Може ли допълнително времево измерение да съгласува квантовото вплитане с локалната причинно-следствена връзка?

Модел-играчка от Марко Петини се стреми да съгласува квантовото вплитане с теорията на относителността на Айнщайн

Ваня Милева Последна промяна на 30 април 2025 в 00:00 8507 0

Илюстрация на времето

Кредит Илюстрация, създадена с помощта на AI (imagine.art) от НаукаOFFNews
Модел-играчка от Марко Петини се стреми да съгласува квантовото вплитане с теорията на относителността на Айнщайн

Нелокалните корелации, които определят квантовото вплитане, биха могли да бъдат съгласувани с теорията на относителността на Айнщайн, ако пространство-времето имаше две времеви измерения. Това е следствието от нова теоретична работа, която разширява нелокалните теории за скрити променливи на квантовото вплитане и предлага потенциален експериментален тест.

Марко Петини (Marco Pettini), теоретичен физик в университета Екс-Марсилия във Франция, разказва, че идеята е възникнала от разговори с математика-физик Роджър Пенроуз, който сподели Нобеловата награда за физика за 2020 г. за това, че показа, че Общата теория на относителността предсказва черните дупки.

"Той ми каза, че от негова гледна точка квантовото вплитане е най-голямата мистерия, която имаме във физиката", разказва Петини. Загадката е капсулирана в неравенството на Бел, което е изведено в средата на 60-те години на миналия век от северноирландския физик Джон Бел.

Пробивът на Бел е вдъхновен от парадокса на Айнщайн-Подолски-Розен от 1935 г., мисловен експеримент, в който вплетени частици в квантова суперпозиция (използвайки езика на съвременната квантова механика) пътуват до пространствено разделени наблюдатели Алис и Боб. Те правят измервания на едно и също наблюдаемо свойство на своите частици. Тъй като те са суперпозиционни състояния, резултатът от нито едно от измерванията не е сигурен, преди да бъде направено. Въпреки това, веднага щом Алис измерва състоянието, суперпозицията се разпада и измерването на Боб вече е фиксирано.

Квантов скептицизъм

Скептик към квантовата неопределеност би могъл хипотетично да предположи, че вплетените частици носят скрити променливи през цялото време, така че когато Алис прави измерването си, тя просто открива състоянието, което Боб ще измери, вместо реално да го променя. Ако наблюдателите са разделени от толкова голямо разстояние, че информацията за състоянието на скритата променлива би трябвало да се разпространява по-бързо от светлината между тях, тогава теорията на скритите променливи нарушава теорията на относителността. Бел извежда неравенство, показващо максималната възможна степен на корелация между измерванията, ако всяка частица носи такава "локална" скрита променлива, и показва, че тя наистина е нарушена от квантовата механика.

По-сложна алтернатива, изследвана от теоретичните физици Дейвид Бом и неговия ученик Джефри Бъб (Jeffrey Bub), както и от самия Бел, е нелокална скрита променлива. Това предполага, че частицата – включително скритата променлива – наистина е в суперпозиция и е дефинирана от развиваща се вълнова функция. Когато Алис прави измерването си, тази суперпозиция колапсира. Стойността на Боб след това корелира с тази на Алис. В продължение на десетилетия изследователите смятаха, че колапсът на вълновата функция може да се разпространява по-бързо от светлината, без да позволява свръхсветлинен обмен на информация – следователно без да нарушава Специалната теория на относителността. През 2012 г. обаче изследователите показват, че всяко разпространение на колапса с крайна скорост би позволило свръхсветлинно предаване на информация.

Схематично представяне на моментна снимка при измерване на времето. Алис и Боб са на пространствено-подобно разстояние (представени са светлинни конуси)Схематично представяне на моментна снимка при измерване на времето. Алис и Боб са на пространствено-подобно разстояние (представени са светлинни конуси). Импулсно оформен сигнал от субквантово поле Χ ( x , t , τ ) се разпространява през допълнителното времево измерение τ носейки информацията за резултата от измерване, извършено от Алис. Кредит: Marco Pettini

"Срещнах Роджър Пенроуз няколко пъти и докато разговарях с него, го попитах: "Ами защо не бихме могли да използваме допълнително времево измерение?", спомня си Петини. Частиците биха могли да имат петизмерни вълнови функции (три пространствени, две времеви) и колапсът би могъл да се разпространява през допълнителното времево измерение – позволявайки му да изглежда мигновенo.

Проблемът, който Пенроуз е предвидил, обяснява Петини, е, че това би позволило пътуване във времето и произтичащата от това възможност човек да пътува назад през "допълнителното време", за да убие предците си или по друг начин да наруши причинно-следствената връзка.

Петини обаче отбелязва, че "наскоро е открил в литературата статия, която е вдъхновила някои относително стандартни модификации на метриката на разширено пространство-време, в което масивните частици са ограничени по отношение на допълнителното времево измерение... Тъй като сме съставени от масивни частици, ние не го виждаме."

Модел - играчка

Петини смята, че е възможно тази идея да се провери експериментално. В нова статия той предлага хипотетичен експеримент (който описва като модел-играчка), при който два източника излъчват едновременно двойки вплетени, поляризирани фотони. Фотоните от единия източник се събират от получателите Алис и Боб, докато фотоните от другия източник се събират от Ив и Том, използвайки идентични детектори. Алис и Ив сравняват поляризациите на фотоните, които улавят. Фотонът на Алис, съгласно фундаменталната квантова механика, трябва да е вплетен с фотона на Боб, а този на Ив - с този на Том, но иначе простата квантова механика не дава основание да се очаква каквото и да е вплетено в системата.

Два идентични и стандартни апарата, използвани за проверка на нарушението на неравенството на Бел при измерване на съвпадения на вплетени частици, трябва да работят едновременно.Два идентични и стандартни апарата, използвани за проверка на нарушението на неравенството на Бел при измерване на съвпадения на вплетени частици, трябва да работят едновременно. Двата източника излъчват вплетени фотони γ 1 и γ 2 чиито поляризации се анализират от поляризаторите p 1 и p 2. Всеки поляризатор има два възможни изхода, обозначени като + 1 или − 1 . Пространственото разположение трябва да е такова, че разстоянието между Алис и Ив да е много по-късо от това между Алис и Боб и Ив и Том, съответно. Двете установки трябва да бъдат подходящо електромагнитно екранирани, за да се избегнат "вратички". Трябва да се използва детектор на съвпадения, за да се провери дали неравенството на Бел е нарушено при проверка на корелациите между измерванията, извършени от Алис и Ив. В случай на положителен резултат, това би потвърдило идеята, предложена в настоящата работа. Кредит: Marco Pettini

Петини обаче предлага Алис и Ева да бъдат поставени много по-близо една до друга и по-близо до източниците на фотони, отколкото до другите наблюдатели. В този случай според него комуникацията на вплитането чрез допълнителното времево измерение, когато вълновата функция на частицата на Алис колапсира, предавайки това на Боб, или когато частицата на Ева се предава на Том, би предала информация и между много по-близките идентични частици, получени от другата жена. Това би могло да повлияе на интерференцията между фотоните на Алис и Ева и да причини нарушение на неравенството на Бел.

"[Алис и Ева] биха си влияли взаимно, сякаш са вплетени", посочва Петини. "Това би било неопровержимо."

Бъб, сега почетен професор в Университета на Мериленд, Колидж Парк, коментира:

"Заинтригуван съм от това как [Петини] използва старата ми статия за скрити променливи с Бом, за да разработи своя двувременен модел на вплитане, но честно казано, не виждам как това ще доведе донякъде".

"Не чувствам влечението да предоставя причинно-следствено обяснение на вплитането и вече не мисля за "колапса" на вълновата функция като динамичен процес."

Той казва, че централната предпоставка на Петини – че добавянето на допълнително времево измерение би могло да позволи предаването на вплитане между иначе несвързани фотони, е "голям скок". "Лично аз не бих заложил на това", споделя физикът.

Справка: Quantum entanglement without nonlocal causation in (3,2)-dimensional spacetime; Marco Pettini, Phys. Rev. Research 7, 013261 – Published 12 March, 2025; DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.7.013261 

Източник: Could an extra time dimension reconcile quantum entanglement with local causality?, Tim Wogan, Physics World

Въведение в квантовото вплитане

Идеята за неопределеността е фундаментална за света на квантовата механика. Не можем да измерваме всички характеристики на една система едновременно, без значение колко перфектен е експериментът. Копенхагенската интерпретация на Нилс Бор ефективно ни показва, че самият акт на измерване избира характеристиките, които се наблюдават.

Вплитането е доста странно свойство на квантовата механика. Ако два електрона, например, бъдат изхвърлени от квантова система, тогава законите за запазване на импулса ни казват, че импулсът е равен и противоположен на този на другия. Въпреки това, според Копенхагенската интерпретация, нито една частица няма да има определено състояние, докато не бъде измерена. Когато се измери импулса на едната, това ще определи състоянието и импулса на другата частица, независимо от разстоянието между тях.

Основното:

  1. Когато две субатомни частици взаимодействат една с друга, техните състояния стават взаимозависими – те се вплитат.
  2. Те остават свързани дори когато са физически разделени (дори на огромни разстояния като различни галактики).
  3. Манипулирането на една частица незабавно променя другата.
  4. Измерването на свойствата на една частица ни дава данни за другата.


Това е известно като нелокално поведение, въпреки че Айнщайн го нарича "призрачно действие от разстояние". През 1935 г. Айнщайн заявява, че има скрити променливи, които го правят ненужно. Той твърди, че за да може една частица да повлияе на друга, ще е необходим сигнал, по-бърз от светлината между тях. Това е забранено според неговата Специалната теория на относителността.

Теорема на Бел:

През 1964 г. физикът Джон Стюарт Бел предлага експеримент, който разглежда въпроса дали вплетените частици действително комуникират помежду си по-бързо от скоростта на светлината. Той представя случай на свързани електрони, един със спин нагоре и един със спин надолу. (Спинът се отнася до ъгловия импулс на електроните). Според квантовата теория двата електрона са в суперпозиция на състояния, докато не бъдат измерени. Всеки един от тях може да има спин нагоре или надолу. Но докато измервате спина на единия електрон, знаете, че другият трябва да има обратния спин.

Формулите, получени от Бел, наречени неравенства на Бел, определят колко често спинът на една частица трябва да корелира със спина на другата частица, ако бъде включена нормалната вероятност, която всъщност се противопоставя на квантовото заплитане. Статистическото разпределение доказва математически, че Айнщайн не е бил прав и че има мигновена връзка между вплетените частици. Според физика Фритьоф Капра, теоремата на Бел описва как Вселената е "фундаментално взаимосвързана".

В заключение, квантовата сфера не е обвързана от правилата на локалността. Когато две частици претърпят вплитане, те са ефективно една система, която има една квантова функция.

Локалност и нелокалност

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 например.

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !