technika
Autor: Przemek Berg | dodano: 2013-06-24
Spląta(nie) rzeczywistości

Foto: Nitr/Dreamstime.com

Fizykom udało się wprawić w stan splątania aż pięć fotonów jednocześnie. Tym samym skróciła się droga do kwantowych komputerów, a może nawet opanowania zjawiska kwantowej teleportacji.

Świat kwantowy jest bardzo dziwny. Zdumiewał badaczy cząstek atomowych i subatomowych w czasach, gdy był odkrywany, czyli w latach 20. i 30. XX w., ale też długo potem; także dzisiaj wiele zjawisk kwantowych wymyka się zdroworozsądkowej interpretacji. Jednym z nich jest wciąż pozostający w znacznej części w strefie cienia tzw. stan splątania.

Wnioski wynikłe z odkrywania praw mechaniki kwantowej zawarto w słynnej interpretacji kopenhaskiej, niebędącej jednak żadnym oficjalnym dokumentem, lecz naukową wykładnią i spuścizną badaczy skupionych wokół Nielsa Bohra. Ten wielki duński fizyk w latach rewolucji kwantowej zgromadził wokół siebie najwybitniejszych odkrywców i teoretyków, a ich współpraca doprowadziła do największych w XX w. odkryć w fizyce. Po raz pierwszy interpretację kopenhaską ogłoszono w 1927 r. Jej wnioski – w pewnym uproszczeniu – sprowadzić można do kilku konstatacji.

W świecie cząstek elementarnych powszechne jest zjawisko komplementarności. Polega na tym, że badane cząstki bywają różnymi bytami jednocześnie, np. cząstkami i falami. Dwoistą naturę pokazuje słynny eksperyment z dwiema szczelinami. Jeśli emitowany elektron ma dotrzeć do celu (detektora) przez jedną szczelinę w przeszkodzie, to przedostaje się przez nią jako cząstka. Gdy jednak w przeszkodzie są dwie szczeliny obok siebie, nie wybiera jednej z nich, lecz przenika przez obie jednocześnie – jako fala. Na marginesie, najnowsze eksperymenty przeprowadzone w 2012 r. dowodzą, że podział ten nie musi następować w identycznych proporcjach. Jeśli w jednym doświadczeniu mamy do czynienia z fotonami, które raz objawiają się jako cząstka, a raz jako fala, to podział ten nie musi być wcale równy, a więc pół na pół. Foton może być cząstką na przykład w 30% i falą w 70% lub odwrotnie.

W świecie kwantów powszechne jest zjawisko nieoznaczoności, o czym przekonuje słynna zasada Heisenberga. Badając układ kwantowy, nie możemy w tym samym czasie zdobyć całej wiedzy o cząstce, np. określić dokładnie jej pędu i położenia albo spinu i pędu. Możemy badać tylko jedną właściwość, a pozostałe – przez to, że badana jest tylko jedna z nich – wymykają się obserwacji i opisowi.

Świat kwantów jest probabilistyczny, co oznacza, że przed pomiarem danej własności cząstek mierzona zmienna nie ma ustalonej wartości. Wartość tę ustala dopiero pomiar. Wcześniej, przed jego wykonaniem, istnieją tylko rozkłady prawdopodobieństwa dotyczące poszczególnych cech badanego obiektu. Każdy elektron znajduje się w każdym możliwym miejscu w przestrzeni w tym samym czasie, ale szanse odnalezienia go w niektórych miejscach są bardzo duże, a w innych bardzo małe.

I wreszcie, żeby obserwować zjawiska atomowe i subatomowe, musimy je zaburzać. Nie ma sensu pytać – twierdził Bohr – co atomy robią, gdy ich nie obserwujemy. Nic nie robią. Bez obserwacji ich nie ma.

Błąd kopenhaski?

Jednym z najbardziej zagorzałych krytyków tej interpretacji był Albert Einstein, który – jak sam wielokrotnie twierdził – nie rozumiał świata stworzonego przez Bohra i jego otoczenie. Żeby wykazać, że mechanika kwantowa jest w błędzie, że przeoczyła jakiś istotny fakt lub pomiar, Einstein stworzył słynny paradoks, który miał unaocznić fałsz interpretacji kopenhaskiej. Paradoks ten nosi nazwę EPR – od nazwisk jego twórców: Alberta Einsteina, Borysa Podolskiego i Nathana Rosena. Dotyczył cząstek zwanych singletami.

Są to cząstki, które mają precyzyjnie określoną własność wspólną. Jeśli badamy cechę jednej, to wynik tego badania daje nam natychmiastową informację o stanie drugiej. Może to być informacja o spinie, polaryzacji lub innej cesze. Dwa fotony są w stanie splątanym swojej polaryzacji wówczas, gdy używając dwóch identycznie ustawionych, ale odległych od siebie polaryzatorów, zawsze otrzymamy dwie przeciwne polaryzacje. Tak jakby mierzenie polaryzacji pierwszego wpływało na polaryzację drugiego. Przy czym odległość nie ma tu znaczenia. Cząstki mogą być od siebie oddalone o tysiące kilometrów, a i tak informacja o cechach jednej wpływa natychmiastowo na cechy drugiej. Tu właśnie tkwi sedno paradoksu EPR. W jaki sposób cząstki mogą komunikować się w trybie natychmiastowym – pytał Einstein – o wiele szybciej aniżeli prędkość światła? To niedorzeczność. Nic nie jest przecież od światła szybsze. W fizyce kwantowej tkwi jakiś błąd, skoro dopuszcza ona takie sytuacje.

Bell, Aspect i Gasin

Paradoksem EPR, od chwili jego ogłoszenia, przez wiele dziesięcioleci zajmowało się wielu fizyków, którzy stawiali sobie za cel jego ostateczne rozwiązanie. W 1964 r. rozumowanie Einsteina i jego partnerów obalił genialny irlandzki fizyk John Bell, który ostatecznie udowodnił, że tzw. realizm lokalny, zakładany przez krytyków teorii kwantów, w samym świecie kwantów nie istnieje. Innymi słowy, potwierdził, że cząstki mogą się komunikować nielokalnie i na wielkie odległości natychmiastowo. Wkrótce potem wielu innych postanowiło dowieść, że sytuację opisaną w paradoksie EPR można po prostu wytworzyć w laboratorium.

Pierwsze próby rozpoczęli Amerykanie na Berkeley University już na początku lat 70. XX w. Dopiero jednak w 1982 r. zespół fizyków kierowany przez Alaina Aspecta z Université Paris-Sud ostatecznie przeprowadził eksperyment potwierdzający dowód Bella. Fotony rzeczywiście mogą istnieć w stanie splątania i pozostając w nim, wymieniają informacje w trybie natychmiastowym. W 1997 r. w Genewie grupa pod kierunkiem Nicolasa Gasina powtórzyła eksperyment Aspecta z detektorami umieszczonymi 11 km od siebie, co potwierdzało realność efektu splątania kwantowego. W kolejnych latach wykonano podobne doświadczenia z jeszcze większymi odległościami. Wszystkie udane.

Kwantowa ryba

Fizyk angielski David Bohm zobrazował efekt splątania w niezwykły sposób. Wyobraźmy sobie akwarium, w którym pływa ryba, ale jednocześnie wyobraźmy sobie też, że widzimy ją z ujęcia dwóch kamer telewizyjnych, z których każda rzuca obraz na inny ekran. Pierwsza kamera filmuje tylko głowę ryby, druga tylko jej ogon. Kiedy patrzymy na dwa ekrany, możemy odnieść wrażenie, że ryba na każdym z nich to osobny byt i jednocześnie, że istnieje między pierwszą a drugą jakiś związek. Kiedy pierwsza ryba odwraca się, druga także się porusza. Kiedy pierwsza odwraca się w naszą stronę, druga dokonuje ruchu odwrotnego, w pewien sposób korespondującego z tym pierwszym. Jeśli nie jesteśmy świadomi, jak działa cały układ, odnosimy wrażenie, że ryby muszą się jakoś ze sobą komunikować, i to w trybie natychmiastowym. Jednak komunikacji w tradycyjnym rozumieniu słowa tu nie ma. Przecież to jest, tak naprawdę, jedna i ta sama ryba. To właśnie zachodzi między subatomowymi cząstkami w eksperymencie Aspecta. Istnieje głębszy poziom rzeczywistości, zdaje się mówić Bohm, który wymyka się naszym zmysłom.

Udowodnienie, że paradoks EPR nie jest żadnym paradoksem, lecz ukazuje realny fenomen kwantowego świata, ma dość poważne konsekwencje. Najważniejszą jest uznanie, że oddziaływania, z którymi stykamy się na świecie, wcale nie muszą mieć charakteru lokalnego, a więc nie muszą wypływać z tego, co z nimi bezpośrednio sąsiaduje. Przez lokalny charakter oddziaływań rozumie się, że wszystko, co dzieje się w danym miejscu, jest rezultatem czynników działających w tym właśnie miejscu. Tymczasem świat może być nielokalny. To niezwykłe odkrycie. Procesy mogą być efektem czynników bardzo odległych, pochodzących spoza areny wydarzeń, których wpływ rozprzestrzenia się natychmiastowo. Wszystko jest związane ze wszystkim. Ograniczenia świetlne teorii względności Einsteina w takim świecie nie obowiązują. Lokalność świata jest fikcją. To właśnie udowodnili Bell i Aspect.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 07/2013 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
10/2019
09/2019
Kalendarium
Październik
22
W 1964 r. kanadyjski komitet parlamentarny wybrał, spośród 2 600 zgłoszonych na konkurs propozycji, obecny wzór flagi Kanady.
Warto przeczytać
Czy matematyka w szkole wydawała Ci się trudna? Nudna? Przerażająca?
A może wręcz przeciwnie uwielbiasz matematykę? Niezależnie od odpowiedzi na te pytania, "Matematyka, jakiej nie znacie" jest książką dla Ciebie.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Przemek Berg | dodano: 2013-06-24
Spląta(nie) rzeczywistości

Foto: Nitr/Dreamstime.com

Fizykom udało się wprawić w stan splątania aż pięć fotonów jednocześnie. Tym samym skróciła się droga do kwantowych komputerów, a może nawet opanowania zjawiska kwantowej teleportacji.

Świat kwantowy jest bardzo dziwny. Zdumiewał badaczy cząstek atomowych i subatomowych w czasach, gdy był odkrywany, czyli w latach 20. i 30. XX w., ale też długo potem; także dzisiaj wiele zjawisk kwantowych wymyka się zdroworozsądkowej interpretacji. Jednym z nich jest wciąż pozostający w znacznej części w strefie cienia tzw. stan splątania.

Wnioski wynikłe z odkrywania praw mechaniki kwantowej zawarto w słynnej interpretacji kopenhaskiej, niebędącej jednak żadnym oficjalnym dokumentem, lecz naukową wykładnią i spuścizną badaczy skupionych wokół Nielsa Bohra. Ten wielki duński fizyk w latach rewolucji kwantowej zgromadził wokół siebie najwybitniejszych odkrywców i teoretyków, a ich współpraca doprowadziła do największych w XX w. odkryć w fizyce. Po raz pierwszy interpretację kopenhaską ogłoszono w 1927 r. Jej wnioski – w pewnym uproszczeniu – sprowadzić można do kilku konstatacji.

W świecie cząstek elementarnych powszechne jest zjawisko komplementarności. Polega na tym, że badane cząstki bywają różnymi bytami jednocześnie, np. cząstkami i falami. Dwoistą naturę pokazuje słynny eksperyment z dwiema szczelinami. Jeśli emitowany elektron ma dotrzeć do celu (detektora) przez jedną szczelinę w przeszkodzie, to przedostaje się przez nią jako cząstka. Gdy jednak w przeszkodzie są dwie szczeliny obok siebie, nie wybiera jednej z nich, lecz przenika przez obie jednocześnie – jako fala. Na marginesie, najnowsze eksperymenty przeprowadzone w 2012 r. dowodzą, że podział ten nie musi następować w identycznych proporcjach. Jeśli w jednym doświadczeniu mamy do czynienia z fotonami, które raz objawiają się jako cząstka, a raz jako fala, to podział ten nie musi być wcale równy, a więc pół na pół. Foton może być cząstką na przykład w 30% i falą w 70% lub odwrotnie.

W świecie kwantów powszechne jest zjawisko nieoznaczoności, o czym przekonuje słynna zasada Heisenberga. Badając układ kwantowy, nie możemy w tym samym czasie zdobyć całej wiedzy o cząstce, np. określić dokładnie jej pędu i położenia albo spinu i pędu. Możemy badać tylko jedną właściwość, a pozostałe – przez to, że badana jest tylko jedna z nich – wymykają się obserwacji i opisowi.

Świat kwantów jest probabilistyczny, co oznacza, że przed pomiarem danej własności cząstek mierzona zmienna nie ma ustalonej wartości. Wartość tę ustala dopiero pomiar. Wcześniej, przed jego wykonaniem, istnieją tylko rozkłady prawdopodobieństwa dotyczące poszczególnych cech badanego obiektu. Każdy elektron znajduje się w każdym możliwym miejscu w przestrzeni w tym samym czasie, ale szanse odnalezienia go w niektórych miejscach są bardzo duże, a w innych bardzo małe.

I wreszcie, żeby obserwować zjawiska atomowe i subatomowe, musimy je zaburzać. Nie ma sensu pytać – twierdził Bohr – co atomy robią, gdy ich nie obserwujemy. Nic nie robią. Bez obserwacji ich nie ma.

Błąd kopenhaski?

Jednym z najbardziej zagorzałych krytyków tej interpretacji był Albert Einstein, który – jak sam wielokrotnie twierdził – nie rozumiał świata stworzonego przez Bohra i jego otoczenie. Żeby wykazać, że mechanika kwantowa jest w błędzie, że przeoczyła jakiś istotny fakt lub pomiar, Einstein stworzył słynny paradoks, który miał unaocznić fałsz interpretacji kopenhaskiej. Paradoks ten nosi nazwę EPR – od nazwisk jego twórców: Alberta Einsteina, Borysa Podolskiego i Nathana Rosena. Dotyczył cząstek zwanych singletami.

Są to cząstki, które mają precyzyjnie określoną własność wspólną. Jeśli badamy cechę jednej, to wynik tego badania daje nam natychmiastową informację o stanie drugiej. Może to być informacja o spinie, polaryzacji lub innej cesze. Dwa fotony są w stanie splątanym swojej polaryzacji wówczas, gdy używając dwóch identycznie ustawionych, ale odległych od siebie polaryzatorów, zawsze otrzymamy dwie przeciwne polaryzacje. Tak jakby mierzenie polaryzacji pierwszego wpływało na polaryzację drugiego. Przy czym odległość nie ma tu znaczenia. Cząstki mogą być od siebie oddalone o tysiące kilometrów, a i tak informacja o cechach jednej wpływa natychmiastowo na cechy drugiej. Tu właśnie tkwi sedno paradoksu EPR. W jaki sposób cząstki mogą komunikować się w trybie natychmiastowym – pytał Einstein – o wiele szybciej aniżeli prędkość światła? To niedorzeczność. Nic nie jest przecież od światła szybsze. W fizyce kwantowej tkwi jakiś błąd, skoro dopuszcza ona takie sytuacje.

Bell, Aspect i Gasin

Paradoksem EPR, od chwili jego ogłoszenia, przez wiele dziesięcioleci zajmowało się wielu fizyków, którzy stawiali sobie za cel jego ostateczne rozwiązanie. W 1964 r. rozumowanie Einsteina i jego partnerów obalił genialny irlandzki fizyk John Bell, który ostatecznie udowodnił, że tzw. realizm lokalny, zakładany przez krytyków teorii kwantów, w samym świecie kwantów nie istnieje. Innymi słowy, potwierdził, że cząstki mogą się komunikować nielokalnie i na wielkie odległości natychmiastowo. Wkrótce potem wielu innych postanowiło dowieść, że sytuację opisaną w paradoksie EPR można po prostu wytworzyć w laboratorium.

Pierwsze próby rozpoczęli Amerykanie na Berkeley University już na początku lat 70. XX w. Dopiero jednak w 1982 r. zespół fizyków kierowany przez Alaina Aspecta z Université Paris-Sud ostatecznie przeprowadził eksperyment potwierdzający dowód Bella. Fotony rzeczywiście mogą istnieć w stanie splątania i pozostając w nim, wymieniają informacje w trybie natychmiastowym. W 1997 r. w Genewie grupa pod kierunkiem Nicolasa Gasina powtórzyła eksperyment Aspecta z detektorami umieszczonymi 11 km od siebie, co potwierdzało realność efektu splątania kwantowego. W kolejnych latach wykonano podobne doświadczenia z jeszcze większymi odległościami. Wszystkie udane.

Kwantowa ryba

Fizyk angielski David Bohm zobrazował efekt splątania w niezwykły sposób. Wyobraźmy sobie akwarium, w którym pływa ryba, ale jednocześnie wyobraźmy sobie też, że widzimy ją z ujęcia dwóch kamer telewizyjnych, z których każda rzuca obraz na inny ekran. Pierwsza kamera filmuje tylko głowę ryby, druga tylko jej ogon. Kiedy patrzymy na dwa ekrany, możemy odnieść wrażenie, że ryba na każdym z nich to osobny byt i jednocześnie, że istnieje między pierwszą a drugą jakiś związek. Kiedy pierwsza ryba odwraca się, druga także się porusza. Kiedy pierwsza odwraca się w naszą stronę, druga dokonuje ruchu odwrotnego, w pewien sposób korespondującego z tym pierwszym. Jeśli nie jesteśmy świadomi, jak działa cały układ, odnosimy wrażenie, że ryby muszą się jakoś ze sobą komunikować, i to w trybie natychmiastowym. Jednak komunikacji w tradycyjnym rozumieniu słowa tu nie ma. Przecież to jest, tak naprawdę, jedna i ta sama ryba. To właśnie zachodzi między subatomowymi cząstkami w eksperymencie Aspecta. Istnieje głębszy poziom rzeczywistości, zdaje się mówić Bohm, który wymyka się naszym zmysłom.

Udowodnienie, że paradoks EPR nie jest żadnym paradoksem, lecz ukazuje realny fenomen kwantowego świata, ma dość poważne konsekwencje. Najważniejszą jest uznanie, że oddziaływania, z którymi stykamy się na świecie, wcale nie muszą mieć charakteru lokalnego, a więc nie muszą wypływać z tego, co z nimi bezpośrednio sąsiaduje. Przez lokalny charakter oddziaływań rozumie się, że wszystko, co dzieje się w danym miejscu, jest rezultatem czynników działających w tym właśnie miejscu. Tymczasem świat może być nielokalny. To niezwykłe odkrycie. Procesy mogą być efektem czynników bardzo odległych, pochodzących spoza areny wydarzeń, których wpływ rozprzestrzenia się natychmiastowo. Wszystko jest związane ze wszystkim. Ograniczenia świetlne teorii względności Einsteina w takim świecie nie obowiązują. Lokalność świata jest fikcją. To właśnie udowodnili Bell i Aspect.