta. Eli katsomme kaloja katsellen kahta televisiota. Kalat näyttävät meistä erilaisilta, koska kuvaamme niitä yhdellä kameralla edestä ja toisella profiilista. Mutta ihmeen kaupalla heidän liikkeensä ovat selvästi johdonmukaisia. Heti kun ensimmäisen näytön kala kääntyy, toinenkin kääntyy välittömästi. Olemme yllättyneitä, emmekä ymmärrä, että nämä ovat samoja kaloja.
Se on siis kvanttikokeessa kahdella hiukkasella. Rajoitemme vuoksi meistä näyttää siltä, että kahden aiemmin vuorovaikutuksessa olleiden hiukkasten spinit ovat toisistaan riippumattomia, koska nyt hiukkaset ovat kaukana toisistaan. Mutta todellisuudessa he ovat edelleen yhdessä, mutta kvanttitodellisuudessa, ei-paikallisessa lähteessä. Emme yksinkertaisesti katso todellisuutta sellaisena kuin se todellisuudessa on, vaan vääristyneenä, klassisen fysiikan puitteissa.
Kvanttiteleportaatio yksinkertaisin sanoin
Kun tiedemiehet oppivat kvanttisidoutumisesta ja välittömästä tiedonsiirrosta, monet ihmettelivät: onko teleportaatio mahdollista?
Tämä osoittautui todella mahdolliseksi.
Monia teleportaatiokokeita on jo tehty.
Menetelmän ydin on helppo ymmärtää, jos ymmärrät yleisen sotkeutumisperiaatteen.
On hiukkanen, esimerkiksi elektroni A ja kaksi paria kietoutuneita elektroneja B ja C. Elektroni A ja pari B, C ovat eri pisteissä avaruudessa riippumatta siitä kuinka kaukana. Muunnetaan nyt hiukkaset A ja B kvanttisidoksiksi, eli yhdistetään ne. Nyt C:stä tulee täsmälleen sama kuin A, koska niiden yleinen kunto ei muutu. Toisin sanoen hiukkanen A on ikään kuin teleportoitu hiukkaselle C.
Nykyään on tehty monimutkaisempia teleportaatiokokeita.
Tietenkin kaikki kokeet on toistaiseksi tehty vain alkuainehiukkasilla. Mutta sinun on myönnettävä, tämä on jo uskomatonta. Loppujen lopuksi me kaikki koostumme samoista hiukkasista; tiedemiehet sanovat, että makroobjektien teleportaatio ei ole teoriassa erilaista. Meidän on vain ratkaistava monia teknisiä ongelmia, ja tämä on vain ajan kysymys. Ehkä ihmiskunta kehittyy kehityksessään kykyyn teleportoida suuria esineitä ja jopa itse henkilöä.
Kvantti todellisuus
Kvanttikietoutuminen on kokonaisuutta, jatkuvuutta, yhtenäisyyttä syvemmällä tasolla.
Jos joidenkin parametrien mukaan hiukkaset ovat kvanttisekoittumassa, niin näiden parametrien mukaan niitä ei yksinkertaisesti voida jakaa erillisiin osiin. Ne ovat toisistaan riippuvaisia. Tällaiset ominaisuudet ovat yksinkertaisesti fantastisia tutun maailman näkökulmasta, transsendenttisia, voisi sanoa, että ylimaailmallisia ja transsendenttisia. Mutta tämä on tosiasia, jota ei voida välttää. On aika myöntää se.
Mutta mihin tämä kaikki johtaa?
Osoittautuu, että monet ihmiskunnan henkiset opetukset ovat pitkään puhuneet tästä asioiden tilasta.
Näkemämme maailma, joka koostuu aineellisista esineistä, ei ole todellisuuden perusta, vaan vain pieni osa siitä eikä tärkein. On olemassa transsendenttinen todellisuus, joka asettaa ja määrää kaiken, mitä tapahtuu maailmallemme ja siten myös meille.
Tässä ovat todelliset vastaukset ikivanhoihin kysymyksiin elämän tarkoituksesta, todellisesta ihmisen kehityksestä sekä onnen ja terveyden löytämisestä.
Ja nämä eivät ole tyhjiä sanoja.
Kaikki tämä johtaa elämän arvojen uudelleen miettimiseen, ymmärrykseen siitä, että merkityksettömän materiaalisen vaurauden kilpailun lisäksi on jotain tärkeämpää ja korkeampaa. Ja tämä todellisuus ei ole jossain siellä, se ympäröi meitä kaikkialla, se läpäisee meissä, se on, kuten sanotaan, "käden ulottuvillamme".
Mutta puhutaanpa tästä seuraavissa artikkeleissa.
Katso nyt video kvanttisekoittumisesta.
Kvanttikietoutumisesta siirrymme sujuvasti teoriaan. Tästä lisää seuraavassa artikkelissa.
