Nadie en el mundo entiende la mecánica cuántica; esto es lo principal que debe saber al respecto. Sí, muchos físicos han aprendido a utilizar sus leyes e incluso a predecir fenómenos mediante cálculos cuánticos. Pero aún no está claro por qué la presencia de un observador determina el destino del sistema y lo obliga a elegir a favor de un estado. "Teorías y prácticas" seleccionó ejemplos de experimentos, cuyo resultado está inevitablemente influenciado por el observador, y trató de averiguar qué va a hacer la mecánica cuántica con tal interferencia de la conciencia en la realidad material.

El gato de Shroedinger

Hoy en día existen muchas interpretaciones de la mecánica cuántica, la más popular de las cuales sigue siendo la de Copenhague. Sus principales disposiciones fueron formuladas en la década de 1920 por Niels Bohr y Werner Heisenberg. Y el término central de la interpretación de Copenhague fue la función de onda, una función matemática que contiene información sobre todos los estados posibles de un sistema cuántico en el que reside simultáneamente.

Según la interpretación de Copenhague, solo la observación puede determinar con precisión el estado del sistema, distinguirlo del resto (la función de onda solo ayuda a calcular matemáticamente la probabilidad de detectar el sistema en un estado particular). Podemos decir que después de la observación, un sistema cuántico se vuelve clásico: instantáneamente deja de coexistir en muchos estados a la vez a favor de uno de ellos.

Este enfoque siempre ha tenido detractores (recordemos, por ejemplo, “Dios no juega a los dados” de Albert Einstein), pero la precisión de los cálculos y predicciones pasó factura. Sin embargo, en los últimos años ha habido cada vez menos partidarios de la interpretación de Copenhague, y una razón no menor para esto es el muy misterioso colapso instantáneo de la función de onda durante la medición. El famoso experimento mental de Erwin Schrödinger con el pobre gato fue diseñado para mostrar lo absurdo de este fenómeno.

Entonces, recordamos el contenido del experimento. Un gato vivo, una ampolla de veneno y algún mecanismo que puede poner el veneno en acción en un momento aleatorio se colocan en una caja negra. Por ejemplo, un átomo radiactivo, cuya descomposición romperá la ampolla. Se desconoce el tiempo exacto de la desintegración del átomo. Solo se conoce la vida media: el tiempo durante el cual ocurrirá la descomposición con una probabilidad del 50%.

Resulta que para un observador externo, el gato dentro de la caja existe en dos estados a la vez: o está vivo, si todo va bien, o muerto, si se ha producido la caries y la ampolla se ha roto. Ambos estados están descritos por la función de onda del gato, que cambia con el tiempo: cuanto más lejos, más probable es que la desintegración radiactiva ya haya ocurrido. Pero tan pronto como se abre la caja, la función de onda colapsa e inmediatamente vemos el resultado del experimento del desollador.

Resulta que hasta que el observador abra la caja, el gato se balanceará para siempre en la frontera entre la vida y la muerte, y solo la acción del observador determinará su destino. Este es el absurdo que señaló Schrödinger.

difracción de electrones

Según una encuesta a destacados físicos realizada por The New York Times, el experimento con la difracción de electrones, iniciado en 1961 por Klaus Jenson, se convirtió en uno de los más bellos de la historia de la ciencia. ¿Cuál es su esencia?

Hay una fuente que emite un chorro de electrones hacia la pantalla-placa fotográfica. Y hay un obstáculo en el camino de estos electrones: una placa de cobre con dos rendijas. ¿Qué tipo de imagen en la pantalla se puede esperar si representamos a los electrones como pequeñas bolas cargadas? Dos bandas iluminadas frente a las rendijas.

En realidad, aparece en la pantalla un patrón mucho más complejo de franjas alternas en blanco y negro. El hecho es que al pasar por las rendijas, los electrones comienzan a comportarse no como partículas, sino como ondas (al igual que los fotones, las partículas de luz, pueden ser simultáneamente ondas). Luego, estas ondas interactúan en el espacio, debilitándose en algún lugar y fortaleciéndose entre sí en algún lugar, y como resultado, aparece en la pantalla una imagen compleja de franjas alternas de luz y oscuridad.

En este caso, el resultado del experimento no cambia, y si los electrones pasan a través de la rendija no en una corriente continua, sino uno por uno, incluso una partícula puede convertirse simultáneamente en una onda. Incluso un electrón puede pasar a través de dos rendijas al mismo tiempo (y esta es otra de las disposiciones importantes de la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica: los objetos pueden mostrar simultáneamente tanto sus propiedades materiales "habituales" como sus propiedades ondulatorias exóticas).

Pero, ¿y el observador? A pesar de que con él la ya complicada historia se complicó aún más. Cuando, en tales experimentos, los físicos intentaron fijar con la ayuda de instrumentos a través de qué rendija pasa realmente el electrón, la imagen en la pantalla cambió dramáticamente y se volvió "clásica": dos áreas iluminadas opuestas a las rendijas y sin franjas alternas.

Los electrones no parecían querer mostrar su naturaleza ondulatoria bajo la mirada del observador. Ajustado a su deseo instintivo de ver una imagen sencilla y comprensible. ¿Místico? Hay una explicación mucho más sencilla: ninguna observación del sistema puede llevarse a cabo sin un impacto físico sobre el mismo. Pero volveremos a esto un poco más tarde.

fullereno calentado

Los experimentos sobre la difracción de partículas se llevaron a cabo no solo en electrones, sino también en objetos mucho más grandes. Por ejemplo, los fullerenos son moléculas grandes y cerradas compuestas por decenas de átomos de carbono (por ejemplo, un fullereno de sesenta átomos de carbono tiene una forma muy similar a una pelota de fútbol: una esfera hueca cosida de cinco y hexágonos).

Recientemente, un grupo de la Universidad de Viena, dirigido por el profesor Zeilinger, ha tratado de introducir un elemento de observación en tales experimentos. Para hacer esto, irradiaron moléculas de fullereno en movimiento con un rayo láser. Después de eso, calentadas por una influencia externa, las moléculas comenzaron a brillar y así revelaron inevitablemente su lugar en el espacio para el observador.

Junto con esta innovación, el comportamiento de las moléculas también ha cambiado. Antes del comienzo de la vigilancia total, los fullerenos sortearon obstáculos con bastante éxito (mostraron propiedades de onda) como los electrones del ejemplo anterior que pasan a través de una pantalla opaca. Pero más tarde, con la llegada del observador, los fullerenos se calmaron y comenzaron a comportarse como partículas de materia completamente respetuosas de la ley.

Dimensión de enfriamiento

Una de las leyes más famosas del mundo cuántico es el principio de incertidumbre de Heisenberg: es imposible determinar simultáneamente la posición y la velocidad de un objeto cuántico. Cuanto más exactamente medimos el momento de una partícula, menos exactamente podemos medir su posición. Pero el funcionamiento de las leyes cuánticas, que operan al nivel de partículas diminutas, suele ser imperceptible en nuestro mundo de grandes macroobjetos.

Por lo tanto, los experimentos recientes del grupo del profesor Schwab de los EE. UU. son aún más valiosos, en los que se demostraron los efectos cuánticos no al nivel de los mismos electrones o moléculas de fullereno (su diámetro característico es de aproximadamente 1 nm), pero en un objeto un poco más tangible: una pequeña tira de aluminio.

Esta tira se fijó en ambos lados para que su centro estuviera en un estado suspendido y pudiera vibrar bajo la influencia externa. Además, junto a la tira había un dispositivo capaz de registrar su posición con gran precisión.

Como resultado, los experimentadores descubrieron dos efectos interesantes. En primer lugar, cualquier medición de la posición del objeto, la observación de la tira no pasó sin dejar rastro; después de cada medición, la posición de la tira cambió. En términos generales, los experimentadores determinaron las coordenadas de la tira con gran precisión y, por lo tanto, de acuerdo con el principio de Heisenberg, cambiaron su velocidad y, por lo tanto, la posición posterior.

En segundo lugar, lo que ya es bastante inesperado, algunas mediciones también condujeron al enfriamiento de la tira. Resulta que el observador solo puede cambiar las características físicas de los objetos con su presencia. Suena absolutamente increíble, pero para crédito de los físicos, digamos que no estaban perdidos: ahora el grupo del profesor Schwab está pensando cómo aplicar el efecto descubierto para enfriar circuitos electrónicos.

Partículas heladas

Como saben, las partículas radiactivas inestables se descomponen en el mundo no solo por el bien de los experimentos con gatos, sino también por sí mismas. Además, cada partícula se caracteriza por una vida media que, según parece, puede aumentar bajo la mirada de un observador.

Este efecto cuántico se predijo por primera vez en la década de 1960, y su brillante confirmación experimental apareció en un artículo publicado en 2006 por el grupo del premio Nobel de física Wolfgang Ketterle del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

En este trabajo, estudiamos la descomposición de átomos de rubidio excitados inestables (desintegración en átomos de rubidio en estado fundamental y fotones). Inmediatamente después de la preparación del sistema, comenzó a observarse la excitación de los átomos: fueron iluminados por un rayo láser. En este caso, la observación se llevó a cabo en dos modos: continuo (pequeños pulsos de luz se introducen constantemente en el sistema) y pulsado (el sistema se irradia con pulsos más potentes de vez en cuando).

Los resultados obtenidos están en excelente acuerdo con las predicciones teóricas. Los efectos de luz externos realmente ralentizan la descomposición de las partículas, como si las devolvieran a su estado original, lejos del estado de descomposición. En este caso, la magnitud del efecto para los dos regímenes estudiados también coincide con las predicciones. Y la vida máxima de los átomos de rubidio excitados inestables se extendió 30 veces.

Mecánica cuántica y conciencia

Los electrones y los fullerenos dejan de mostrar sus propiedades ondulatorias, las placas de aluminio se enfrían y las partículas inestables se congelan en su descomposición: bajo la mirada omnipotente de un observador, el mundo está cambiando. ¿Qué no es evidencia de la participación de nuestra mente en el trabajo del mundo que nos rodea? Entonces, ¿tal vez Carl Jung y Wolfgang Pauli (físico austriaco, premio Nobel, uno de los pioneros de la mecánica cuántica) tenían razón cuando dijeron que las leyes de la física y la conciencia deberían considerarse complementarias?

Pero sólo queda un paso para el reconocimiento del deber: todo el mundo que nos rodea es la esencia de nuestra mente. ¿Siniestro? (“¿De verdad crees que la Luna existe solo cuando la miras?”, comentó Einstein sobre los principios de la mecánica cuántica). Entonces intentemos de nuevo recurrir a los físicos. Además, en los últimos años están cada vez menos complacidos con la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica con su misterioso colapso de una función de onda, que está siendo reemplazada por otro término bastante mundano y confiable: decoherencia.

Aquí está la cosa: en todos los experimentos descritos con observación, los experimentadores inevitablemente influyeron en el sistema. Se iluminó con un láser, se instalaron instrumentos de medición. Y este es un principio general muy importante: no se puede observar un sistema, medir sus propiedades sin interactuar con él. Y donde hay interacción, hay un cambio en las propiedades. Especialmente cuando los colosos de objetos cuánticos interactúan con un pequeño sistema cuántico. De modo que la eterna neutralidad budista del observador es imposible.

Esto es precisamente lo que explica el término "decoherencia", un proceso irreversible desde el punto de vista de la violación de las propiedades cuánticas de un sistema cuando interactúa con otro sistema grande. Durante tal interacción, el sistema cuántico pierde sus características originales y se vuelve clásico, "obedece" al gran sistema. Esto explica la paradoja con el gato de Schrödinger: el gato es un sistema tan grande que simplemente no se puede aislar del mundo. El escenario mismo del experimento mental no es del todo correcto.

En cualquier caso, frente a la realidad como acto de creación de conciencia, la decoherencia suena mucho más tranquila. Tal vez incluso demasiado tranquilo. Después de todo, con este enfoque, todo el mundo clásico se convierte en un gran efecto de decoherencia. Y según los autores de uno de los libros más serios en este campo, afirmaciones como "no hay partículas en el mundo" o "no hay tiempo en un nivel fundamental" también se derivan lógicamente de tales enfoques.

¿Observador creativo o decoherencia omnipotente? Tienes que elegir entre dos males. Pero recuerde: ahora los científicos están cada vez más convencidos de que los muy notorios efectos cuánticos subyacen a nuestros procesos de pensamiento. Entonces, donde termina la observación y comienza la realidad, cada uno de nosotros tiene que elegir.

Hay temas sobre los que escribir es un placer. Cien mil autores ya han escrito sobre TI antes que usted, cien mil escribirán sobre TI después, pero todavía habrá un lector que leerá TI por primera vez. En este caso, hablaremos de la mecánica cuántica. ¡Espera, no vayas a otro portal, por favor! No se preocupe de que surjan dificultades, nos limitaremos a un modesto papel de observador externo. Y créeme, no es nada difícil.

¿Qué es lo más importante en un experimento? ¿Accesorios? ¿Preparación teórica? ¿Asistente inteligente? Sin amigos. Lo único que ningún experimento puede prescindir es el experimentador. Si no hay ninguno, no hay experimento. Hasta que aparece un observador que observa el resultado del experimento con su ojo inquisitivo y fija sus resultados con manos hábiles, lo que está sucediendo no es un experimento.

Pero resulta que sucede que la mera presencia de un observador durante un experimento interrumpe el curso del experimento, cambia el estado del sistema bajo estudio y hace que los eventos se desarrollen en una dirección diferente. E intentaremos entender cómo la mecánica cuántica evalúa tal consecuencia de la interferencia del observador en la realidad física del experimento utilizando cinco ejemplos clásicos.

Ejemplo uno: "El gato de Schrödinger"

Un ejemplo de libro de texto que se quedó grabado en los dientes: "El gato de Schrödinger". En una caja de Schrödinger (Erwin Schrödinger) negra sellada (sí, ¡cuál es la verdadera diferencia de qué color es!) se esconde un gato condicional (imaginario), una ampolla con veneno y un gatillo nuclear. Este dispositivo puede en cualquier momento romper la ampolla y destruir al animal. Un experimento divertido, podrías decir, y estarías en lo correcto. La única excusa que puede salvar el honor del científico austriaco es que la experiencia es puramente teórica, y pretende demostrar la lógica del pensamiento del físico.

El mecanismo de activación en un momento aleatorio puede liberar un átomo radiactivo, cuya descomposición romperá el vial de veneno. No se da el tiempo exacto de decaimiento. El observador conoce solo la vida media, es decir, el tiempo durante el cual ocurrirá la descomposición con una probabilidad de "cincuenta y cincuenta": 50 a 50. Por lo tanto, al observar una caja cerrada, entendemos que un gato dentro de su sistema cerrado existe simultáneamente en dos estados: está vivo o muerto. Ambos estados pueden describirse mediante la función de onda del gato (vivo-muerto), que cambia con el tiempo. Cuanto más nos alejemos de la etapa inicial (el gato definitivamente está vivo), más probable es que la ampolla ya se haya roto y el experimento haya terminado (el gato está muerto).

Pero puede asegurarse de que el experimento haya terminado solo abriendo la caja. Por tanto, mientras el observador no haya penetrado en el sistema cerrado, la probabilidad de que el gato esté vivo se mantiene, aunque tiende constantemente a cero. Por lo tanto, el gato puede equilibrarse para siempre al borde de la vida o la muerte, hasta que un científico que está cansado de pararse sobre una caja cerrada determina su destino. Y solo entonces ocurre el colapso de la función de onda y solo se realiza una de las muchas opciones.

Esta es la llamada interpretación de Copenhague de la ciencia llamada "mecánica cuántica". Es posible determinar de manera confiable el estado de cualquier sistema solo mediante la observación. Y el observador por su sola presencia cambia el resultado del estudio. Este es el momento misterioso que señaló Schrödinger.

Ejemplo dos: partículas congeladas

En los años 60 del siglo pasado se predijo un efecto cuántico, que luego fue probado en la práctica por un grupo de científicos liderado por el premio Nobel Wolfgang Ketterle. Al estudiar la descomposición de los átomos de rubidio excitados en los mismos átomos en un estado estable y fotones, los investigadores registraron una clara influencia del observador en el resultado del experimento.

Una partícula radiactiva inestable tiene una vida útil promedio, que puede aumentar si se controla de cerca. Entonces, después del inicio del experimento, los científicos comenzaron a observar la descomposición de los átomos en dos modos diferentes: continuo (el sistema se irradiaba constantemente con un flujo de luz débil que registraba los cambios) y pulsado (un haz de luz más potente pero corto periódicamente). ingresó al sistema).

El resultado obtenido resultó ser muy interesante. Los efectos de la luz externa sobre el sistema ralentizaron la descomposición de las partículas, devolviéndolas a su estado original. La vida de los átomos de rubidio excitados, que se descomponen rápidamente, podría extenderse diez veces. El efecto entró en la historia de la ciencia con el nombre en clave de "partícula congelada".

Ejemplo tres: "dualismo electrónico"

Uno de los más elegantes de la historia de la física cuántica se reconoce como un experimento con difracción de electrones, realizado en 1961. La esencia del experimento fue la siguiente: se instaló una placa de cobre con dos ranuras en el camino del flujo de electrones que volaba hacia el acabado fotográfico.

Si imaginamos el haz de electrones como un grupo de pequeñas bolas cargadas, uno esperaría dos franjas en la pantalla frente a una y la otra hendidura. Pero, de hecho, apareció una imagen diferente en la pantalla: una cebra de configuración compleja, que consta de franjas claras y oscuras que se alternan y se superponen entre sí. El resultado del experimento no cambió incluso si las partículas se enviaron a través de la rendija no en una corriente continua, sino una por una. Cada uno de los electrones en ese momento mostraba sus funciones de onda y podía pasar simultáneamente por dos rendijas.

Pero eso fue sólo la primera mitad del experimento. Cuando los físicos intentaron arreglar el resultado, la imagen en la pantalla se volvió instantáneamente clásica: dos franjas opuestas a las ranuras en la placa de cobre y ninguna cebra "extraña". Ante los ojos del observador, los electrones "perdieron" su componente de onda y mostraron una imagen familiar para un estudiante de secundaria. La presencia del observador tenía un impacto en el sistema y cambiaba automáticamente los resultados de la propia observación.

Ejemplo 4: "a algunas personas les gusta el picante..."

Además de los electrones, las moléculas grandes compuestas por varias docenas de átomos de carbono (fullerenos) a menudo actúan como conejillos de indias. Los fullerenos, compuestos por seis docenas de átomos, se asemejan a un balón de fútbol real cosido a partir de hexágonos. Con estos grandes elementos se realizan experimentos de difracción, similares a los que se realizan con los electrones.

No hace mucho tiempo, los científicos del grupo vienés del profesor Anton Zeilinger se aventuraron a añadir un “elemento observador” a la experiencia. Durante el estudio, los experimentadores bombardearon fullerenos móviles con radiación láser. Las moléculas fueron calentadas por influencias externas y brillaron en el espacio bajo estudio, revelando así su ubicación.

Junto con el comienzo del resplandor, también cambió el comportamiento mismo de las partículas. Si en la "oscuridad", sin la presencia de un observador, los fullerenos sortearon cuidadosamente los obstáculos, lo que mostró sus propiedades ondulatorias, entonces, con el advenimiento del "espectador", las partículas comenzaron a comportarse como cuerpos sólidos con todas las características de comportamiento resultantes. conocido de la física clásica.

Ejemplo cinco: "... y algunos son más fríos"

Pero el más interesante de todos los misterios de la física cuántica es el misterio del principio de incertidumbre de Heisenberg (Werner Karl Heisenberg). En una presentación popular, suena así: es imposible establecer simultáneamente la posición y la velocidad de un objeto cuántico. Es decir, cuanto más exactamente medimos el momento de una partícula elemental, menos exactamente podremos determinar dónde se encuentra en ese momento. Esto, por supuesto, es poco aplicable en el mundo de los objetos grandes y, en general, no está claro qué se puede seguir de esto, incluso a un nivel elemental.

El experimento del grupo dirigido por el profesor Schwab (Keith Schwab) añadió picante a la clásica incertidumbre de Heisenberg. Al colocar una diminuta tira de aluminio en el camino de las micropartículas, los científicos conectaron un dispositivo capaz de registrar su posición con la máxima precisión. Y luego obtuvimos dos resultados interesantes. Primero, cada nueva medida del objeto cambiaba la posición de la placa. El dispositivo determinó con mucha precisión las coordenadas de la tira y, por lo tanto, cambió su velocidad y, en consecuencia, la posición posterior en el espacio.

Pero si el primer descubrimiento fue predicho por el principio de incertidumbre, entonces el segundo fue una sorpresa para todos. Las mediciones que realizaron los científicos condujeron al enfriamiento de la tira. Es decir, el observador por su sola presencia cambiaba las características físicas del objeto. En este caso, la temperatura. Inmediatamente se encontró un uso práctico de este efecto: ahora el profesor Schwab está pensando cómo aplicar este fenómeno para enfriar los microcircuitos más complejos.

PD.: La sensación de que el mundo existe solo mientras lo miras, visitó incluso al gran Einstein. Pero nos aseguró que no era así. De hecho, ¿cómo puede el observador de la luna afectar a la luna misma? Bueno, ¿y si, de hecho, todo lo que sucede a nuestro alrededor es solo un producto de nuestra imaginación? Y tan pronto como nos quedemos dormidos, el mundo desaparecerá. ¿O todavía tienen razón los que dicen que las leyes de la física del universo y las leyes de comprensión de este universo (psique) deben considerarse complementarias entre sí? Como dos partes de una gran doctrina.

O en general, ¿es la misma ciencia? Y se llama física. Porque comparado con la física, todo lo demás no es más que filatelia.

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Los misterios de la física cuántica también se pueden atribuir a la cantidad de artefactos desconocidos de la estructura moderna del mundo. La construcción de una imagen mecánica del espacio circundante no se puede completar, basándose únicamente en el conocimiento tradicional de la teoría clásica de la física. Además de la teoría física clásica, los puntos de vista sobre la organización de la estructura de la realidad física están fuertemente influenciados por la teoría de los campos electromagnéticos, construida por primera vez por Maxwell. Se puede argumentar que fue entonces cuando se estableció el escenario del enfoque cuántico en la física moderna.

Se conectó, una nueva etapa en la formación de la teoría cuántica y, con la impactante comunidad científica, los trabajos de investigación del famoso físico experimental - Max Planck. El principal impulso para el desarrollo de la física cuántica comenzó y estuvo marcado por un intento de resolver un problema científico, el estudio de las ondas electromagnéticas.

El concepto clásico de la esencia física de la materia no permitía justificar el cambio de muchas propiedades distintas de las mecánicas. La sustancia investigada no obedecía a las leyes clásicas de la física, esto planteaba nuevos problemas para la investigación y obligaba a la investigación científica.

Planck se apartó de la interpretación clásica de la teoría científica, que no reflejaba plenamente la realidad de los fenómenos que se desarrollaban, ofreciendo su propia visión e hipotetizando sobre la discrecionalidad de la radiación de energía por parte de los átomos de la materia. Este enfoque permitió resolver muchos de los puntos de parada de la teoría clásica del electromagnetismo. La continuidad de los procesos que subyacen a la representación de las leyes físicas no permitía realizar cálculos, no sólo con un error de compromiso, sino que en ocasiones no reflejaba la esencia de los fenómenos.

La teoría cuántica de Planck, según la cual se afirma que los átomos son capaces de emitir energía electromagnética solo en porciones separadas, y no, como se dijo anteriormente, sobre la continuidad del proceso, hizo posible cambiar el desarrollo de la física como teoría cuántica. de procesos La teoría corpuscular afirmaba que la energía se irradia constantemente, y esta era la principal contradicción.

Sin embargo, los misterios de la física cuántica han permanecido inexplorados hasta los cimientos. Es solo que los experimentos de Planck permitieron desarrollar una idea de la complejidad de la estructura del mundo circundante y la organización de la materia, pero no nos permitieron finalmente puntear el "y". Este hecho de incompletitud hace posible incluso ahora que los científicos de nuestro tiempo continúen trabajando en el desarrollo de la investigación cuántica teórica.

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La vida es el fenómeno más extraordinario del universo observable; pero ¿cómo se originó la vida? Incluso en la era de la clonación y la biología sintética, una verdad notable sigue siendo cierta: nadie ha logrado crear un ser vivo a partir de materiales completamente inanimados. La vida surge sólo de la vida. ¿Resulta que todavía nos faltan algunos de sus componentes fundamentales? Al igual que el libro de Richard Dawkins The Selfish Gene, que proporcionó una nueva perspectiva sobre el proceso evolutivo, Life on the Edge cambia nuestra comprensión de las fuerzas impulsoras fundamentales de este mundo. En él, los autores examinan tanto los datos experimentales más recientes como los descubrimientos de la ciencia más avanzada, y lo hacen con un estilo inteligible único. Jim Al-Khalili y Jonjo McFadden hablan sobre la pieza faltante de la mecánica cuántica; fenómeno que subyace en la más misteriosa de las ciencias.

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Volveremos al fotón y al árbol en breve y descubriremos cómo se relacionan con el mundo cuántico, pero primero echemos un vistazo a un experimento sorprendentemente simple que resalta la mística del mundo cuántico. Si bien hacemos todo lo posible para explicar lo más claramente posible qué significan expresiones como "superposición cuántica", no hay nada más claro que el famoso experimento de dos rendijas que se describe a continuación.

El experimento con dos rendijas muestra de la manera más simple y completa que todo está dispuesto de manera diferente en el mundo cuántico. Las partículas pueden comportarse como ondas a medida que se propagan por el espacio y, en ocasiones, las ondas pueden adoptar las propiedades de las partículas. Ya hemos hablado de la dualidad onda-partícula: en la introducción se describe como una característica por la cual queda claro cómo el Sol genera energía; En el Capítulo 3, vimos cómo las características de onda de los electrones y protones les permiten superar las barreras energéticas en la estructura de las enzimas. En este capítulo, aprenderá que la dualidad onda-partícula también afecta las reacciones bioquímicas más importantes de la biosfera: la transformación del aire, el agua y la luz en plantas, microorganismos e, indirectamente, en todos nosotros. Pero antes debemos entender cómo la audaz idea de que las partículas pueden estar en más de un lugar al mismo tiempo se sustenta en el experimento más sencillo, elegante y a la vez más ambicioso de la historia: uno de estos experimentos, según Richard Feynman, "se encuentra en el corazón de la mecánica cuántica".

Sin embargo, debo advertirte que lo aquí descrito te parecerá imposible y puedes pensar que debe haber una forma más racional de explicar lo que está pasando. Quizás te preguntes cuál es el secreto de este truco de magia. O puede concluir que la experiencia es pura especulación teórica, inventada por científicos que carecían de imaginación para comprender el funcionamiento de la naturaleza. Pero ninguna de estas explicaciones es correcta. La experiencia de la doble rendija no tiene una explicación (común), pero es real y ha sido replicada miles de veces.

Describiremos el experimento en tres pasos; los dos primeros se ocuparán de la descripción de las condiciones para que podáis apreciar los incomprensibles resultados de la tercera etapa, la principal.

En primer lugar, se dirige un haz de luz monocromática (que consiste en ondas del mismo color, es decir, ondas de la misma longitud) hacia una pantalla con dos rendijas estrechas que permiten que pase algo de luz a través de ambas rendijas hacia la segunda pantalla (Fig. 4.1).

Arroz. 4.1. Experimento de doble rendija, etapa 1 Cuando se envía luz monocromática (que tiene una determinada longitud de onda) a dos rendijas, cada una de ellas actúa como una nueva fuente de luz en el otro lado. Debido a la naturaleza de las ondas, la luz se propaga (se dispersa) después de pasar por cada rendija, de modo que las ondas circulares se superponen e interactúan entre sí, formando bandas oscuras y claras en la pantalla trasera.

Al controlar con precisión el ancho de las rendijas, la distancia entre ellas y la distancia entre las dos pantallas, podemos crear una secuencia de franjas claras y oscuras en la segunda pantalla, conocida como patrón de interferencia.

Los patrones de interferencia son gráficos de ondas y son fáciles de ver en cualquier medio de onda. Lance una piedra a la superficie del estanque y verá una serie de ondas circulares concéntricas que irradian desde el punto de salpicadura. Lanza dos rocas al mismo estanque y cada una formará sus propias ondas concéntricas. Donde las ondas de las dos piedras se superponen, verá un patrón de interferencia (Figura 4.2).

Arroz. 4.2. Interferencia de onda constructiva y destructiva

Cuando el pico de una onda se encuentra con el punto mínimo de otra, se cancelan entre sí, lo que da como resultado que no haya onda en ese punto. Este fenómeno se denomina interferencia destructiva. Por el contrario, donde dos picos o dos puntos mínimos se encuentran, se refuerzan entre sí, creando una doble onda: este fenómeno se denomina interferencia constructiva. Se puede observar un patrón similar de decaimiento y amplificación de onda en cualquier medio de onda. El físico inglés Thomas Young demostró la interferencia de haces de luz en una versión temprana del experimento de doble rendija realizado hace más de 200 años. El resultado lo convenció a él y a muchos otros científicos de que la luz era en realidad una onda.

La interferencia que vemos en el experimento de la doble rendija depende principalmente del camino que toman las ondas de luz a través de la rendija y luego se propagan, una propiedad de las ondas conocida como difracción. Así, los rayos que emanan de las rendijas se superponen y se absorben entre sí antes de llegar a la luneta trasera, como olas en el agua. En ciertos puntos de la pantalla, las ondas de luz que emanan de las dos rendijas entran en una fase en la que se alternan picos y valles, ya sea porque han recorrido la misma distancia hasta la pantalla o porque la diferencia de distancia que han recorrido es un múltiplo de la distancia entre sus picos. En este caso, los máximos y mínimos de las olas se combinan para formar puntos aún más altos y más bajos. Este fenómeno se denomina interferencia constructiva. Cuando las ondas se superponen, se forma una luz de alta intensidad y, en consecuencia, una banda brillante en la pantalla. Pero en otros puntos, la luz de las dos rendijas cae fuera de fase, y el punto más alto de una onda se encuentra con el punto más bajo de la otra. En estos puntos, las ondas se cancelan entre sí, lo que conduce a la formación de una banda oscura en la pantalla: interferencia destructiva. Entre estos dos extremos, la combinación no está completamente "en fase" ni "fuera de fase" y queda algo de luz. Por lo tanto, vemos en la pantalla no una secuencia exacta de franjas claras y oscuras, sino un cambio suave en la intensidad entre los puntos máximo y mínimo en el patrón de interferencia. Este cambio suave ondulante regular en la intensidad es un indicador clave de los fenómenos de las olas. Hay un ejemplo con las ondas de sonido: un músico, mientras afina un instrumento, escucha los golpes, que se obtienen si una nota es muy cercana en frecuencia a otra, de modo que en el camino hacia el oído del músico a veces se desfasan o se desfasan. de fase La variación de sus combinaciones produce un sonido común, cuyo volumen sube y baja periódicamente. El cambio gradual en la intensidad del sonido se debe a la interferencia entre dos ondas separadas. Tenga en cuenta que estos latidos son un fenómeno que obedece a las leyes de la física clásica y no requiere una interpretación cuántica.

El factor clave en el experimento de la doble rendija es que el haz de luz que ingresa a la primera pantalla debe ser monocromático (compuesto por longitudes de onda de la misma longitud). La luz blanca que proviene de una bombilla común, por el contrario, está compuesta por ondas de diferentes longitudes de onda (todos los colores del arcoíris), por lo que las ondas caerán aleatoriamente en la pantalla. En este caso, a pesar de que los picos y los puntos bajos de las ondas interactuarán entre sí, la imagen resultante será tan compleja y borrosa que las bandas individuales serán indistinguibles. De manera similar, a pesar de la facilidad de obtener un patrón de interferencia arrojando dos piedras a un estanque, una gran cascada que cae en el estanque forma tantas ondas que es imposible ver un patrón de interferencia coherente.

Ahora, en el segundo paso del experimento de la doble rendija, no usaremos luz, sino balas volando hacia la pantalla. La conclusión es que estamos usando partículas sólidas, no propagando ondas. Cada bala debe, por supuesto, pasar por una u otra ranura, pero no por ambas al mismo tiempo. Después de que el número requerido de balas haya pasado por las ranuras, veremos en la pantalla trasera dos bandas de agujeros de bala correspondientes a dos ranuras (Fig. 4.3).

Arroz. 4.3. Experimento con dos rendijas, etapa 2. En contraste con el comportamiento de las ondas de luz, el flujo de balas que vuelan a través de las rendijas demuestra el comportamiento de las partículas. Cada bala que golpee la pantalla trasera debe pasar a través de una u otra ranura, pero no de ambas (asumiendo que el centro de la pantalla sea lo suficientemente grueso, por supuesto, para atrapar las balas que no pasen por las ranuras). A diferencia de la interferencia multibanda, el patrón en la pantalla trasera muestra un grupo de balas alrededor de dos bandas estrechas correspondientes a cada ranura.

Por supuesto, no estamos tratando con olas. Cada bala es una partícula separada y no interactúa con la otra, por lo que no hay interferencia.

Y ahora la tercera etapa: el "truco" cuántico. El experimento se repite utilizando átomos en lugar de balas. Un haz de átomos que emana de la fuente vuela hacia la pantalla con dos rendijas estrechas. Para registrar el impacto de los átomos, la segunda pantalla tiene una capa fotoluminiscente, en la que aparece un pequeño punto brillante en el lugar del impacto del átomo.

Si hubiera sentido común a nivel microscópico, entonces los átomos se comportarían como pequeñas balas. Primero, realizaremos el experimento abriendo solo la rendija izquierda, y veremos una franja de puntos brillantes en la pantalla detrás de la rendija abierta. Cierto número de puntos están colocados de manera desigual en la pantalla: esto puede indicar que algunos átomos son repelidos por los bordes, cambian su trayectoria y no pasan estrictamente por la rendija. A continuación, abriremos la ranura derecha y esperaremos a que aparezcan puntos brillantes en la pantalla trasera.

Si le pidieran que predijera la distribución de puntos brillantes y no supiera nada sobre mecánica cuántica, naturalmente adivinaría que se parecería a la imagen obtenida en el experimento con balas. A saber: detrás de cada ranura se forma una franja de puntos, es decir, aparecen en la pantalla dos áreas luminosas distintas, más brillantes en el centro y desvaneciéndose gradualmente hacia los bordes, ya que los impactos de los átomos se vuelven más escasos. También se puede esperar que el área en el medio entre las dos bandas brillantes sea oscura, ya que corresponde a la parte de la pantalla que es impenetrable para los átomos, sin importar en qué espacio caigan.

Sin embargo, esto no coincide con lo que estamos viendo. Por el contrario, vemos una imagen muy clara de la interferencia de bandas claras y oscuras, exactamente igual que en el experimento con luz. Lo creas o no, la parte más brillante de la pantalla se encuentra en el centro: en el área donde no deberían caer muchos átomos (Fig. 4.4).

Arroz. 4.4. Experimente con dos rendijas, etapa 3. Cuando las balas se reemplazan por átomos emitidos desde una fuente ubicada frente a las rendijas (por supuesto, el ancho y la distancia apropiados entre las rendijas se seleccionan en cada etapa), observamos nuevamente una onda. como patrón de interferencia. Aunque cada átomo que golpea la pantalla trasera en un punto determinado se comporta como una partícula, se fusionan en bandas, tal como vimos con la luz. ¿Por qué los átomos pasan a través de dos rendijas al mismo tiempo, sin las cuales no veríamos múltiples franjas de interferencia?

De hecho, con la distancia correcta entre las rendijas y la distancia correcta entre las dos pantallas, podemos verificar que el área brillante en la pantalla trasera (donde los átomos podrían haber entrado con una rendija abierta) es ahora, con dos rendijas abiertas, oscuro (no entra un solo átomo allí). ¿Cómo puede abrir una segunda rendija, que permite que pasen más átomos, evitar que los átomos lleguen a ciertas partes de la pantalla?

Veamos si podemos explicar lo que está sucediendo usando la lógica ordinaria, sin recurrir todavía a la mecánica cuántica. Supongamos lo siguiente: a pesar del hecho de que cada átomo es una partícula microscópica (después de todo, cada átomo golpea la pantalla en un lugar), una gran cantidad de átomos chocando e interactuando entre sí de una manera especialmente coordinada forman una imagen con visibilidad interferencia. Sea como fuere, sabemos que las ondas de agua en realidad están formadas por muchas moléculas de agua, que individualmente no son ondas. Es el movimiento coordinado de billones de moléculas de agua, y no cada molécula individualmente, lo que exhibe propiedades ondulatorias. Tal vez el arma atómica emita una corriente coordinada de átomos, como una máquina de olas en una piscina.

Para probar la teoría de los átomos emparejados, repetiremos el experimento, pero ahora enviaremos átomos uno a uno. Encendemos el cañón atómico y esperamos a que aparezca un punto brillante en la pantalla trasera antes de encenderlo por segunda vez, y así sucesivamente en cierta parte de la pantalla. Los átomos parecen salir disparados del cañón como partículas, como balas, y golpean la pantalla como partículas. Por supuesto, en el espacio entre el arma y la pantalla, también deberían comportarse como partículas. Pero - atención - enfoque: un conejo cuántico aparece del sombrero. A medida que los puntos, cada uno de los cuales registra el impacto de un solo átomo de bala, cubren gradualmente la pantalla, reaparecen franjas de interferencia claras y oscuras. Dado que los átomos ahora pasan a través del objetivo uno a la vez, no podemos decir que hay un comportamiento colectivo de muchos átomos que chocan e interactúan entre sí. No es como las ondas de agua. Nuevamente, nos encontramos ante un resultado contradictorio: hay lugares en la pantalla trasera que los átomos pueden golpear con una sola rendija abierta, y que permanecen completamente oscuros cuando también se abre la segunda rendija, a pesar de que su apertura proporciona un camino adicional. para que los átomos golpeen la pantalla. Parece que un átomo, pasando a través de una rendija, de alguna manera sabe si la segunda ranura está abierta o no, ¡y actúa en consecuencia!

Entonces, cada átomo es emitido por la pistola como una pequeña partícula y cae sobre la segunda pantalla como una partícula, como se ve en el pequeño destello de luz cuando golpea. Pero en el espacio entre ellos, cuando se encuentran con dos rendijas, sucede algo mágico, como una onda que se propaga, que se divide en dos componentes, cada uno de los cuales pasa a través de la rendija e interactúa con el otro en el otro lado de la pantalla. ¿De qué otra manera puede un átomo saber sobre el estado (abierto o cerrado) de ambas rendijas al mismo tiempo?

Con una trampa en mente, veamos si podemos atrapar los átomos esperándolos detrás de las rendijas. Esto se puede hacer colocando un sensor detrás de la rendija izquierda, digamos que registre una "señal" (quizás una señal de audio) cuando un átomo pasa a través de esta rendija en su camino hacia la pantalla. También podemos colocar un segundo sensor detrás de la rendija derecha para detectar los átomos que pasan por esa rendija. Ahora bien, si un átomo pasa por una u otra ranura, oiremos un pitido del sensor derecho o izquierdo. Pero si el átomo de alguna manera puede superar su naturaleza de bala y atravesar ambas rendijas, entonces ambos detectores emitirán un pitido al mismo tiempo.

Ahora vemos que cada vez que se enciende el cañón atómico, que va acompañado de la aparición de un punto brillante en la pantalla, la señal emite el sensor izquierdo o derecho, pero no ambos a la vez. Sin duda, ahora por fin tenemos pruebas de que la interacción de los átomos se produce cuando los átomos pasan por una u otra ranura, pero no por las dos a la vez. Sin embargo, seamos pacientes y sigamos mirando la pantalla. A medida que se combinan destellos de luz individuales, vemos que el patrón que crean ya no parece un patrón de interferencia. En su lugar, aparecen dos bandas brillantes, que indican un grupo de muchos átomos detrás de cada rendija, como en el experimento de la bala. Ahora, durante el experimento, los átomos se comportan como partículas ordinarias. Como si cada átomo se comportara como una onda cuando se encuentra con las rendijas, si no esta siendo vigilado de lo contrario, solo sigue siendo una pequeña partícula.

Quizás la presencia del sensor esté causando el problema, afectando el extraño comportamiento de los átomos que pasan a través de las rendijas. Probemos esto quitando un sensor, digamos a la derecha. Todavía podemos obtener alguna información de este circuito, porque cuando se enciende la pistola y la señal y el punto brillante aparecen en la pantalla, sabremos que el átomo debe haber pasado por la ranura izquierda. Cuando encendemos el arma, no escuchamos una señal, pero vemos un punto brillante en la pantalla, sabemos que los átomos deben haber golpeado la pantalla a través de la rendija derecha. Ahora podemos saber si los átomos han pasado por la ranura izquierda o derecha, pero su trayectoria está "rota" solo en un lado. Si el sensor mismo está causando problemas, esperaríamos que los átomos que causaron el pitido se comportaran como balas, y los átomos que no causaron el pitido (y pasaron por la rendija derecha) se comportaron como ondas. Probablemente veremos una mezcla de un patrón de bala (de átomos que pasan por la rendija izquierda) y un patrón de interferencia (de átomos que pasan por la rendija derecha) en la pantalla.

Pero no lo es. En esta situación, nuevamente no observamos el patrón de interferencia. Se forma un patrón en la pantalla detrás de cada ranura, formado por átomos en forma de bala que se comportan como partículas. Parece que la mera presencia de un sensor que registra la ubicación de un átomo es suficiente para destruir su comportamiento ondulatorio, ¡incluso si el sensor está ubicado a cierta distancia de la trayectoria de un átomo que pasa por otra rendija!

Tal vez la presencia física del sensor junto a la ranura izquierda sea suficiente para afectar el paso de los átomos a través de él, al igual que una gran piedra cambia la dirección del agua en un torrente. Podemos experimentar apagando el sensor izquierdo. Todavía está en su lugar, por lo que podemos esperar que su impacto sea muy similar. Pero ahora, en presencia del sensor apagado, ¡el patrón de interferencia vuelve a aparecer en la pantalla! Todos los átomos que participaban en el experimento comenzaron a comportarse nuevamente como ondas. ¿Por qué los átomos se comportan como partículas en presencia de un sensor cerca de la rendija izquierda, pero tan pronto como se apaga el sensor, se comportan como ondas? Como una partícula que pasa por la rendija derecha, sabe acerca de si el sensor de la izquierda está encendido o apagado?

En esta etapa, tendrás que olvidarte de la lógica y el sentido común. Ahora estamos tratando con la dualidad onda-partícula de objetos diminutos como átomos, electrones o fotones, que se comportan como una onda si no sabemos por qué rendija pasan, y como una partícula si los observamos. Este es el proceso de observar o medir objetos cuánticos, del que hablamos en el Capítulo 1, cuando consideramos la demostración del entrelazamiento cuántico de fotones individuales en el experimento de Alain Aspe. Como recordarán, el equipo de Aspe midió los fotones pasándolos a través de una lente polarizada que eliminó su estado entrelazado, que es un sello distintivo de su naturaleza ondulatoria, haciéndolos escoger una dirección de polarización clásica. De manera similar, medir los átomos involucrados en la prueba de la doble rendija los obliga a elegir entre pasar por la rendija derecha o izquierda.

La mecánica cuántica nos proporciona una razón maravillosa para este fenómeno; pero la única explicación de lo que vemos -el resultado de la experiencia- no se trata de lo que sucede cuando no observamos. Sin embargo, dado que solo podemos ver y medir, probablemente no tenga sentido exigir más de los objetos cuánticos. ¿Cómo podemos evaluar la legitimidad o corrección de informar un fenómeno que nunca podremos, ni siquiera en teoría, verificar? Tan pronto como intentamos hacer esto, cambiamos el resultado.

La interpretación cuántica del experimento de la doble rendija es que, en cualquier momento dado, cada átomo debe ser descrito por un conjunto de números que determina su ubicación probable en el espacio. Esta es la métrica que describimos en el Capítulo 2 como función de onda. Luego hablamos sobre la función de onda usando el ejemplo de rastrear una ola de delincuencia que se propaga por una ciudad al determinar la probabilidad de robos en diferentes áreas. De manera similar, la función de onda que describe el paso de un átomo a través de dos rendijas traza la probabilidad de encontrarlo en cualquier punto del aparato en un momento dado. Pero, como aclaramos anteriormente, si el ladrón debe tener una ubicación en el espacio y el tiempo, y la onda de "probabilidad de crimen" describe solo nuestra falta de conocimiento sobre su ubicación real, entonces, por el contrario, la función de onda del átomo en el experimento con dos rendijas real, es decir, describe la posición física de un átomo, que en realidad no tiene una posición específica a menos que la midamos. Por lo tanto, el átomo está en todos los lugares al mismo tiempo, con una probabilidad variable, por supuesto, por lo que es poco probable que encontremos un átomo en lugares donde su función de onda es pequeña.

Por lo tanto, en lugar de que los átomos individuales participen en el experimento de la doble rendija, debemos considerar la función de onda que pasa de la fuente a la pantalla trasera. Al pasar por las rendijas, la función de onda se divide en dos y cada mitad pasa por una de las rendijas. Tenga en cuenta que lo que estamos describiendo aquí es la forma en que el resumen matemático el número cambia con el tiempo. Es inútil preguntar qué De hecho sucede, ya que tenemos que mirar para verificar. Pero tan pronto como tratamos de hacer esto, distorsionamos el resultado.

Surge la pregunta: ¿cuándo la función de onda se "convierte" nuevamente en un átomo localizado? Respuesta: cuando tratamos de determinar su posición. Con tal medida, la función de onda cuántica se rompe hasta una sola posibilidad. Nuevamente, esto no es como la situación del ladrón, donde la incertidumbre de su paradero se reduce repentinamente a un solo punto, después de lo cual es arrestado por la policía. En este caso, la definición afectó precisamente nuestra información sobre el paradero del ladrón. Siempre estaba en un solo lugar a la vez. Pero este no es el caso del átomo; en ausencia de cualquier dimensión, el átomo está ciertamente en todas partes.

Así, la función de onda cuántica calcula la probabilidad de encontrar un átomo en un lugar particular, donde podemos medir su posición en un momento dado. Cuando la función de onda es grande antes de la medición, la probabilidad resultante de encontrar el átomo será alta. Pero donde es pequeño, quizás debido a la interferencia destructiva de las ondas, la probabilidad correspondiente de encontrar un átomo, si queremos buscar, es baja.

Podemos imaginar una función de onda que describa un átomo después de que abandona la fuente. Se comporta como una onda que tiende a las ranuras, de modo que al nivel de la primera pantalla su amplitud será igual en cada ranura. Si colocamos el sensor en una de las rendijas, deberíamos esperar las mismas probabilidades: el 50% de las veces fijaremos el átomo en la rendija izquierda y el 50% de las veces en la rendija derecha. Pero, y esto es importante, si no tratamos de detectar el átomo al nivel de la primera pantalla, entonces la función de onda penetra a través de ambas rendijas sin destrucción. Así, en términos cuánticos, podemos hablar de la función de onda que describe un átomo en su superposición: su existencia en dos lugares al mismo tiempo, respectivamente, su función de onda pasando por las rendijas derecha e izquierda al mismo tiempo.

En el otro lado de las ranuras, cada parte separada de la función de onda, una desde la izquierda y otra desde la derecha, se propaga nuevamente y forma un conjunto de ondas matemáticas que se superponen, amplificando la amplitud de cada una en algunos puntos y neutralizándose entre sí. amplitud en otros. El efecto combinado es que la función de onda tiene un patrón que es característico de otros fenómenos de onda como la luz. Pero tengamos en cuenta que esta función de onda compleja sigue siendo característica de un solo átomo.

En la segunda pantalla, donde se realiza la medición final de la posición del átomo, la función de onda nos permite calcular la probabilidad de encontrar una partícula en varios puntos de la pantalla. Las barras brillantes en la pantalla corresponden a las posiciones donde las dos partes de la función de onda provenientes de las dos rendijas se refuerzan entre sí, y las barras oscuras corresponden a las posiciones donde se cancelan entre sí y forman una probabilidad cero de encontrar un átomo en estas posiciones.

Es importante recordar que este proceso de amplificación y neutralización -interferencia cuántica- tiene lugar incluso con la participación de una sola partícula. Recuerda que hay zonas de la pantalla a las que los átomos emitidos simultáneamente solo pueden llegar con una rendija abierta, y que quedan inalcanzables con ambas rendijas abiertas. Esto solo tiene sentido si cada átomo disparado por el cañón atómico se describe mediante una función de onda que puede viajar en ambos caminos al mismo tiempo. La función de onda combinada con áreas de interferencia constructiva y destructiva elimina la posibilidad de detectar un átomo en algunas posiciones de la pantalla a las que solo se puede acceder con una rendija abierta.

Todas las partículas cuánticas, ya sean partículas elementales o átomos o moléculas formadas por estas partículas, exhiben un comportamiento ondulatorio para que puedan interactuar entre sí. En tal estado cuántico, pueden exhibir todo tipo de comportamiento cuántico extraño, como estar en dos lugares a la vez, girar en ambas direcciones al mismo tiempo, atravesar barreras impenetrables o conexiones extrañamente intrincadas con socios distantes.

En ese caso, ¿por qué tú o yo, que estamos hechos de partículas cuánticas, no podemos estar en dos lugares al mismo tiempo? Sería muy útil en nuestros tiempos agitados. La respuesta a esto es muy simple: cuanto más grande y más masivo es el cuerpo, menos propiedades ondulatorias tiene, y un cuerpo con la masa y las dimensiones de una persona u otra cosa lo suficientemente grande y visible a simple vista tendrá un tamaño tan pequeño longitud de onda cuántica que no tiene ningún efecto medible. Pero, si miras más profundamente, podrías pensar que cada átomo en tu cuerpo es observado o medido por los otros átomos a su alrededor, por lo que cualquier propiedad cuántica mínima que pueda tener se destruye muy rápidamente.

Entonces, ¿qué entendemos por "medida"? Ya respondimos brevemente a esta pregunta en el Capítulo 1, pero ahora debemos detenernos en ella con más detalle, ya que este es el punto clave en la cuestión de qué tan grande es el componente cuántico en biología cuántica.

anotación

El mayor misterio de la física, incluso el más importante, es el experimento de Young sobre la interferencia (experimento de la doble rendija). Es imposible explicarlo suponiendo que el fotón es corpuscular. Pero el reconocimiento de las propiedades de onda del fotón tampoco permite una explicación consistente del patrón de interferencia. Por un lado, un fotón siempre deja un punto en una placa fotográfica, lo que es incompatible con la naturaleza ondulatoria del fotón. Por otro lado, el fotón en realidad pasa a través de ambas rendijas simultáneamente, lo que es incompatible con su naturaleza corpuscular.
Muchos acertijos físicos y científicos son extremadamente difíciles tanto en la descripción como en la configuración de un experimento, pero te permiten dar explicaciones que no contradicen la lógica y el sentido común. El experimento de interferencia, por otro lado, es extremadamente simple de realizar e imposible de explicar. Todas las características técnicas de la instalación son de descripción simple (fuente, rejillas de interferencia, principios del fenómeno e incluso cálculos matemáticos de los resultados), pero una explicación lógica, desde el punto de vista del sentido común, uniéndolas todas en un todo único. es imposible.

Esta incomprensible interferencia

El experimento de interferencia o doble rendija, según Feynman, "encierra el corazón de la mecánica cuántica" y es la quintaesencia del principio de superposición cuántica. El principio de interferencia, como principio básico de la óptica de ondas lineales, fue formulado claramente por primera vez por Thomas Young en 1801. Fue el primero en introducir el término "interferencia" en 1803. El científico explica claramente el principio que descubrió (el experimento, conocido en nuestro tiempo como el "experimento de doble rendija de Jung", http://elkin52.narod.ru/biograf/jng6.htm):

“Para obtener los efectos de superposición de dos porciones de luz, es necesario que provengan de la misma fuente y lleguen al mismo punto por caminos diferentes, pero en direcciones cercanas entre sí. La difracción, la reflexión, la refracción o una combinación de estos efectos se pueden usar para desviar una o ambas partes del haz, pero la forma más fácil es si un haz de luz uniforme [desde la primera rendija] (un color o longitud de onda) cae sobre una pantalla en la que se forman dos orificios o rendijas muy pequeños, que pueden considerarse como centros de divergencia, desde los cuales la luz se dispersa en todas direcciones por difracción.

Una configuración experimental moderna consta de una fuente de fotones, un diafragma con dos rendijas y una pantalla en la que se observa el patrón de interferencia. Después de pasar las rendijas en la pantalla detrás de la barrera, surge un patrón de interferencia que alterna franjas brillantes y oscuras:

Fig.1 Franjas de interferencia

Los fotones golpean la pantalla en puntos separados, pero la presencia de franjas de interferencia en la pantalla muestra que hay puntos donde los fotones no golpean. Sea p uno de estos puntos. Sin embargo, un fotón puede entrar en p si una de las rendijas está cerrada. Esta interferencia destructiva, en la que a veces pueden anularse posibilidades alternativas, es una de las propiedades más misteriosas de la mecánica cuántica.

Una propiedad interesante del experimento de la doble rendija es que el patrón de interferencia puede ser "ensamblado" por una partícula, es decir, al establecer la intensidad de la fuente tan baja que cada partícula estará "en vuelo" en la configuración sola y solo puede interferir consigo mismo En este caso, estamos tentados a preguntarnos por cuál de las dos rendijas pasa "realmente" la partícula. Tenga en cuenta que dos partículas diferentes no crean un patrón de interferencia.

¿Cuál es el misterio, la inconsistencia, el absurdo de explicar el fenómeno de la interferencia? Son sorprendentemente diferentes de la paradoja de muchas otras teorías y fenómenos, como la relatividad especial, la teletransportación cuántica, la paradoja de las partículas cuánticas entrelazadas y otras. A primera vista, las explicaciones de la interferencia son simples y obvias. Consideremos estas explicaciones, que se pueden dividir en dos clases: explicaciones desde el punto de vista ondulatorio y explicaciones desde el punto de vista corpuscular (cuántico).

Antes de comenzar el análisis, notemos que bajo la paradoja, la inconsistencia y el absurdo del fenómeno de la interferencia, nos referimos a la incompatibilidad de la descripción de este fenómeno mecánico cuántico con la lógica formal y el sentido común. El significado de estos conceptos, en el que los aplicamos aquí, se establece en los anexos de este artículo.

Interferencia desde el punto de vista de las ondas

La más común e impecable es la explicación de los resultados del experimento de la doble rendija desde el punto de vista ondulatorio:
“Si la diferencia entre las distancias recorridas por las ondas es igual a la mitad de un número impar de longitudes de onda, entonces las oscilaciones causadas por una onda alcanzarán la cresta en el momento en que las oscilaciones de la otra onda alcancen el valle y, por lo tanto, una ola reducirá la perturbación creada por la otra, e incluso puede eliminarla por completo. Esto se ilustra en la Fig. 2, que muestra un diagrama de un experimento de dos rendijas, en el que las ondas de la fuente A solo pueden alcanzar la línea BC en la pantalla al pasar por una de las dos rendijas H1 o H2 en el obstáculo ubicado entre la fuente y la pantalla. En el punto X de la línea BC, la diferencia en las longitudes de los caminos es AH1X - AH2X; si es igual a un número entero de longitudes de onda, la perturbación en el punto X será grande; si es igual a la mitad de un número impar de longitudes de onda, la perturbación en el punto X será pequeña. La figura muestra la dependencia de la intensidad de la onda con la posición de un punto en la línea BC, que está relacionada con las amplitudes de las oscilaciones en estos puntos.

Figura 2. Patrón de interferencia desde el punto de vista de la onda

Parecería que la descripción del fenómeno de la interferencia desde el punto de vista de las ondas no contradice en modo alguno ni la lógica ni el sentido común. Sin embargo, el fotón en realidad se considera un cuántico. partícula . Si exhibe propiedades de onda, entonces, sin embargo, debe seguir siendo él mismo: un fotón. De lo contrario, con solo una consideración ondulatoria del fenómeno, en realidad destruimos el fotón como un elemento de la realidad física. Con esta consideración, resulta que el fotón como tal… ¡no existe! Un fotón no solo exhibe propiedades de onda, aquí es una onda en la que no hay nada de una partícula. De lo contrario, en el momento del desdoblamiento de la onda, debemos admitir que media partícula pasa a través de cada una de las rendijas: un fotón, medio fotón. Pero entonces deberían ser posibles experimentos que puedan "atrapar" estos medios fotones. Sin embargo, nadie ha logrado registrar estos mismos medios fotones.

Entonces, la interpretación ondulatoria del fenómeno de la interferencia excluye la idea misma de que un fotón es una partícula. Por tanto, considerar en este caso un fotón como una partícula es absurdo, ilógico, incompatible con el sentido común. Lógicamente, deberíamos suponer que un fotón sale del punto A como una partícula. Al acercarse a un obstáculo, de repente vueltas en la ola! Pasa a través de las grietas como una ola, dividiéndose en dos corrientes. De lo contrario, tenemos que creer que uno todo la partícula pasa a través de dos rendijas al mismo tiempo, ya que suponiendo separación no tenemos derecho a dividirlo en dos partículas (la mitad). Luego dos medias ondas de nuevo conectar en una partícula entera. Donde no existe no hay forma de suprimir una de las medias ondas. Parece ser dos medias ondas, pero nadie logró destruir una de ellas. Cada vez que cada una de estas medias ondas durante el registro resulta ser todo fotón. Una parte es siempre, sin excepción, el todo. Es decir, la idea de un fotón como onda debería permitir la posibilidad de "atrapar" cada una de las medias ondas exactamente como la mitad de un fotón. Pero eso no sucede. La mitad del fotón pasa a través de cada una de las rendijas, pero solo se registra el fotón completo. ¿La mitad es igual a un todo? La interpretación de la presencia simultánea de un fotón-partícula en dos lugares a la vez no parece mucho más lógica y sensata.

Recuerde que la descripción matemática del proceso de onda corresponde completamente a los resultados de todos los experimentos sobre interferencia en dos rendijas sin excepción.

La interferencia desde un punto de vista corpuscular

Desde el punto de vista corpuscular, es conveniente explicar el movimiento de las “mitades” de un fotón mediante funciones complejas. Estas funciones se derivan del concepto básico de la mecánica cuántica: el vector de estado de una partícula cuántica (aquí, un fotón), su función de onda, que tienen otro nombre: la amplitud de probabilidad. La probabilidad de que un fotón incida en un determinado punto de la pantalla (placa fotográfica) en el caso de un experimento de dos rendijas es igual al cuadrado de la función de onda total para dos posibles trayectorias de fotones que forman una superposición de estados.

“Cuando elevamos al cuadrado el módulo de la suma w + z de dos números complejos w y z, generalmente no obtenemos solo la suma de los cuadrados de los módulos de estos números; hay un "término de corrección" adicional:

|w+z| 2 = |w| 2 + |z| 2 + 2|w||z|cosQ,

donde Q es el ángulo formado por las direcciones a los puntos z y w desde el origen en el plano de Argand...

Es el término de corrección 2|w||z|cosQ el que describe la interferencia cuántica entre alternativas mecánicas cuánticas.

Matemáticamente, todo es lógico y claro: de acuerdo con las reglas para calcular expresiones complejas, obtenemos una curva de interferencia tan ondulada. Aquí no se requieren interpretaciones, explicaciones, solo cálculos matemáticos de rutina. Pero si tratas de imaginar de qué manera, qué trayectorias se movió el fotón (o electrón) antes de encontrarse con la pantalla, la descripción anterior no te permite ver:

“Por lo tanto, la afirmación de que los electrones pasan por la ranura 1 o por la ranura 2 es incorrecta. Pasan a través de ambas rendijas al mismo tiempo. Y un aparato matemático muy simple que describe tal proceso da una concordancia absolutamente exacta con el experimento.

De hecho, las expresiones matemáticas con funciones complejas son simples y claras. Sin embargo, describen solo la manifestación externa del proceso, solo su resultado, sin decir nada sobre lo que sucede en el sentido físico. Es imposible imaginar desde el punto de vista del sentido común como una sola partícula, incluso si no tiene realmente tamaños de puntos, pero, sin embargo, todavía está limitada por un volumen inseparable, es imposible pasar simultáneamente a través de dos agujeros no relacionados. Por ejemplo, Sudbury, analizando el fenómeno, escribe:

“El patrón de interferencia en sí también indica indirectamente el comportamiento corpuscular de las partículas bajo estudio, ya que de hecho no es continuo, sino que está compuesto como una imagen en una pantalla de TV a partir de una multitud de puntos creados por destellos de electrones individuales. Pero explicar este patrón de interferencia sobre la base de la suposición de que cada uno de los electrones pasó por una u otra ranura es completamente imposible.

Llega a la misma conclusión sobre la imposibilidad de pasar una partícula por dos rendijas al mismo tiempo: "una partícula debe pasar por una u otra rendija", observando su evidente estructura corpuscular. Una partícula no puede pasar por dos rendijas al mismo tiempo, pero no puede pasar por una ni por la otra. Sin duda, el electrón es una partícula, como lo demuestran los puntos de los destellos en la pantalla. Y esta partícula, por supuesto, no podía pasar solo por una de las ranuras. En este caso, el electrón, por supuesto, no se dividió en dos partes, en dos mitades, cada una de las cuales en este caso debería haber tenido la mitad de la masa del electrón y la mitad de la carga. Nadie ha observado nunca tales medios electrones. Esto significa que el electrón no podría, habiéndose dividido en dos partes, bifurcado, atravesar simultáneamente ambas ranuras. Él, como se nos explica, permaneciendo íntegro, simultaneamente pasa a través de dos rendijas diferentes. No se divide en dos partes, sino que pasa simultáneamente por dos rendijas. Este es el absurdo de la descripción mecánica cuántica (corpuscular) del proceso físico de interferencia en dos rendijas. Recuérdese que matemáticamente este proceso se describe perfectamente. Pero el proceso físico es completamente ilógico, contrario al sentido común. Y, como siempre, la culpa la tiene el sentido común, que no puede entender cómo es: no se dividió en dos, sino que se metió en dos lugares.

Por otro lado, también es imposible suponer lo contrario: que un fotón (o electrón), de alguna manera desconocida, todavía pasa a través de una de las dos rendijas. ¿Por qué entonces la partícula choca con ciertos puntos y evita otros? Como si ella supiera sobre las áreas restringidas. Esto es especialmente evidente cuando la partícula interfiere consigo misma a caudales bajos. En este caso, todavía es necesario considerar la simultaneidad del paso de la partícula por ambas rendijas. De lo contrario, habría que considerar a la partícula casi como un ser racional con el don de la previsión. Los experimentos con detectores de tránsito o de exclusión (el hecho de que una partícula no esté fija cerca de una rendija significa que ha pasado por otra) no aclaran el panorama. No hay explicaciones razonables de cómo y por qué una partícula integral reacciona ante la presencia de una segunda rendija por la que no pasó. Si la partícula no se registra cerca de una de las ranuras, entonces ha pasado por la otra. Pero en este caso, bien puede dar en el punto “prohibido” de la pantalla, es decir, el punto que nunca tocaría si la segunda ranura estuviera abierta. Aunque, al parecer, nada debería evitar que estas partículas no retardadas creen un patrón de interferencia "medio". Sin embargo, esto no sucede: si una de las ranuras está cerrada, las partículas parecen obtener un "paso" para ingresar a las áreas "prohibidas" de la pantalla. Si ambas rendijas están abiertas, entonces la partícula que supuestamente pasó a través de una rendija no puede ingresar a estas regiones "prohibidas". Ella parece sentir cómo la "mira" la segunda brecha y prohíbe el movimiento en ciertas direcciones.

Se reconoce que la interferencia ocurre solo en experimentos con una onda o partículas que se manifiestan en este experimento. solamente propiedades ondulatorias. De alguna forma mágica, la partícula expone sus lados ondulatorios o corpusculares al experimentador, cambiándolos sobre la marcha, en vuelo. Si el absorbedor se coloca inmediatamente después de una de las ranuras, entonces la partícula como onda pasa a través de ambas ranuras hasta el absorbedor, y luego continúa su vuelo como partícula. En este caso, resulta que el absorbedor no le quita ni una pequeña parte de su energía a la partícula. Aunque es obvio que al menos parte de la partícula todavía tenía que pasar por el espacio bloqueado.

Como puede ver, ninguna de las explicaciones consideradas del proceso físico puede resistir la crítica desde un punto de vista lógico y desde el punto de vista del sentido común. El dualismo de ondas corpusculares actualmente dominante no permite ni siquiera parcialmente contener la interferencia. Un fotón no exhibe simplemente propiedades corpusculares u ondulatorias. el les muestra simultaneamente, y estas manifestaciones son mutuamente excluir entre sí. "Apagar" una de las medias ondas convierte inmediatamente al fotón en una partícula que "no sabe cómo" crear un patrón de interferencia. Por el contrario, dos rendijas abiertas convierten un fotón en dos medias ondas, que luego, al combinarse, se convierten en un fotón completo, demostrando una vez más el misterioso procedimiento para la materialización de una onda.

Experimentos similares al experimento de la doble rendija

En el experimento con dos rendijas, es algo difícil controlar experimentalmente las trayectorias de las "mitades" de partículas, ya que las rendijas están relativamente cerca unas de otras. Al mismo tiempo, existe un experimento similar pero más ilustrativo que permite “dividir” un fotón a lo largo de dos trayectorias claramente distinguibles. En este caso, se vuelve aún más claro lo absurdo de la idea de que un fotón pasa simultáneamente por dos canales, entre los cuales puede haber una distancia de metros o más. Tal experimento puede llevarse a cabo utilizando un interferómetro de Mach-Zehnder. Los efectos observados en este caso son similares a los observados en el experimento de doble rendija. Así es como Belinsky los describe:

“Consideremos un experimento con un interferómetro Mach-Zehnder (Fig. 3). Apliquémosle un estado de fotón único y primero eliminemos el segundo divisor de haz ubicado frente a los fotodetectores. Los detectores registrarán fotorrecuentos individuales en uno u otro canal, y nunca en ambos a la vez, ya que hay un fotón en la entrada.

Fig. 3. Esquema del interferómetro de Mach-Zehnder.

Recuperemos el divisor de haz. La probabilidad de fotorrecuentos en los detectores se describe mediante la función 1 +- cos(Ф1 - Ф2), donde Ф1 y Ф2 son retrasos de fase en los brazos del interferómetro. El signo depende de qué detector está grabando. Esta función armónica no se puede representar como la suma de dos probabilidades Р(Ф1) + Р(Ф2). En consecuencia, después del primer divisor de haz, el fotón está presente, por así decirlo, en ambos brazos del interferómetro simultáneamente, aunque en el primer acto del experimento sólo estaba en un brazo. Este comportamiento inusual en el espacio se llama no localidad cuántica. No puede explicarse desde el punto de vista de las intuiciones espaciales habituales de sentido común que suelen estar presentes en el macrocosmos.

Si ambos caminos están libres para un fotón en la entrada, entonces en la salida el fotón se comporta como en un experimento de doble rendija: puede pasar el segundo espejo solo a lo largo de un camino, interfiriendo con parte de su "copia" que vino a lo largo del otro camino Si el segundo camino está cerrado, entonces el fotón llega solo y pasa por el segundo espejo en cualquier dirección.

Penrose describe una versión similar de la similitud del experimento de la doble rendija (la descripción es muy elocuente, por lo que la daremos casi en su totalidad):

“Las rendijas no tienen que estar cerca unas de otras para que un fotón las atraviese al mismo tiempo. Para comprender cómo una partícula cuántica puede estar "en dos lugares a la vez", sin importar qué tan separados estén esos lugares, considere una configuración experimental ligeramente diferente del experimento de doble rendija. Como antes, tenemos una lámpara que emite luz monocromática, un fotón a la vez; pero en lugar de pasar la luz a través de dos rendijas, reflejémosla en un espejo semiplateado inclinado hacia el haz en un ángulo de 45 grados.

Figura 4. Los dos picos de la función de onda no pueden considerarse simplemente como pesos de probabilidad para la localización de un fotón en un lugar u otro. Se puede hacer que los dos caminos tomados por un fotón interfieran entre sí.

Después de encontrarse con el espejo, la función de onda del fotón se divide en dos partes, una de las cuales se refleja hacia un lado y la segunda continúa propagándose en la misma dirección en la que se movió originalmente el fotón. Como en el caso de un fotón que emerge de dos rendijas, la función de onda tiene dos picos, pero ahora estos picos están separados por una distancia mayor: un pico describe el fotón reflejado, el otro describe el fotón que ha pasado a través del espejo. Además, con el tiempo, la distancia entre los picos se vuelve cada vez más grande, aumentando indefinidamente. Imagina que estas dos partes de la función de onda van al espacio y que estamos esperando todo un año. Entonces los dos picos de la función de onda del fotón estarán separados por un año luz. De alguna manera, el fotón termina en dos lugares a la vez, ¡separados por una distancia de un año luz!

¿Hay alguna razón para tomarse una foto así en serio? ¡No podemos pensar en un fotón como algo que tiene un 50% de posibilidades de estar en un lugar y un 50% de posibilidades de estar en otro lugar! ¡No, es imposible! No importa cuánto tiempo haya estado en movimiento el fotón, siempre existe la posibilidad de que dos partes del haz de fotones se reflejen y se encuentren, lo que da como resultado efectos de interferencia que no podrían surgir de los pesos de probabilidad de las dos alternativas. Suponga que cada parte del haz de fotones encuentra un espejo totalmente plateado en su camino, inclinado en un ángulo tal que une ambas partes, y que otro espejo semiplateado se coloca en el punto de encuentro de las dos partes, inclinado en el mismo ángulo que el primer espejo. Deje que dos fotocélulas se ubiquen en las líneas rectas a lo largo de las cuales se propagan partes del haz de fotones (Fig. 4). ¿Qué descubriremos? Si fuera cierto que un fotón sigue una ruta con una probabilidad del 50 % y otra con una probabilidad del 50 %, entonces encontraríamos que ambos detectores detectarían cada uno un fotón con una probabilidad del 50 %. Sin embargo, algo más está sucediendo en realidad. Si dos rutas alternativas tienen exactamente la misma longitud, entonces, con una probabilidad del 100%, el fotón llegará al detector A, ubicado en la línea recta a lo largo de la cual se movió originalmente el fotón, y con una probabilidad de 0, a cualquier otro detector B. En En otras palabras, el fotón golpeará de manera confiable el detector ¡PERO!

Por supuesto, tal experimento nunca se ha llevado a cabo para distancias del orden de un año luz, pero el resultado anterior no está en seria duda (¡para los físicos que se adhieren a la mecánica cuántica tradicional!) Los experimentos de este tipo se han realizado realmente para distancias del orden de muchos metros más o menos, y los resultados resultaron estar totalmente de acuerdo con las predicciones de la mecánica cuántica. ¿Qué se puede decir ahora sobre la realidad de la existencia de un fotón entre el primer y el último encuentro con un espejo semirreflectante? La conclusión inevitable se sugiere a sí misma, según la cual el fotón debe, en cierto sentido, pasar por ambas rutas a la vez. Porque si se colocara una pantalla absorbente en el camino de cualquiera de las dos rutas, ¡entonces las probabilidades de que un fotón golpee el detector A o B serían las mismas! Pero si ambas rutas están abiertas (ambas de la misma longitud), entonces el fotón solo puede llegar a A. ¡El bloqueo de una de las rutas permite que el fotón alcance el detector B! Si ambas rutas están abiertas, entonces el fotón de alguna manera "sabe" que no puede golpear el detector B y, por lo tanto, se ve obligado a seguir dos rutas a la vez.

Tenga en cuenta también que la declaración "ubicado en dos lugares específicos a la vez" no caracteriza completamente el estado del fotón: necesitamos distinguir el estado Ф t + Ф b, por ejemplo, del estado Ф t - Ф b (o, por ejemplo, del estado Ф t + iФ b , donde Ф t y Ф b ahora se refieren a las posiciones del fotón en cada una de las dos rutas (¡respectivamente, "pasado" y "reflejado"!) Es este tipo de diferencia eso determina si el fotón alcanzará con seguridad el detector A, habiendo pasado por el segundo espejo semiplateado, o alcanzará el detector B con certeza (o llegará a los detectores A y B con alguna probabilidad intermedia).

Esta característica desconcertante de la realidad cuántica, que tenemos que tomar en serio que una partícula puede "estar en dos lugares a la vez" de varias maneras, proviene del hecho de que tenemos que sumar estados cuánticos utilizando pesos de valores complejos para obtener otros estados cuánticos. . ".

Y de nuevo, como vemos, el formalismo matemático debería convencernos de alguna manera de que la partícula está en dos lugares a la vez. Es una partícula, no una onda. A las ecuaciones matemáticas que describen este fenómeno, por supuesto, no puede haber reclamos. Sin embargo, su interpretación desde el punto de vista del sentido común provoca serias dificultades y requiere el uso de los conceptos de "magia", "milagro".

Causas de violación de interferencia: conocimiento sobre el camino de la partícula.

Una de las cuestiones principales al considerar el fenómeno de la interferencia de una partícula cuántica es la cuestión de la causa de la violación de la interferencia. Cómo y cuándo aparece un patrón de interferencia, en general, es comprensible. Pero bajo estas condiciones conocidas, sin embargo, a veces el patrón de interferencia no aparece. Algo impide que suceda. Zarechny plantea la pregunta de esta manera:

“¿Qué es necesario para observar la superposición de estados, el patrón de interferencia? La respuesta a esta pregunta es bastante clara: para observar la superposición, no necesitamos fijar el estado del objeto. Cuando miramos un electrón, encontramos que pasa por un agujero o por otro. ¡No hay superposición de estos dos estados! Y cuando no lo miramos, pasa simultáneamente por dos rendijas, ¡y su distribución en la pantalla no es en absoluto la misma que cuando las miramos!

Es decir, la violación de interferencia ocurre debido a la presencia de conocimiento sobre la trayectoria de la partícula. Si conocemos la trayectoria de la partícula, entonces no surge el patrón de interferencia. Bacciagaluppi llega a una conclusión similar: hay situaciones en las que no se observa el término de interferencia, es decir en el que opera la fórmula clásica para el cálculo de probabilidades. Esto sucede cuando realizamos la detección de hendiduras, independientemente de nuestra creencia de que la medición se debe a un colapso "verdadero" de la función de onda (es decir, que solo uno del componente se mide y deja un rastro en la pantalla). Además, no sólo el conocimiento adquirido sobre el estado del sistema viola la interferencia, sino incluso potencial la capacidad de obtener este conocimiento es una causa abrumadora de interferencia. No el conocimiento en sí, sino el fundamental. posibilidad averiguar en el estado futuro de la partícula destruir la interferencia. Esto está muy claramente demostrado por la experiencia de Tsypenyuk:

“Se captura un haz de átomos de rubidio en una trampa magneto-óptica, se enfría con láser y luego se libera la nube atómica y cae bajo la acción de un campo gravitatorio. A medida que los átomos caen, pasan sucesivamente a través de dos ondas luminosas estacionarias, que forman un potencial periódico sobre el que se dispersan las partículas. De hecho, la difracción de los átomos en una rejilla de difracción sinusoidal ocurre de manera similar a cómo la luz se difracta en una onda ultrasónica en un líquido. El haz incidente A (su velocidad en la región de interacción es de solo 2 m/s) primero se divide en dos haces B y C, luego ingresa a la segunda rejilla de luz, después de lo cual dos pares de haces (D, E) y (F , G) se forman. Estos dos pares de haces superpuestos en el campo lejano forman un patrón de interferencia estándar correspondiente a la difracción de los átomos por dos rendijas, que están situadas a una distancia d igual a la divergencia transversal de los haces después de la primera rejilla.

En el transcurso del experimento, los átomos fueron "marcados" y se suponía que debía determinar a partir de esta marca exactamente qué trayectoria se movían antes de la formación de un patrón de interferencia:

“Como resultado de la interacción secundaria con el campo de microondas después de la rejilla de luz, este cambio de fase se transforma en una población diferente en los haces B y C por un átomo con el estado electrónico |2> y |3>: en el B En el haz hay predominantemente átomos en el estado |2>, en el haz C hay átomos en el estado |3>. De una manera tan sofisticada, los rayos atómicos resultaron estar marcados, que luego sufren interferencias.

Puede conocer la trayectoria a lo largo de la cual se movió el átomo más tarde determinando su estado electrónico. Debe enfatizarse una vez más que prácticamente no ocurre ningún cambio en el impulso del átomo durante dicho procedimiento de etiquetado.

Cuando se enciende la radiación de microondas, que marca los átomos en los haces de interferencia, el patrón de interferencia desaparece por completo. Cabe recalcar que no se leyó la información, no se determinó el estado electrónico interno. La información sobre la trayectoria de los átomos solo se registró, los átomos recordaron en qué dirección se movían.

Por tanto, vemos que incluso la creación de una posibilidad potencial para determinar la trayectoria de las partículas que interfieren destruye el patrón de interferencia. Una partícula no solo no puede exhibir simultáneamente propiedades ondulatorias y corpusculares, sino que estas propiedades no son ni siquiera parcialmente compatibles: o la partícula se comporta completamente como una onda, o completamente como una partícula localizada. Si "ajustamos" una partícula como un corpúsculo, estableciéndola en algún estado característico de un corpúsculo, entonces, al realizar un experimento para revelar sus propiedades de onda, todos nuestros ajustes serán destruidos.

Tenga en cuenta que esta sorprendente característica de la interferencia no contradice ni la lógica ni el sentido común.

Física cuántica y Wheeler

En el centro del sistema cuántico-mecánico de la modernidad, hay un cuanto, y alrededor de él, como en el sistema geocéntrico de Ptolomeo, giran las estrellas cuánticas y el Sol cuántico. La descripción del experimento de mecánica cuántica más simple, quizás el más simple, muestra que las matemáticas de la teoría cuántica son impecables, aunque la descripción de la física real del proceso está completamente ausente en él.

El protagonista de la teoría es un cuanto sólo en papel, en fórmulas tiene las propiedades de un cuanto, una partícula. En los experimentos, sin embargo, no se comporta en absoluto como una partícula. Demuestra la capacidad de dividirse en dos partes. Está constantemente dotado de varias propiedades místicas e incluso se lo compara con personajes de cuentos de hadas: “Durante este tiempo, el fotón es “un gran dragón humeante” que solo está afilado en su cola (en el divisor de haz 1) y en su montura donde muerde el detector” (Wheeler). Estas partes, las mitades del "gran dragón que escupe fuego" de Wheeler nunca han sido descubiertas por nadie, y las propiedades que deberían tener estas mitades de los cuantos contradicen la propia teoría de los cuantos.

Por otro lado, los cuantos no se comportan como ondas. Sí, parecen "saber desmoronarse" en partes. Pero siempre, en cualquier intento de registrarlos, instantáneamente se fusionan en una onda, que de repente resulta ser una partícula que se ha colapsado en un punto. Además, fracasan los intentos de obligar a una partícula a exhibir solo ondas o solo propiedades corpusculares. Una variación interesante de los experimentos de interferencia desconcertante son los experimentos de elección retrasada de Wheeler:

Figura 5. Elección retrasada básica

1. Se envía un fotón (o cualquier otra partícula cuántica) hacia dos rendijas.

2. Un fotón pasa por las rendijas sin ser observado (detectado), por una rendija, por la otra rendija, o por las dos rendijas (lógicamente, todas estas son alternativas posibles). Para obtener interferencia, asumimos que "algo" debe pasar por ambas rendijas; Para obtener la distribución de partículas, asumimos que el fotón debe pasar por una rendija o por la otra. Cualquiera que sea la elección que haga el fotón, "debería" hacerlo en el momento en que pasa a través de las rendijas.

3. Después de pasar por las rendijas, el fotón se mueve hacia la pared trasera. Tenemos dos formas diferentes de detectar un fotón en la "pared trasera".

4. Primero, tenemos una pantalla (o cualquier otro sistema de detección que sea capaz de distinguir la coordenada horizontal del fotón incidente, pero no sea capaz de determinar de dónde vino el fotón). El escudo se puede quitar como se muestra con la flecha discontinua. Se puede quitar rápido, muy rápido, después como el fotón ha pasado por dos rendijas, pero antes de que el fotón alcance el plano de la pantalla. En otras palabras, la pantalla se puede quitar durante el intervalo de tiempo cuando el fotón se mueve a la región 3. O podemos dejar la pantalla en su lugar. Esta es la elección del experimentador, que pospuesto hasta el momento en que el fotón atravesó la rendija (2), sin importar cómo lo hiciera.

5. Si se quita la pantalla, encontramos dos telescopios. Los telescopios están muy bien enfocados para observar solo regiones estrechas del espacio alrededor de una sola rendija cada una. El telescopio izquierdo observa la rendija izquierda; el telescopio derecho observa la rendija derecha. (El mecanismo/metáfora del telescopio asegura que si miramos a través de un telescopio, solo veremos un destello de luz si el fotón necesariamente ha pasado -total o al menos parcialmente- por la rendija en la que se enfoca el telescopio; de lo contrario, nosotros no verá un fotón. Por lo tanto, al observar un fotón con un telescopio, obtenemos la información "en qué dirección" sobre el fotón entrante).

Ahora imagine que el fotón está en camino a la región 3. El fotón ya ha pasado por las rendijas. Seguimos teniendo la opción de elegir, por ejemplo, dejar la pantalla en su sitio; en este caso, no sabemos por qué rendija pasó el fotón. O podemos decidir quitar la pantalla. Si quitamos la pantalla, esperamos ver un destello en un telescopio o en el otro (o en ambos, aunque esto nunca sucede) por cada fotón enviado. ¿Por qué? Porque el fotón debe pasar o por una, o por la otra, o por ambas rendijas. Esto agota todas las posibilidades. Al observar telescopios, deberíamos ver uno de los siguientes:

un destello en el telescopio izquierdo y ningún destello en el derecho, lo que indica que el fotón pasó por la rendija izquierda; o

un destello en el telescopio derecho y ningún destello en el telescopio izquierdo, lo que indica que el fotón pasó por la rendija derecha; o

débiles destellos de intensidad media de ambos telescopios, lo que indica que el fotón pasó por ambas rendijas.

Estas son todas las posibilidades.

La mecánica cuántica nos dice lo que obtendremos en la pantalla: una curva 4r, que es exactamente como la interferencia de dos ondas simétricas que salen de nuestras rendijas. La mecánica cuántica también dice que cuando observamos fotones con telescopios, obtenemos: una curva 5r, que corresponde exactamente a partículas puntuales que han pasado por una u otra rendija y golpean el telescopio correspondiente.

Prestemos atención a la diferencia en las configuraciones de nuestra instalación experimental, determinada por nuestra elección. Si elegimos dejar la pantalla en su lugar, obtenemos una distribución de partículas correspondiente a la interferencia de dos ondas de hendidura hipotéticas. Podríamos decir (aunque con mucha reticencia) que el fotón viajó desde su fuente hasta la pantalla a través de ambas rendijas.

Por otro lado, si optamos por quitar la pantalla, obtenemos una distribución de partículas consistente con los dos máximos que obtenemos si observamos el movimiento de una partícula puntual desde la fuente a través de una de las rendijas hasta el telescopio correspondiente. La partícula "aparece" (vemos el destello) en un telescopio u otro, pero no en ningún otro punto intermedio a lo largo de la dirección de la pantalla.

Resumiendo, hacemos una elección, ya sea para averiguar por qué rendija pasó la partícula, eligiendo o no eligiendo usar telescopios para la detección. Posponemos esta elección hasta el momento del tiempo. después cómo la partícula "pasó a través de una de las rendijas, o ambas rendijas", por así decirlo. Parece paradójico que nuestra elección tardía de recibir o no tal información sea de hecho determina, por así decirlo, si la partícula pasó por una rendija o por ambas. Si prefiere pensar de esa manera (y no lo recomiendo), la partícula exhibe un comportamiento de onda ex post facto si elige usar una pantalla; también la partícula exhibe un comportamiento posterior al hecho como un objeto puntual si elige usar telescopios. Por lo tanto, nuestra elección tardía de cómo registrar una partícula parecería determinar cómo se comportó realmente la partícula antes del registro.
(Ross Rhodes, Wheeler's Classic Delayed Choice Experiment, traducido por P. V. Kurakin,
http://quantum3000.narod.ru/translations/dc_wheeler.htm).

La inconsistencia del modelo cuántico requiere hacer la pregunta "¿Quizás todavía gira?" ¿El modelo del dualismo de ondas corpusculares se corresponde con la realidad? Parece que el cuanto no es ni una partícula ni una onda.

¿Por qué rebota la pelota?

Pero, ¿por qué deberíamos considerar el enigma de la interferencia como el principal enigma de la física? Hay muchos misterios en la física, en otras ciencias y en la vida. ¿Qué tiene de especial la interferencia? En el mundo que nos rodea, hay muchos fenómenos que solo a primera vista parecen comprensibles, explicados. Pero vale la pena ir paso a paso a través de estas explicaciones, como todo se confunde, surge un callejón sin salida. ¿Por qué son peores que la interferencia, menos misteriosas? Considere, por ejemplo, un fenómeno tan familiar que todos han encontrado en la vida: el rebote de una pelota de goma lanzada sobre el asfalto. ¿Por qué rebota cuando golpea el asfalto?

Evidentemente, al golpear el asfalto, la bola se deforma y comprime. Al mismo tiempo, aumenta la presión del gas en él. En un esfuerzo por enderezarse, restaurar su forma, la pelota presiona el asfalto y se repele. Eso, al parecer, es todo, se ha aclarado el motivo del salto. Sin embargo, echemos un vistazo más de cerca. Por simplicidad, omitimos los procesos de compresión de gas y restauración de la forma de la pelota. Vayamos directamente a la consideración del proceso en el punto de contacto entre la pelota y el asfalto.

La pelota rebota en el asfalto, porque interactúan dos puntos (en el asfalto y en la pelota): cada uno de ellos presiona al otro, lo repele. Parece que todo es simple aquí. Pero preguntémonos: ¿qué es esta presión? Cómo se ve"?

Profundicemos en la estructura molecular de la materia. La molécula de goma de la que está hecha la pelota y la molécula de piedra en el asfalto se presionan entre sí, es decir, tienden a empujarse entre sí. Y nuevamente, todo parece ser simple, pero surge una nueva pregunta: ¿cuál es la causa, la fuente del fenómeno de la "fuerza", que obliga a cada una de las moléculas a alejarse, a experimentar la compulsión de alejarse del "rival"? Aparentemente, los átomos de las moléculas de caucho son repelidos por los átomos que componen la piedra. Si es aún más corto, más simplificado, entonces un átomo es repelido por otro. Y otra vez: ¿por qué?

Pasemos a la estructura atómica de la materia. Los átomos están formados por núcleos y capas de electrones. Simplifiquemos el problema nuevamente y supongamos (razonablemente) que los átomos son repelidos por sus capas o por sus núcleos, en respuesta a una nueva pregunta: ¿cómo ocurre exactamente esta repulsión? Por ejemplo, las capas de electrones pueden repelerse debido a sus cargas eléctricas idénticas, ya que las cargas iguales se repelen. Y otra vez: ¿por qué? ¿Como sucedió esto?

¿Qué hace que dos electrones, por ejemplo, se repelan entre sí? Necesitamos ir más y más lejos en las profundidades de la estructura de la materia. Pero ya aquí se nota bastante que cualquiera de nuestros inventos, cualquier nueva explicación físico el mecanismo de repulsión se deslizará cada vez más lejos, como un horizonte, aunque la descripción formal, matemática, será siempre precisa y clara. Y sin embargo siempre veremos que la ausencia físico La descripción del mecanismo de repulsión no hace de este mecanismo, su modelo intermedio, absurdo, ilógico, contrario al sentido común. Son algo simplificados, incompletos, pero lógico, razonable, significativo. Esta es la diferencia entre la explicación de la interferencia y las explicaciones de muchos otros fenómenos: la descripción de la interferencia en su misma esencia es ilógica, antinatural y contraria al sentido común.

Enredo cuántico, no localidad, realismo local de Einstein

Considere otro fenómeno que se considera contrario al sentido común. Este es uno de los misterios más asombrosos de la naturaleza: el entrelazamiento cuántico (efecto de entrelazamiento, enredado, no separable, no local). La esencia del fenómeno es que dos partículas cuánticas después de la interacción y posterior separación (separándolas en diferentes regiones del espacio) retienen algún tipo de conexión de información entre sí. El ejemplo más conocido de esto es la llamada paradoja EPR. En 1935, Einstein, Podolsky y Rosen expresaron la idea de que, por ejemplo, dos fotones unidos en el proceso de separación (expansión) retienen tal apariencia de conexión de información. En este caso, el estado cuántico de un fotón, por ejemplo, polarización o espín, puede transferirse instantáneamente a otro fotón, que en este caso se vuelve análogo al primero y viceversa. Haciendo una medición en una partícula, determinamos instantáneamente el estado de otra partícula, sin importar qué tan lejos estén unas de otras. Así, la conexión entre partículas es fundamentalmente no local. El físico ruso Doronin formula la esencia de la no localidad de la mecánica cuántica de la siguiente manera:

“En cuanto a lo que se entiende por no localidad en QM, en la comunidad científica, creo que hay una opinión unánime sobre este asunto. Por lo general, la no localidad de QM se entiende como el hecho de que QM contradice el principio de realismo local (a menudo también se le llama principio de localidad de Einstein).

El principio del realismo local establece que si dos sistemas A y B están espacialmente separados, para describir completamente la realidad física, las acciones realizadas en el sistema A no deben cambiar las propiedades del sistema B.

Tenga en cuenta que la posición principal del realismo local en la interpretación anterior es la negación de la influencia mutua de los sistemas separados espacialmente entre sí. La posición principal del realismo local de Einstein es la imposibilidad de la influencia de dos sistemas espacialmente separados entre sí. Einstein en la paradoja EPR descrita asumió una dependencia indirecta del estado de las partículas. Esta dependencia se forma en el momento del enredo de las partículas y persiste hasta el final del experimento. Es decir, surgen estados aleatorios de partículas en el momento de su separación. En el futuro, guardan los estados obtenidos por entrelazamiento, y estos estados se “almacenan” en algunos elementos de la realidad física descritos por “parámetros adicionales”, ya que las medidas sobre sistemas espaciados no pueden influirse entre sí:

“Pero una suposición me parece indiscutible. El estado real de las cosas (estado) del sistema S 2 no depende de lo que se haga con el sistema S 1 espacialmente separado de él.

"... dado que durante la medición estos dos sistemas ya no interactúan, como resultado de cualquier operación en el primer sistema, no se pueden obtener cambios reales en el segundo sistema".

Sin embargo, en realidad, las mediciones en sistemas remotos de alguna manera se influyen entre sí. Alain Aspect describió esta influencia de la siguiente manera:

"i. Un fotón v 1 que no tuviera una polarización claramente definida antes de su medida adquiere una polarización asociada al resultado obtenido durante su medida: esto no es de extrañar.

ii. Cuando se realiza una medición en v 1 , un fotón v 2 que no tenía una polarización definida antes de esta medición se proyecta en un estado de polarización paralelo al resultado de la medición en v 1 . Esto es muy sorprendente porque este cambio en la descripción de v 2 es instantáneo, independientemente de la distancia entre v 1 y v 2 en el momento de la primera medición.

Esta imagen está en conflicto con la relatividad. Según Einstein, un evento en una región dada del espacio-tiempo no puede ser influenciado por un evento en un espacio-tiempo que esté separado por un intervalo similar al espacio. No es prudente tratar de encontrar imágenes más aceptables para "comprender" las correlaciones EPR. Esta es la imagen que estamos viendo ahora”.

Esta imagen se llama "no localidad". Por un lado, la no localidad refleja alguna conexión entre partículas separadas, pero por otro lado, esta conexión, como se reconoce, no es relativista, es decir, aunque la influencia de las mediciones entre sí se propaga a una velocidad superlumínica, pero al mismo tiempo , como tal, no hay transferencia de información entre partículas. Resulta que hay una influencia de las medidas entre sí, pero no hay transferencia de esta influencia. Con base en esto, se concluye que la no localidad, en esencia, no contradice la teoría especial de la relatividad. La información transmitida (condicional) entre partículas EPR a veces se denomina "información cuántica".

Así, la no localidad es un fenómeno opuesto al realismo local de Einstein (localismo). Al mismo tiempo, para el realismo local, solo se da por sentada una cosa: la ausencia de información tradicional (relativista) transmitida de una partícula a otra. De lo contrario, se debería hablar de "acción fantasma a distancia", como la llamó Einstein. Echemos un vistazo más de cerca a esta "acción de largo alcance", cuánto contradice la teoría especial de la relatividad y el realismo local en sí. En primer lugar, la "acción fantasma de largo alcance" no es peor que la "no localidad" de la mecánica cuántica. De hecho, no hay transferencia de información relativista (velocidad inferior a la de la luz) como tal, ni allí ni allí. Por lo tanto, la "acción de largo alcance" no contradice la teoría especial de la relatividad al igual que la "no localidad". En segundo lugar, la naturaleza ilusoria de la "acción de largo alcance" no es más ilusoria que la "no localidad" cuántica. De hecho, ¿cuál es la esencia de la no localidad? ¿En "salida" a otro nivel de realidad? Pero esto no dice nada, sino que sólo permite diversas interpretaciones místicas y divinas extendidas. No razonable y detallado físico descripción (y más aún, explicación) no localidad tiene no. Sólo hay una simple declaración de hecho: dos dimensiones correlacionado. ¿Y qué se puede decir de la "acción fantasma a distancia" de Einstein? Sí, exactamente lo mismo: no hay ninguna descripción física razonable y detallada, la misma declaración simple de hecho: dos dimensiones conectado juntos. La pregunta en realidad se reduce a la terminología: no localidad o acción fantasmal a distancia. Y el reconocimiento de que ni uno ni otro contradicen formalmente la teoría especial de la relatividad. Pero esto no significa nada más que la consistencia del realismo local (localismo) en sí mismo. Su principal afirmación, formulada por Einstein, ciertamente sigue vigente: en el sentido relativista, no hay interacción entre los sistemas S 2 y S 1, la hipótesis de la "acción fantasma de largo alcance" no introduce la menor contradicción en el sistema local de Einstein. realismo. Finalmente, el mismo intento de rechazar la "acción fantasmal a distancia" en el realismo local requiere lógicamente la misma actitud hacia su contrapartida de la mecánica cuántica: la no localidad. De lo contrario, se convierte en un doble rasero, un doble enfoque sin fundamento de dos teorías ("Lo que se le permite a Júpiter no se le permite al toro"). Es poco probable que tal enfoque merezca una consideración seria.

Así, la hipótesis del realismo local de Einstein (localismo) debería formularse de una forma más completa:

"El estado real del sistema S 2 en un sentido relativista no depende de lo que se haga con el sistema S 1 espacialmente separado de él.

Con esta pequeña pero importante corrección, todas las referencias a violaciones de las "desigualdades de Bell" (ver más abajo) pierden sentido como argumentos que refutan el realismo local de Einstein, que las viola tanto como la mecánica cuántica.

Como podemos ver, en la mecánica cuántica, la esencia del fenómeno de la no localidad se describe mediante signos externos, pero no se explica su mecanismo interno, lo que sirvió de base para la declaración de Einstein sobre la incompletitud de la mecánica cuántica.

Al mismo tiempo, el fenómeno del enredo puede tener una explicación bastante sencilla que no contradice ni la lógica ni el sentido común. Dado que dos partículas cuánticas se comportan como si "conocieran" el estado de la otra, se transmiten información esquiva entre sí, se puede suponer que la transferencia se lleva a cabo mediante algún tipo de portador "puramente material" (no material). Esta pregunta tiene un trasfondo filosófico profundo, relacionado con los fundamentos de la realidad, es decir, la sustancia primaria a partir de la cual se crea todo nuestro mundo. En realidad, esta sustancia debería llamarse materia, dotándola de propiedades que excluyen su observación directa. Todo el mundo que nos rodea está tejido a partir de la materia, y solo podemos observarlo interactuando con este tejido, un derivado de la materia: la materia, los campos. Sin entrar en los detalles de esta hipótesis, sólo destacamos que el autor identifica materia y éter, considerándolos dos nombres para una misma sustancia. Es imposible explicar la estructura del mundo, rechazando el principio fundamental: la materia, ya que la discreción de la materia en sí misma contradice tanto la lógica como el sentido común. No hay una respuesta razonable y lógica a la pregunta: qué hay entre los discretos de la materia, si la materia es el principio fundamental de todo lo que existe. Por lo tanto, la suposición de que la materia tiene una propiedad, emergente como una interacción instantánea de objetos materiales distantes, es bastante lógico y consistente. Dos partículas cuánticas interactúan entre sí en un nivel más profundo: el material, pasándose información más sutil y escurridiza a nivel material, que no está asociada con un material, campo, onda o cualquier otro portador, y cuyo registro es directamente fundamentalmente imposible. El fenómeno de la no localidad (no separabilidad), aunque no tiene una descripción física explícita y clara (explicación) en la física cuántica, es sin embargo accesible a la comprensión y explicación como un proceso real.

Por lo tanto, la interacción de partículas entrelazadas, en general, no contradice ni la lógica ni el sentido común y permite, aunque sea una explicación fantástica, pero más bien armoniosa.

teletransportación cuántica

Otra manifestación interesante y paradójica de la naturaleza cuántica de la materia es la teletransportación cuántica. El término "teletransportación", tomado de la ciencia ficción, es ahora muy utilizado en la literatura científica y, a primera vista, da la impresión de algo irreal. La teletransportación cuántica significa la transferencia instantánea de un estado cuántico de una partícula a otra lejana. Sin embargo, la teletransportación de la propia partícula, la transferencia de masa no se produce en este caso.

La cuestión de la teletransportación cuántica fue planteada por primera vez en 1993 por el grupo Bennett, que, utilizando la paradoja EPR, demostró que, en principio, las partículas enlazadas (entrelazadas) pueden servir como una especie de "transporte" de información. Al unir una tercera partícula - "información" - a una de las partículas acopladas, es posible transferir sus propiedades a otra, e incluso sin medir estas propiedades.

La implementación del canal EPR se realizó de forma experimental y se comprobó la viabilidad de los principios EPR en la práctica para la transmisión de estados de polarización entre dos fotones a través de fibras ópticas por medio de un tercero a distancias de hasta 10 kilómetros.

De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, un fotón no tiene un valor de polarización exacto hasta que es medido por un detector. Así, la medida transforma el conjunto de todas las polarizaciones posibles de un fotón en un valor aleatorio pero muy específico. La medición de la polarización de un fotón de un par entrelazado lleva al hecho de que el segundo fotón, sin importar qué tan lejos esté, aparece instantáneamente la polarización correspondiente, perpendicular a él.

Si un fotón extraño se “mezcla” con uno de los dos fotones originales, se forma un nuevo par, un nuevo sistema cuántico ligado. Habiendo medido sus parámetros, es posible transmitir instantáneamente tan lejos como desee, para teletransportarse, la dirección de polarización ya no es la original, sino un fotón extraño. En principio, casi todo lo que le sucede a un fotón de un par debería afectar instantáneamente al otro, cambiando sus propiedades de forma muy definida.

Como resultado de la medición, el segundo fotón del par enlazado original también adquirió cierta polarización fija: se transmitió una copia del estado inicial del "fotón mensajero" al fotón remoto. La parte más difícil fue probar que el estado cuántico fue efectivamente teletransportado: esto requería saber exactamente cómo se configuraron los detectores al medir la polarización general, y fue necesario sincronizarlos cuidadosamente.

El esquema simplificado de teletransportación cuántica se puede imaginar de la siguiente manera. Alice y Bob (caracteres condicionales) reciben un fotón de un par de fotones entrelazados. Alice tiene una partícula (fotón) en un (desconocido para ella) estado A; un fotón de un par y el fotón de Alice interactúan ("enredados"), Alice hace una medición y determina el estado del sistema de dos fotones que tiene. Naturalmente, el estado inicial A del fotón de Alice se destruye en este caso. Sin embargo, un fotón de un par de fotones entrelazados, que terminó en Bob, pasa al estado A. En principio, Bob ni siquiera sabe que se ha producido un acto de teletransportación, por lo que es necesario que Alice le envíe información al respecto. de la forma habitual.

Matemáticamente, en el lenguaje de la mecánica cuántica, este fenómeno se puede describir de la siguiente manera. El esquema del dispositivo para la teletransportación se muestra en la figura:

Figura 6. Esquema de instalación para implementación de teletransportación cuántica del estado de un fotón.

“El estado inicial está determinado por la expresión:

Aquí se supone que los primeros dos qubits (de izquierda a derecha) pertenecen a Alice y el tercer qubit pertenece a Bob. A continuación, Alice pasa sus dos qubits a través CNOT-portón. Esto da como resultado el estado |Ф 1 >:

Luego, Alice pasa el primer qubit a través de la puerta de Hadamard. Como resultado, el estado de los qubits considerados |Ф 2 > se verá así:

Reagrupando los términos en (10.4), observando la secuencia elegida de pertenencia de qubits a Alice y Bob, obtenemos:

Esto muestra que si, por ejemplo, Alice realiza mediciones de los estados de su par de qubits y obtiene 00 (es decir, M 1 = 0, M 2 = 0), entonces el qubit de Bob estará en el estado |Ф>, que Es decir, en ese estado que Alice quería darle a Bob. En el caso general, dependiendo del resultado de la medición de Alice, el estado del qubit de Bob después del proceso de medición estará determinado por uno de cuatro estados posibles:

Sin embargo, para saber en cuál de los cuatro estados se encuentra su qubit, Bob debe obtener información clásica sobre el resultado de la medición de Alice. Tan pronto como Bob conoce el resultado de la medición de Alice, puede obtener el estado del qubit original de Alice |Ф> realizando operaciones cuánticas correspondientes al esquema (10.6). Entonces, si Alice le informó que el resultado de su medición es 00, entonces Bob no necesita hacer nada con su qubit: está en el estado |Ф>, es decir, el resultado de la transmisión ya se logró. Si la medición de Alice da un resultado de 01, entonces Bob debe actuar sobre su qubit con una puerta. X. Si la medida de Alice da 10, entonces Bob debe aplicar una puerta Z. Finalmente, si el resultado fue 11, entonces Bob debe actuar sobre las puertas X*Z para obtener el estado aprobado |F>.

El circuito cuántico total que describe el fenómeno de la teletransportación se muestra en la figura. Hay una serie de circunstancias para el fenómeno de la teletransportación, que deben explicarse teniendo en cuenta los principios físicos generales. Por ejemplo, uno podría tener la impresión de que la teletransportación permite la transferencia de un estado cuántico de manera instantánea y, por lo tanto, más rápido que la velocidad de la luz. Esta afirmación está en contradicción directa con la teoría de la relatividad. Sin embargo, en el fenómeno de la teletransportación no existe contradicción con la teoría de la relatividad, ya que para llevar a cabo la teletransportación, Alice debe transmitir el resultado de su medición a través de un canal de comunicación clásico, y la teletransportación no transmite ninguna información.

El fenómeno de la teletransportación se deriva clara y lógicamente del formalismo de la mecánica cuántica. Obviamente, la base de este fenómeno, su "núcleo" es el enredo. Por lo tanto, la teletransportación es lógica, como el enredo, se describe fácil y simplemente matemáticamente, sin dar lugar a contradicciones ni con la lógica ni con el sentido común.

Desigualdades de Bell

La lógica es “una ciencia normativa sobre las formas y métodos de la actividad cognitiva intelectual llevada a cabo con la ayuda del lenguaje. especificidad leyes lógicas radica en el hecho de que son enunciados que son verdaderos únicamente en virtud de su forma lógica. En otras palabras, la forma lógica de tales enunciados determina su verdad, independientemente de la concreción del contenido de sus términos no lógicos.

(Vasyukov V., Enciclopedia "Krugosvet", http://slovari.yandex.ru/dict/krugosvet/article/b/bf/1010920.htm)

Entre las teorías lógicas, nos interesará particularmente lógica no clásica - cuántica lógica que implica una violación de las leyes de la lógica clásica en el microcosmos.

En cierta medida, nos apoyaremos en la lógica dialéctica, la lógica de las "contradicciones": "La lógica dialéctica es filosofía, teoría de la verdad(proceso de verdad, según Hegel), mientras que otras "lógicas" son una herramienta especial para fijar y encarnar los resultados de la cognición. La herramienta es muy necesaria (por ejemplo, ni un solo programa de computadora funcionará sin confiar en las reglas matemáticas y lógicas para calcular proposiciones), pero aún así es especial.

Tal lógica estudia las leyes de aparición y desarrollo de una sola fuente de varios, a veces desprovistos no solo de similitudes externas, sino también de fenómenos contradictorios. Además, para la lógica dialéctica contradicción inherente a la fuente misma del origen de los fenómenos. A diferencia de la lógica formal, que impone una prohibición a cosas similares en la forma de la "ley del tercero excluido" (ya sea A o no-A - tercio non datur: No hay tercero). Pero, ¿qué se puede hacer si la luz ya está en su fundamento, la luz como "verdad", es tanto una onda como una partícula (corpúsculo), en la que es imposible "dividirla" incluso en las condiciones del laboratorio más sofisticado? ¿experimento?

(Kudryavtsev V., ¿Qué es la lógica dialéctica? http://www.tovievich.ru/book/8/340/1.htm)

Sentido común

En el sentido aristotélico de la palabra, la capacidad de comprender las propiedades de un objeto mediante el uso de otros sentidos.

Creencias, opiniones, comprensión práctica de las cosas, características de la "persona promedio".

Coloquial: buen juicio razonado.

Sinónimo aproximado de pensamiento lógico. Originalmente, el sentido común se consideraba una parte integral de la facultad mental, que funcionaba de forma puramente racional.

(Diccionario Explicativo de Psicología de Oxford / Editado por A. Reber, 2002,
http://vocabulary.ru/dictionary/487/word/%C7%C4%D0%C0%C2%DB%C9+%D1%CC%DB%D1%CB)

Aquí consideramos el sentido común únicamente como la correspondencia de los fenómenos con la lógica formal. Solo la contradicción de la lógica en las construcciones puede servir de base para reconocer la falacia, la incompletud de las conclusiones o su absurdo. Como dijo Yu. Sklyarov, se debe buscar una explicación de los hechos reales con la ayuda de la lógica y el sentido común, sin importar cuán extrañas, inusuales y "poco científicas" puedan parecer estas explicaciones a primera vista.

A la hora de analizar nos basamos en el método científico, al que consideramos el método de prueba y error.

(Silver A.I., Método científico y errores, Priroda, No. 3, 1997, http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/NATURE/VV_SC2_W.HTM)

Al mismo tiempo, somos conscientes de que la ciencia misma se basa en la fe: “en efecto, todo conocimiento se basa en la fe en supuestos iniciales (que se toman a priori, por medio de la intuición y que no pueden ser racionalmente probados directa y rigurosamente), - en particular, en lo siguiente:

(i) nuestras mentes pueden comprender la realidad,
(ii) nuestros sentimientos reflejan la realidad,
(iii) las leyes de la lógica.”

(V.S. Olkhovsky V.S., ¿Cómo se relacionan entre sí los postulados de la fe del evolucionismo y el creacionismo con los datos científicos modernos, http://www.scienceandapologetics.org/text/91.htm)

“El hecho de que la ciencia se base en la fe, que no es cualitativamente diferente de la fe religiosa, es reconocido por los propios científicos”.

A Albert Einstein se le atribuye esta definición de sentido común: “El sentido común es un conjunto de prejuicios que adquirimos cuando llegamos a los dieciocho años”. (http://www.marketer.ru/node/1098). En esta ocasión, añadimos: No rechace el sentido común, de lo contrario, puede rechazarlo a usted.

Contradicción

“En lógica formal, un par de juicios que se contradicen, es decir, juicios, cada uno de los cuales es una negación del otro. El hecho mismo de la aparición de tal par de juicios en el curso de cualquier razonamiento o en el marco de cualquier teoría científica también se llama contradicción.

(Gran Enciclopedia Soviética, Rubricon, http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00063/38600.htm)

“Un pensamiento o posición que es incompatible con otro, refutar a otro, inconsistencia en pensamientos, declaraciones y acciones, una violación de la lógica o la verdad”.

(Diccionario explicativo de la lengua rusa de Ushakov, http://slovari.yandex.ru/dict/ushakov/article/ushakov/16-4/us3102504.htm)

“una situación lógica de la verdad simultánea de dos definiciones o declaraciones (juicios) mutuamente excluyentes sobre la misma cosa. En la lógica formal, la contradicción se considera inadmisible según la ley de la contradicción.

Paradoja

“1) opinión, juicio, conclusión, fuertemente en desacuerdo con lo generalmente aceptado, contrario al “sentido común” (a veces solo a primera vista);

2) un fenómeno inesperado, un evento que no corresponde a las ideas habituales;

3) en lógica: una contradicción que surge con cualquier desviación de la verdad. La contradicción es sinónimo del término "antinomia" - una contradicción en la ley - este es el nombre de cualquier razonamiento que pruebe tanto la verdad de la tesis como la verdad de su negación.

A menudo surge una paradoja cuando dos proposiciones mutuamente excluyentes (contradictorias) resultan igualmente demostrables.

Dado que es habitual considerar un fenómeno que contradice los puntos de vista generalmente aceptados como una paradoja, entonces, en este sentido, la paradoja y la contradicción son similares. Sin embargo, los consideraremos por separado. Aunque una paradoja es una contradicción, se puede explicar lógicamente, es accesible al sentido común. Consideraremos la contradicción como una construcción lógica insoluble, imposible, absurda, inexplicable desde el punto de vista del sentido común.

El artículo busca tales contradicciones que no solo son difíciles de resolver, sino que alcanzan el nivel del absurdo. No sólo es difícil explicarlos, sino que incluso la formulación del problema, la descripción de la esencia de la contradicción, encuentra dificultades. ¿Cómo explicas algo que ni siquiera puedes formular? En nuestra opinión, el experimento de la doble rendija de Young es un absurdo. Se ha encontrado que es extremadamente difícil explicar el comportamiento de una partícula cuántica cuando interfiere con dos rendijas.

Absurdo

Algo ilógico, absurdo, contrario al sentido común.

Una expresión se considera absurda si no es exteriormente contradictoria, pero de la que, sin embargo, puede derivarse una contradicción.

Una afirmación absurda tiene sentido y, debido a su inconsistencia, es falsa. La ley lógica de la contradicción habla de la inadmisibilidad tanto de la afirmación como de la negación.

Una declaración absurda es una violación directa de esta ley. En lógica, la evidencia se considera por reductio ad absurdum ("reducción al absurdo"): si una contradicción se deriva de una determinada posición, entonces esta disposición es falsa.

Para los griegos, el concepto de absurdo significaba un callejón sin salida lógico, es decir, un lugar donde el razonamiento lleva al razonador a una contradicción manifiesta o, más aún, a un sinsentido evidente y, por tanto, exige una forma diferente de pensar. Así, el absurdo se entendía como la negación del componente central de la racionalidad: la lógica. (http://www.ec-dejavu.net/a/absurdo.html)

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Putenijin P.V.