Геният на Айнщайн, който описа брилянтно макросвета на гравитацията, не можа да се примири със странните явления на квантовата механика, подозирайки, че зад тях се крият някакви параметри, които са непостижими за нас. Сега международен екип физици стесни още повече възможността за съществуването им.
Физици от САЩ, Австрия, Германия и Китай регистрираха нарушение на локалния реализъм на нашия свят в рекорден по мащабите си експеримент. Един от елементите на експеримента е светлината на далечните звезди, която замести обикновения "генератор на случайни числа". Според авторите, това елиминира един от недостатъците, които съществуват в традиционните проверки на локалността - възможността за възникване на скрити корелации в миналото на системата.
Препринт на изследването е публикувана в сайта arXiv.org.
Локалността е свойство от класическата физика, при което промените в една точка на Вселената не могат мигновено да променят физическата реалност в друга точка - събитие на Венера не може мигновено да увеличи честотата на разпада на пи-мезоните на Земята. Това свойство се намира в основата на класическия принцип на причинността и възниква от ограниченията на скоростта на предаване на информация със скоростта на светлината.
В квантовата механика тази локалност може да бъде нарушена от система вплетени частици.
Такава система е двойка фотони, родени в резултат на спонтанно параметрично разсейване - превръщане на един квант в два с по-малко енергия. Поляризацията на тези фотони е взаимно перпендикулярна, но до измерването фотоните не "знаят" своята поляризация. Ако се измери поляризацията само на единия или другия фотон, се оказва, че тя е случайна. Но ако се проследи поляризацията в двойки фотони, оказва се, че измерването на състоянието на първия фотон моментално се отразява на втория. Той променя състоянието си, "адаптирайки се" според резултатите от измерването на първата частица. Това явление Айнщайн нарече "призрачно далекодействие", а физиците заговориха за квантова телепортация.
Ако две частици са вплетени, те имат взаимно допълващи се свойства на вълновата функция и измерването на свойствата на едната определя свойствата на другата. Но дали вълновата функция е просто математическо описание или лежи в основата на по-дълбока истина за Вселената, а детерминираната реалност все още е отворена за тълкуване? Изображение: Wikimedia Commons
От гледна точка на квантовата физика двойката вплетени фотони се държи като единна система независимо какво разстояние ги разделя. Това поведение, според Айнщайн, може да се дължи на наличието на някакви "скрити" параметри или променливи в частиците, които преди измерването синхронизират състоянието на фотоните. Въпреки това може да се направи експеримент, който да различи статистически нелокалността и скритите параметри, използвайки няколко измервания на състоянието на частиците. Разликите в статистиката (честотата на съвпадение на резултатите) се описва от неравенствата на Бел.
Неравенствата позволяват да се провери, доколко добре реалността се описва от класическата теория със задължителна локалност и реализъм. Квантовата механика, напротив, би трябвало да нарушава неравенствата, така че проверката на неравенствата на Бел може да определи истината - скрити променливи ли има или "призрачно далекодействие". Условно казано, в единия случай статистическото отношение ще бъде не повече от 2:3, а в другия - не по-малко от 3:4.
Многобройни експерименти потвърждават нарушаването на неравенствата на Бел в системи вплетени частици. Но всеки експеримент съдържа някои предположения, необходими за интерпретиране на данните. Тези предположения са вид логически пропуски, с помощта на които може да се имитира нарушение на локалността. Например един такъв недостатък е, че не всички двойки вплетени частици в експерименти се детектират. Теоретично може да се предположи, че детектираният набор от събития е непредставителен. И така заради изплъналите се фотони може да се отмени нарушаването на неравенствата на Бел. За да изключат това предположение физиците са разработили експеримент с висока ефективност на детектиране.
Новата работа се фокусира върху друго предположение, използвано в експериментите. Традиционно се предполага, че скритите параметри трябва да се появят по време на създаването на двойката вплетени частици. Но формулировката на неравенствата на Бел не изисква такова допускане.
Конуси на възможните събития, свързани с измерването на вплитането. A и B са звезди, разположени на отдалечени места една от друга и на разстояние от 600 и 1900 светлинни години от Земята. По вертикалната ос е времето. Johannes Handsteiner et al. / arXiv.org, 2016
За измерване на състоянието на фотоните в проверката на локалността се използват случайно избираеми бази (например, на случаен принцип се избира ориентацията на поляризаторите за измерване на поляризацията). Предполага се, че между техния избор за двата фотона няма никаква връзка. Но ако премахнем това предположение, теоретично може да се получи ситуация в която неравенствата на Бел се нарушават, въпреки запазването на локалността. С други думи скритите параметри могат да възникнат преди вплитането на двойките.
Авторите на новата работа са намерили начин фундаментално да ограничат времевия период, в който могат да възникнат скрити параметри. Това съответно ще ограничи корелацията между случайно избраните методи за измерване на фотоните.
Особеност на експеримента е, че се използва светлина на звезди в Млечния път като астрономически източници на квантови генератори на случайни числа, които при другите експерименти на земята са създавани изкуствено.
Така авторите премахват възможните корелации, които може да са се случили в миналото. С помощта на двойка телескопи учените регистрират цвета на фотоните, долитащи от две различни звезди - според съвременните знания, разпределението на фотоните по цветове в едно направление може да се приеме за случайно.
В случая ако дължината на вълната на звездния фотон е по-близо до късовълновия диапазон, приборът прави измервания на една основа, а ако фотонът е по-близо до инфрачервения диапазон - на друга.
Избраните звезди са на разстояние от 600 и над 1000 светлинни години от Земята и на различни посоки от наблюдателя. В съответствие с принципа на причинността скритите променливи в този експеримент може да възникнат не по-рано отпреди 600 години, а събитието, което може да осигури корелация, трябва да се е случило преди поне 2000 години.
Въпреки тези ограничения авторите откриват в статистиката на експеримента отклонения от неравенствата на Бел на ниво поне 11 стандартни отклонения. Във физиката, за да се признае нещо за откритие са достатъчни 5 сигма стандартни отклонения.
Експериментална схема. В центъра - сградата на Института за квантова оптика и квантова информация. Ляво и дясно - местоположенията за измерване: Австрийската национална банка и Университета за природни ресурси. Johannes Handsteiner et al. / arXiv.org, 2016
Учените подчертават, че експеримента не затваря напълно предположението, че скрити променливи могат да възникват в миналото. Експериментът само налага ограничения в какъв времеви отрязък могат да работят механизмите, подчиняващи се на принципите на локалността. Според авторите по-нататъшните експерименти, използващи излъчванията на квазари или гравитационни вълни, могат да наложат ограничения за милиарди години преди експеримента, до епохата на ранната Вселена.
Освен "скритите променливи" има много различни интерпретации на квантовата механика, с които може да се запознаете в "Котката на Шрьодингер. Различни интерпретации на квантовата неопределеност". Най-разпространена е копенхагенската интерпретация, според която всички процеси в квантовия свят могат да бъдат описани само като вероятностни.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари