Дали наистина квантовото вплитане, призрачното въздействие на разстояние, е необходимо за описване на физическия свят или е възможно да има някаква постквантова теория без вплитане?

^{Квантовото вплитане е предположението, че две частици остават свързани като споделят свойствата си независимо от разстоянието като измерването на състоянието на едната мигновено се отразява на състоянието на другата. Преди сто години Алберт Айнщайн заяви, че това не е възможно и физиците търсят начини да го опровергаят и досега.}

В ново проучване трима физици математически доказаха, че която и да е теория, която има класическа граница - тоест, че може да опише нашите наблюдения на класическия свят като възстановява класическата теория при определени условия - трябва да съдържа вплитане. И въпреки че вплитането е срещу класическата интуиция, вплитането трябва да е неизбежна черта на не само на квантовата теория, но и на всяка некласическа теория, дори и на тези, които предстои да бъдат разработени.

Физиците, Джонатан Риченс (Jonathan G. Richens) от Лондонския Имперски колеж и Университетския колеж в Лондон, Джон Селби (John H. Selby) от Лондонския Имперски колеж и Университета в Оксфорд и Сабри Ал Сафи (Sabri W. Al-Safi) от Университета Нотингам Трент са публикували статия в последния брой на Physical Review Letters, според която квантовото вплитане се появява като задължителен елемент на всяка некласическата теория.

"Квантовата теория има много странни характеристики в сравнение с класическата теория", заяви Риченс за Phys.org. "По традиция изучаваме как класическия свят е извън квантовия, но ние обърнахме тази логика, за да видим как класическият свят оформя квантовия. По този начин показахме, че една от неговите странни характеристики, вплитането съвсем не е изненадващо. Това е намек, че голяма част от видимата странност на квантовата теория е неизбежна последица от излизането отвъд класическата теория или може би дори е резултат на нашата неспособност да изоставим класическата теория".

Въпреки пълното доказателство е много подробно, но основната идея на това е, че всяка теория, която описва реалността, трябва да се държи като класическа теория в някакви граници. Това изискване изглежда доста очевидно, но както показват физиците, то придава силни ограничения върху структурата на всяка некласическа теория.

Квантовата теория отговаря на това изискване като налага класическа граница чрез процеса на декохерентността. Когато една квантова системат взаимодейства с външната среда, системата губи своята квантова кохерентност и всичко, което я прави квантова. Така че системата става класическа и се държи, както се очаква съгласно класическата теория.

Физиците показват, че която и да е некласическа теория, която съдържа в себе си класическата теория и я възстановява при определени условия, трябва да съдържа вплетени състояния. За да докажат това, те приемат обратното твърдение - че на такава теория не е нужно вплитане. След това те доказват, че без вплитане, която и да е теория, която възстановява класическата теория трябва да е класическа теория, което влиза в противоречие на първоначалната хипотеза, че въпросната теория не е класическа. Този резултат означава, че предположението, че такава теория може да е без вплитане е невярно, което означава, че всяка теория от този вид трябва да има вплитане.

Този резултат може да е само началото на много други свързани открития, тъй като отваря възможността, че други физически характеристики на квантовата теория могат да се възпроизвеждат просто от изискването теорията да има класическа граница.

Физиците очакват, че и други екзотични характеристики (като информационна казуалност и макроскопска локалност) може да се появят от това единствено изискване. Резултатите също така дават по-ясна представа за това как трябва да изглежда всяка бъдеща некласическа постквантова теория.

"Бъдещите ми цели ще бъдат да проверя дали дали нелокалността на Бел също може да се извлече от наличието на класическа граница", заяви Риченс. "Би било интересно, ако всички теории, заместващи класическата теория, трябва да нарушават локалния реализъм. Аз също работя и върху това дали определени разширения на квантовата теория (като например интеференцията от по-висок порядък) могат да бъдат изключени от наличието на класическа граница или ако тази граница налага полезни ограничения върху тези "постквантови теории"".

Теория на декохерентността

Редица теоретици твърдят, че състоянието на квантова суперпозиция може да се поддържа при липса на взаимодействие с околната среда. За да се разберем това, да си припомним някои понятия от системите.

В ежедневието си, имаме работа предимно с отворени системи - например - имаме даден обект, да речем камък и околната му среда - пясък, ние-наблюдателите и цялата останала част от Вселената около камъка. Очевидно е, че околната среда може да взаимодейства с нашия обект и така да влияе на неговото състояние. Освен това, средата може, по някакъв начин, да записва информация за обекта, а той, от своя страна, също така, под някаква форма да записва информация за състоянието на околната среда.

Нашата вселена е пример за затворена система. Извън нея, по дефиниция, няма нищо, което би могло да й окаже влияние и няма нищо, което да може да записва информация за нейното състояние. Под запис, имаме в предвид всяка промяна във външната подсистема под влияние от взаимодействието й с избраната. Подобни затворени системи могат да бъдат създадени и в лабораторни условия, като се елиминира влиянието на околната среда върху тях и да се гарантира, че състоянието на системата няма да се отрази на състоянието на околната среда.

Вплетени състояния могат да възникнат в система, която се състои от няколко взаимодействащи си подсистеми. Например, ако един електрон се сблъсква с един атом, тогава възниква сплетено състояние, при което състоянието на електрона е свързано (корелирано) със състоянието на атома. Сплетените състояния са необходими, за да се опише цялата система, образувана от всички някога взаимодействали помежду си части.

Илюстрация: universe-review.ca

Предполага се, че взаимодействието между квантовата система в суперпозиция и средата, в която е вградена системата води до "колапс" или разпад с течение на времето в едно или друго състояние. Това е така, защото в огромната съвкупност от атоми е невъзможно за квантовите вълни при наслагването им, да се припокрият достатъчно, което да им позволи да се комбинират в състояние, известно като "последователност", с други думи, те не се интерферират една с друга повече, както е показано на схемата. Теорията за декохерентността твърди, че наслагването на състояния в една система е възможно само, ако в околната среда не се записва информация, достатъчна за разделяне на компонентите на суперпозицията. С други думи, важно е състоянието на нашата система да не е твърде сплетено със състоянието на околната среда.

Този проблем беше поставен в ясна математическа форма първо от Файнман през 1963 година. В резултат на внимателното й изследване, беше установено, че взаимодействието с околната среда унищожава квантовата суперпозиция, като по този начин я превръща от квантова система в класическа, толкова по-бързо, колкото е по-голяма масата на системата. Затова в макросвета е възможно да се говори за определеност на координатите и скоростите на обектите.

За такъв обект като котката или дори една молекула е вече достатъчна, дори много слаба неизолираност за да се унищожат напълно квантовите ефекти. Унищожаването на квантовата суперпозиция в случая на котката може да се постигне, например, поради разсейване от атоми и молекули в котката от въздуха, който диша.

Всички изолирани системи, независимо от техния размер, тегло и т.н., са квантови и строго се подчиняват на принципа на суперпозиция, но ако си взаимодействат с околната среда, т.е. са отворени системи, настъпва колапс на вълновата функция.

Декохерентността се проявява независимо от присъствието на наблюдател. Така че няма парадокс: Котката на Шрьодингер е в точно определено състояние, преди да се отвори кутията.

Още по темата

24/08/2017

Физика

Първият експеримент за подводна квантова телепортация е осъществен в Китай

16/06/2017

Космос

Пренесоха квантово вплетени фотони между Земята и спътник на рекордните 1 200 км

30/05/2017

Физика

Може ли с мисъл да променяме материята? За пръв път има метод, който да даде отговор

17/04/2017

Физика

Може ли чрез квантовото вплитане да изпращаме съобщения по-бързо от светлината?