Zarrachalarning chigallashishi. Kvant chigalligi nima? Oddiy so'zlarda mohiyat. Teleportatsiya mumkinmi? Kvant chalkashlik nazariyasi

• Tarjima

Kvant chigalligi fandagi eng murakkab tushunchalardan biri, lekin uning asosiy tamoyillari oddiy. Va agar tushunilsa, chalkashlik dunyolarning ko'pligi kabi tushunchalarni yaxshiroq tushunishga yo'l ochadi. kvant nazariyasi.

Maftunkor sir aurasi kvant chalkashlik kontseptsiyasini, shuningdek (qandaydir tarzda) kvant nazariyasining "ko'p olamlar" bo'lishi kerakligi haqidagi talabini o'rab oladi. Va shunga qaramay, ularning mohiyatiga ko'ra, bu tub ma'noga ega va o'ziga xos ilovalarga ega bo'lgan ilmiy g'oyalardir. Men chalkashlik va ko'plab olamlar tushunchalarini o'zim bilganimdek sodda va aniq tushuntirmoqchiman.

I

Bog'lanish o'ziga xos hodisa deb hisoblanadi kvant mexanikasi- Ammo bu unday emas. Aslida, chalkashlikning oddiy, kvant bo'lmagan (klassik) versiyasini ko'rib chiqishdan boshlash (garchi bu noodatiy yondashuv bo'lsa ham) tushunarliroq bo'lishi mumkin. Bu bizga chalkashlik bilan bog'liq nozikliklarni kvant nazariyasining boshqa g'alati jihatlaridan ajratishga imkon beradi.

Ikki tizimning holati haqida qisman ma'lumotga ega bo'lgan holatlarda chalkashlik yuzaga keladi. Misol uchun, ikkita ob'ekt bizning tizimimizga aylanishi mumkin - keling, ularni kaon deb ataymiz. "K" "klassik" ob'ektlarni anglatadi. Ammo agar siz haqiqatan ham aniq va yoqimli narsani tasavvur qilishni istasangiz, bu keklar deb tasavvur qiling.

Bizning kaonlarimiz kvadrat yoki yumaloq ikkita shaklga ega bo'ladi va bu shakllar ularning mumkin bo'lgan holatlarini ko'rsatadi. Keyin ikkita kaonning to'rtta mumkin bo'lgan qo'shma holati bo'ladi: (kvadrat, kvadrat), (kvadrat, doira), (doira, kvadrat), (doira, doira). Jadvalda tizim ro'yxatga olingan to'rtta holatdan birida bo'lish ehtimoli ko'rsatilgan.

Agar ulardan birining holati haqidagi bilim ikkinchisining holati haqida ma'lumot bermasa, biz kaonlarni "mustaqil" deb aytamiz. Va bu jadval shunday xususiyatga ega. Agar birinchi kaon (pirojnoe) kvadrat bo'lsa, biz hali ham ikkinchisining shaklini bilmaymiz. Aksincha, ikkinchisining shakli bizga birinchisining shakli haqida hech narsa aytmaydi.

Boshqa tomondan, agar ulardan biri haqidagi ma'lumot ikkinchisi haqidagi bilimimizni yaxshilasa, ikkita kaon chigal ekanligini aytamiz. Ikkinchi planshet bizga kuchli chalkashlikni ko'rsatadi. Bunda birinchi kaon dumaloq bo'lsa, ikkinchisi ham dumaloq ekanligini bilib olamiz. Va agar birinchi kaon kvadrat bo'lsa, ikkinchisi ham xuddi shunday bo'ladi. Birining shaklini bilib, biz ikkinchisining shaklini aniq aniqlashimiz mumkin.

Bog'lanishning kvant versiyasi asosan bir xil ko'rinadi - bu mustaqillikning etishmasligi. Kvant nazariyasida holatlar to'lqin funksiyalari deb ataladigan matematik ob'ektlar bilan tavsiflanadi. To'lqin funktsiyalarini jismoniy imkoniyatlar bilan birlashtirgan qoidalar biz keyinroq muhokama qiladigan juda qiziqarli asoratlarni keltirib chiqaradi, ammo klassik holat uchun biz ko'rsatgan chigal bilimlarning asosiy tushunchasi o'zgarishsiz qoladi.

Braunlarni kvant tizimlari deb hisoblash mumkin bo'lmasa-da, kvant tizimlarida chalkashlik tabiiy ravishda, masalan, zarrachalar to'qnashuvidan keyin sodir bo'ladi. Amalda, chigal bo'lmagan (mustaqil) holatlar kamdan-kam istisnolar deb hisoblanishi mumkin, chunki tizimlar o'zaro ta'sirlashganda ular o'rtasida korrelyatsiya paydo bo'ladi.

Masalan, molekulalarni ko'rib chiqing. Ular quyi tizimlardan, xususan, elektronlar va yadrolardan iborat. Odatda mavjud bo'lgan molekulaning minimal energiya holati elektronlar va yadrolarning juda chigallashgan holatidir, chunki bu tarkibiy zarralarning joylashuvi hech qanday tarzda mustaqil bo'lmaydi. Yadro harakat qilganda, elektron ham u bilan birga harakat qiladi.

Keling, misolimizga qaytaylik. Agar 1-sistemani kvadrat yoki dumaloq holatda tavsiflovchi to‘lqin funksiyalari sifatida P■, PH● va 2-sistemani kvadrat yoki dumaloq holatlarida tavsiflovchi to‘lqin funksiyalari uchun ps■, ps● yozsak, u holda bizning ishchi misolimizda barcha holatlar tasvirlanishi mumkin, Qanaqasiga:

Mustaqil: PH■ ps■ + PH■ ps● + PH● ps■ + PH● ps●

O‘ralgan: PH■ ps■ + PH● ps●

Mustaqil versiya quyidagicha yozilishi mumkin:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Ikkinchi holda, qavslar birinchi va ikkinchi tizimlarni mustaqil qismlarga qanday aniq ajratishiga e'tibor bering.

O'ralgan holatlarni yaratishning ko'plab usullari mavjud. Ulardan biri sizga qisman ma'lumot beradigan kompozit tizimni o'lchashdir. Masalan, ikkita tizim qaysi shaklni tanlaganligini bilmasdan turib, bir xil shaklda bo'lishga rozi bo'lganligini bilib olish mumkin. Bu kontseptsiya birozdan keyin muhim bo'ladi.

Eynshteyn-Podolskiy-Rozen (EPR) va Grinberg-Horn-Seilinger (GHZ) kabi kvant chalkashliklarining keng tarqalgan effektlari uning kvant nazariyasining komplementarlik printsipi deb ataladigan boshqa xususiyati bilan o'zaro ta'siridan kelib chiqadi. EPR va GHZni muhokama qilish uchun avvalo ushbu tamoyilni sizga tanishtirishga ijozat bering.

Shu paytgacha biz kaonlar ikki shaklda (kvadrat va dumaloq) bo'lishini tasavvur qildik. Endi tasavvur qilaylik, ular ham ikkita rangda - qizil va ko'k rangda. O'ylab klassik tizimlar, masalan, tortlar qo'shimcha mulk Bu kaon to'rtta mumkin bo'lgan holatlardan birida mavjud bo'lishi mumkinligini anglatadi: qizil kvadrat, qizil doira, ko'k kvadrat va ko'k doira.

Ammo kvant keklari kvantlardir ... Yoki kvantlar ... Ular butunlay boshqacha yo'l tutishadi. Ba'zi vaziyatlarda kvanton bo'lishi mumkin turli shakllar rang esa bir vaqtning o'zida ham shaklga, ham rangga ega ekanligini anglatmaydi. Aslida, umumiy ma'noda, Eynshteyn jismoniy haqiqatdan talab qilgan, biz tez orada ko'ramiz, eksperimental faktlarga mos kelmaydi.

Biz kvantonning shaklini o'lchashimiz mumkin, lekin bunda uning rangi haqidagi barcha ma'lumotlarni yo'qotamiz. Yoki rangni o'lchashimiz mumkin, lekin uning shakli haqidagi ma'lumotni yo'qotamiz. Kvant nazariyasiga ko'ra, biz bir vaqtning o'zida shakl va rangni o'lchay olmaymiz. Hech kimning kvant haqiqatiga qarashi to'liq emas; biz juda ko'p turli xil va bir-birini istisno qiladigan rasmlarni hisobga olishimiz kerak, ularning har biri sodir bo'layotgan voqealar haqida to'liq bo'lmagan rasmga ega. Bu Nils Bor tomonidan shakllantirilgan to'ldiruvchilik tamoyilining mohiyatidir.

Natijada, kvant nazariyasi bizni xususiyatlarni fizik haqiqatga bog'lashda ehtiyot bo'lishga majbur qiladi. Qarama-qarshiliklarga yo'l qo'ymaslik uchun biz quyidagilarni tan olishimiz kerak:

Agar u o'lchanmasa, mulk mavjud emas.
O'lchov - faol jarayon, o'lchangan tizimni o'zgartirish

II

Endi biz kvant nazariyasining g'alati jihatlarining klassik emas, ikkita namunali tasvirini tasvirlaymiz. Ikkalasi ham qattiq tajribalarda sinovdan o'tgan (in haqiqiy tajribalar odamlar keklarning shakli va ranglarini emas, balki elektronlarning burchak momentini o'lchaydilar).

Albert Eynshteyn, Boris Podolskiy va Neytan Rozen (EPR) ikkita kvant tizimi chigallashganda yuzaga keladigan hayratlanarli effektni tasvirlab berishdi. EPR effekti kvant chalkashlikning maxsus, eksperimental ravishda erishish mumkin bo'lgan shaklini to'ldiruvchilik printsipi bilan birlashtiradi.

EPR juftligi ikkita kvantdan iborat bo'lib, ularning har biri shakli yoki rangi bilan o'lchanishi mumkin (lekin bir vaqtning o'zida emas). Aytaylik, bizda bunday juftliklar juda ko'p, ularning barchasi bir xil va biz ularning tarkibiy qismlarida qanday o'lchovlar qilishimizni tanlashimiz mumkin. Agar biz EPR juftligi a'zolaridan birining shaklini o'lchaydigan bo'lsak, kvadrat yoki aylana olish ehtimoli teng bo'ladi. Agar biz rangni o'lchasak, qizil yoki ko'k rangga ega bo'lish ehtimoli teng.

EPR uchun paradoksal bo'lib tuyulgan qiziqarli effektlar juftlikning ikkala a'zosini o'lchaganimizda paydo bo'ladi. Ikkala a'zoning rangini yoki ularning shaklini o'lchaganimizda, natijalar har doim bir xil ekanligini topamiz. Ya'ni, agar biz ulardan biri qizil ekanligini aniqlab, ikkinchisining rangini o'lchasak, uning qizil ekanligini ham aniqlaymiz - va hokazo. Boshqa tomondan, agar biz birining shaklini va ikkinchisining rangini o'lchasak, hech qanday korrelyatsiya kuzatilmaydi. Ya'ni, agar birinchisi kvadrat bo'lsa, ikkinchisi teng ehtimollik bilan ko'k yoki qizil bo'lishi mumkin.

Kvant nazariyasiga ko'ra, ikkita tizim bir-biridan juda katta masofa bilan ajralib tursa va o'lchovlar deyarli bir vaqtning o'zida amalga oshirilsa ham, biz bunday natijalarga erishamiz. Bir joyda o'lchov turini tanlash boshqa joyda tizim holatiga ta'sir qiladi. Eynshteyn ta'kidlaganidek, bu "masofadagi qo'rqinchli harakat", aftidan, yorug'lik tezligidan tezroq ma'lumotni - bizning holatlarimizda, o'lchov haqida ma'lumotni uzatishni talab qiladi.

Lekin shundaymi? Qanday natijalarga erishganingizni bilmagunimcha, nima kutishni bilmayman. Men olaman foydali ma'lumotlar men sizning natijangizni bilganimda, o'lchovni olganingizda emas. Va olingan natijani o'z ichiga olgan har qanday xabar qandaydir tarzda uzatilishi kerak jismonan, yorug'lik tezligidan sekinroq.

Keyinchalik o'rganish bilan paradoks yanada qulab tushadi. Agar birinchi o'lchov qizil rang bergan bo'lsa, ikkinchi tizimning holatini ko'rib chiqaylik. Agar ikkinchi kvantonning rangini o'lchashga qaror qilsak, biz qizil rangga ega bo'lamiz. Ammo bir-birini to'ldirish tamoyiliga ko'ra, agar biz uning shaklini "qizil" holatda bo'lganda o'lchashga qaror qilsak, kvadrat yoki aylana olish uchun teng imkoniyatga egamiz. Shuning uchun EPR natijasi mantiqan oldindan belgilanadi. Bu shunchaki bir-birini to'ldirish tamoyilining qayta ta'rifidir.

Uzoq voqealarning o'zaro bog'liqligida hech qanday paradoks yo'q. Axir, ikkita qo'lqopdan birini juftlikdan qutilarga solib, ularni sayyoramizning turli chekkalariga jo'natadigan bo'lsak, bir qutiga qarab, ikkinchi qo'lqop qaysi qo'l uchun mo'ljallanganligini aniqlashim ajab emas. Xuddi shunday, barcha holatlarda, EPR juftlarining o'zaro bog'liqligi ular yaqin joyda bo'lganda, ular xotiraga ega bo'lganidek, keyingi ajralishga dosh bera olishlari uchun yozib olinishi kerak. EPR paradoksining g'alatiligi korrelyatsiyaning o'zi emas, balki uni qo'shimchalar shaklida saqlab qolish imkoniyatidir.

III

Daniel Greenberger, Maykl Xorn va Anton Zaylinger kvant chigalligining yana bir go'zal namunasini kashf etdilar. IT maxsus tayyorlangan o'ralgan holatda (GHZ-holat) bo'lgan uchta kvantimizni o'z ichiga oladi. Biz ularning har birini turli masofaviy eksperimentchilarga tarqatamiz. Ularning har biri rang yoki shaklni o'lchashni mustaqil ravishda va tasodifiy tanlaydi va natijani qayd qiladi. Tajriba ko'p marta takrorlanadi, lekin har doim GHZ holatida uchta kvant bilan.

Har bir eksperimentchi tasodifiy natijalarni oladi. Kvantonning shaklini o'lchab, u teng ehtimollik bilan kvadrat yoki aylana oladi; kvantonning rangini o'lchaganda, u qizil yoki ko'k bo'lishi ehtimoli teng. Hozircha hamma narsa oddiy.

Ammo eksperimentchilar yig'ilib, natijalarni taqqoslaganda, tahlil hayratlanarli natijani ko'rsatadi. Aytaylik, biz qo'ng'iroq qilamiz kvadrat shakli va qizil rang "yaxshi", va doiralar va Moviy rang- "yomon". Tajribachilar shuni aniqladilarki, agar ulardan ikkitasi shaklni o'lchashga qaror qilsa va uchinchisi rangni o'lchashga qaror qilsa, u holda 0 yoki 2 o'lchov "yomon" (ya'ni, yumaloq yoki ko'k) hisoblanadi. Ammo agar uchtasi ham rangni o'lchashga qaror qilsa, u holda 1 yoki 3 o'lchov yomondir. Kvant mexanikasi buni bashorat qiladi va aynan shunday bo'ladi.

Savol: Yomonlik miqdori juftmi yoki toqmi? Ikkala imkoniyat ham turli o'lchamlarda amalga oshiriladi. Biz bu masaladan voz kechishimiz kerak. Tizimdagi yovuzlik miqdori haqida uning qanday o'lchanishi bilan bog'liq holda gapirishning ma'nosi yo'q. Va bu qarama-qarshiliklarga olib keladi.

GHZ effekti, fizik Sidni Koulman ta'riflaganidek, "kvant mexanikasining yuziga zarba". Bu jismoniy tizimlar o'lchovidan qat'i nazar, oldindan belgilangan xususiyatlarga ega bo'lgan an'anaviy, tajribaviy taxminni buzadi. Agar shunday bo'lsa, yaxshilik va yomonlik muvozanati o'lchov turlarini tanlashga bog'liq bo'lmaydi. GHZ effektining mavjudligini qabul qilganingizdan so'ng, siz buni unutmaysiz va sizning ufqlaringiz kengayadi.

IV

Hozircha biz chalkashlik bir nechta kvantlarga noyob mustaqil davlatlarni belgilashimizga qanday xalaqit berishini muhokama qilamiz. Xuddi shu mulohaza bir kvantning vaqt o'tishi bilan sodir bo'lgan o'zgarishlariga ham tegishli.

Biz tizimga har lahzada ma'lum bir holatni belgilash imkoni bo'lmaganda, biz "chalkash tarixlar" haqida gapiramiz. An'anaviy chalkashlikda biz imkoniyatlarni istisno qilganimizdek, o'tgan voqealar haqida qisman ma'lumot to'playdigan o'lchovlarni amalga oshirish orqali chigal tarixlarni yaratishimiz mumkin. Eng oddiy chigal hikoyalarda biz vaqtning ikki xil nuqtasida o'rganadigan bitta kvantonga egamiz. Biz kvantonning shakli har ikki marta kvadrat yoki har ikki marta yumaloq ekanligini aniqlaydigan vaziyatni tasavvur qilishimiz mumkin, ammo ikkala holat ham mumkin bo'lib qoladi. Bu yuqorida tavsiflangan chalkashlikning eng oddiy versiyalariga vaqtinchalik kvant analogiyasidir.

Murakkabroq protokoldan foydalanib, biz ushbu tizimga biroz qo'shimcha tafsilotlarni kiritishimiz va kvant nazariyasining "ko'p dunyo" xususiyatini ishga tushiradigan vaziyatlarni tasvirlashimiz mumkin. Bizning kvantonimiz qizil holatda tayyorlanishi mumkin, keyin esa ko'k rangda o'lchanadi va olinadi. Va oldingi misollarda bo'lgani kabi, biz kvantonga ikki o'lchov orasidagi intervalda rang xususiyatini doimiy ravishda belgilay olmaymiz; unda ham yo'q ma'lum bir shakl. Bunday hikoyalar amalga oshiriladi, cheklangan, lekin butunlay boshqariladi va aniq tarzda, kvant mexanikasidagi olamlarning ko'pligi tasviriga xos bo'lgan sezgi. Muayyan davlatni ikkita qarama-qarshi tarixiy traektoriyaga bo'lish mumkin, ular keyin yana bog'lanadi.

Kvant nazariyasining asoschisi, uning to'g'riligiga shubha bilan qaragan Ervin Shredinger kvant tizimlarining evolyutsiyasi tabiiy ravishda holatlarga olib kelishini ta'kidladi, ularning o'lchovlari juda katta ta'sir ko'rsatishi mumkin. turli natijalar. Uning "Schrodinger mushuki" bilan fikrlash tajribasi mashhur postulatlarga ega kvant noaniqligi, mushuklar o'limiga ta'sir qilish darajasiga olib keldi. O'lchashdan oldin, mushuk uchun hayot (yoki o'lim) mulkini belgilash mumkin emas. Ikkalasi ham yoki hech biri boshqa dunyoviy imkoniyatlar olamida birga mavjud emas.

Kundalik til kvant to'ldiruvchiligini tushuntirishga mos kelmaydi, chunki qisman kundalik tajriba uni o'z ichiga olmaydi. Amaliy mushuklar atrofdagi havo molekulalari va boshqa ob'ektlar bilan, ularning tirik yoki o'likligiga qarab, butunlay boshqacha tarzda o'zaro ta'sir qiladi, shuning uchun amalda o'lchov avtomatik ravishda amalga oshiriladi va mushuk yashashni davom ettiradi (yoki yashamaydi). Ammo hikoyalar Shredingerning mushukchalari bo'lgan kvantlarni chalkashlik bilan tasvirlaydi. Ularning To'liq tavsif xususiyatlarning bir-birini istisno qiladigan ikkita traektoriyasini ko'rib chiqishni talab qiladi.

O'ralgan hikoyalarni nazorat ostida eksperimental amalga oshirish juda nozik narsa, chunki u kvantlar haqida qisman ma'lumot to'plashni talab qiladi. An'anaviy kvant o'lchovlari odatda bir vaqtning o'zida barcha ma'lumotlarni to'playdi - masalan, aniq shakl yoki aniq rangni aniqlash - bir necha marta qisman ma'lumot olish o'rniga. Lekin buni o'ta texnik qiyinchiliklarga qaramay amalga oshirish mumkin. Shu tariqa biz kvant nazariyasidagi “ko‘p olamlar” tushunchasining kengayishiga ma’lum bir matematik va eksperimental ma’no berishimiz va uning realligini ko‘rsatishimiz mumkin.

Salom, aziz o'quvchilar! Blogga xush kelibsiz!

Oddiy so'zlar bilan kvant chalkashlik nima? Teleportatsiya - bu mumkinmi? Teleportatsiya imkoniyati eksperimental tarzda isbotlanganmi? Eynshteynning dahshatli tushi nima? Ushbu maqolada siz ushbu savollarga javob olasiz.

Kirish

Ilmiy-fantastik filmlar va kitoblarda teleportatsiyaga tez-tez duch kelamiz. Nima uchun yozuvchilar o'ylab topgan narsalar oxir oqibat bizning haqiqatimizga aylanadi, deb hech o'ylab ko'rganmisiz? Qanday qilib ular kelajakni bashorat qilishga muvaffaq bo'lishadi? Menimcha, bu tasodif emas. Fantast yozuvchilar ko'pincha fizika va boshqa fanlar bo'yicha keng bilimga ega bo'lib, bu ularning sezgi va g'ayrioddiy tasavvurlari bilan birgalikda o'tmishni retrospektiv tahlil qilish va kelajakdagi voqealarni taqlid qilishga yordam beradi.

Maqolada siz quyidagilarni bilib olasiz:

• Kvant chigalligi nima?
• Eynshteynning Bor bilan tortishuvi. Kim haq?
• Teleportatsiya eksperimental tarzda tasdiqlanganmi?

Kontseptsiya "kvant chigalligi" kvant mexanikasi tenglamalaridan kelib chiqadigan nazariy farazdan kelib chiqqan. Bu shuni anglatadiki: agar 2 ta kvant zarralari (ular elektronlar, fotonlar bo'lishi mumkin) o'zaro bog'liq bo'lib chiqsa (chaqaloq bo'lsa), ular koinotning turli qismlariga bo'lingan bo'lsa ham, aloqa saqlanib qoladi.

Kvant chalkashligining kashfiyoti teleportatsiyaning nazariy imkoniyatlarini tushuntirishga yordam beradi.

Qisqasi, keyin aylanish kvant zarrasining (elektron, foton) o'z burchak momenti deyiladi. Spin vektor sifatida, kvant zarrasining o'zi esa mikroskopik magnit sifatida ifodalanishi mumkin.

Hech kim kvantni, masalan, elektronni kuzatmasa, u bir vaqtning o'zida barcha spin qiymatlariga ega ekanligini tushunish muhimdir. Kvant mexanikasining ushbu asosiy tushunchasi "superpozitsiya" deb ataladi.

Tasavvur qiling-a, sizning elektroningiz bir vaqtning o'zida soat yo'nalishi bo'yicha va soat sohasi farqli ravishda aylanadi. Ya'ni, u bir vaqtning o'zida ikkala spin holatida (vektor yuqoriga / vektor pastga). Tanishtirdi? KELISHDIKMI. Ammo kuzatuvchi paydo bo'lishi va uning holatini o'lchashi bilan elektronning o'zi qaysi spin vektorini qabul qilish kerakligini aniqlaydi - yuqoriga yoki pastga.

Elektron spin qanday o'lchanganini bilmoqchimisiz? U magnit maydonga joylashtirilgan: spini maydon yo'nalishiga qarama-qarshi bo'lgan va maydon yo'nalishi bo'yicha spinli elektronlar burilib ketadi. turli tomonlar. Foton spinlari ularni polarizatsiya filtriga yo'naltirish orqali o'lchanadi. Agar fotonning spini (yoki polarizatsiyasi) "-1" bo'lsa, u filtrdan o'tmaydi, agar u "+1" bo'lsa, u holda o'tadi.

Xulosa. Bir elektronning holatini o'lchaganingizdan va uning spini "+1" ekanligini aniqlaganingizdan so'ng, u bilan bog'langan yoki "to'ralgan" elektron "-1" spin qiymatini oladi. Va bir zumda, hatto u Marsda bo'lsa ham. Garchi 2-elektronning holatini o'lchashdan oldin, u bir vaqtning o'zida ikkala spin qiymatiga ega ("+1" va "-1").

Matematik jihatdan isbotlangan bu paradoks Eynshteynni unchalik yoqtirmasdi. Chunki yorug'lik tezligidan kattaroq tezlik yo'qligi uning kashfiyotiga zid edi. Ammo chigallashgan zarralar tushunchasi isbotlandi: agar chigal zarralardan biri Yerda, ikkinchisi Marsda bo'lsa, 1-zarrachaning holati o'lchanayotgan paytda bir zumda ( tezroq tezlik yorug'lik) 2-zarrachaga qanday spin qiymatini olishi kerakligi haqida ma'lumot uzatadi. Ya'ni: qarama-qarshi ma'no.

Eynshteynning Bor bilan tortishuvi. Kim haq?

Eynshteyn "kvant chigalligi" deb atagan SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (nemis) yoki uzoqdan qo'rqinchli, sharpali, g'ayritabiiy harakat.

Eynshteyn Borning kvant zarralarining chigallanishi haqidagi talqiniga qo'shilmadi. Chunki u axborotni yorug'lik tezligidan tezroq uzatib bo'lmaydi, degan nazariyasiga zid edi. 1935 yilda u tavsiflovchi maqola chop etdi fikrlash tajribasi. Ushbu tajriba "Eynshteyn-Podolskiy-Rozen paradoksi" deb nomlangan.

Eynshteyn bog'langan zarralar mavjud bo'lishi mumkinligiga rozi bo'ldi, lekin ular o'rtasida ma'lumotni bir lahzada uzatishni boshqacha tushuntirish bilan chiqdi. U "chalkash zarralar" dedi balki bir juft qo'lqop kabi. Tasavvur qiling-a, sizda qo'lqop bor. Chapni bitta chamadonga, o'ngni esa ikkinchisiga qo'yasiz. Siz birinchi chamadonni do'stingizga, ikkinchisini esa Oyga yubordingiz. Do'sti chamadonni olganida, u chamadonda chap yoki o'ng qo'lqop borligini bilib oladi. U chamadonni ochib, ichida chap qo‘lqop borligini ko‘rgach, Oyda o‘ng qo‘lqop borligini bir zumda bilib qoladi. Va bu do'st chap qo'lqop chamadonda ekanligiga ta'sir qilgan degani emas va chap qo'lqop bir zumda ma'lumotni o'ngga uzatgan degani emas. Bu faqat qo'lqoplarning xossalari ular ajratilgan paytdan boshlab bir xil bo'lganligini anglatadi. Bular. chigallashgan kvant zarralari dastlab ularning holatlari haqidagi ma'lumotlarni o'z ichiga oladi.

Bog'langan zarralar, hatto ular juda katta masofalarda bo'linsa ham, bir zumda bir-biriga ma'lumot uzatadi, deb ishonganida, Bor kim haq edi? Yoki Eynshteyn, hech qanday g'ayritabiiy aloqa yo'qligiga ishongan va hamma narsa o'lchov momentidan ancha oldin aniqlangan.

Bu munozara 30 yil davomida falsafa maydoniga ko'chdi. O'shandan beri nizo hal qilindimi?

Bell teoremasi. Mojaro hal qilindimi?

Jon Klauzer, hali Kolumbiya universitetida aspirant bo'lganida, topildi unutilgan ish Irlandiyalik fizik Jon Bell. Bu sensatsiya edi: ma'lum bo'ldi Bell Bor va Eynshteyn o'rtasidagi nosozlikni bartaraf etishga muvaffaq bo'ldi.. U ikkala gipotezani eksperimental tekshirishni taklif qildi. Buning uchun u ko'p juft chigallashgan zarrachalarni yaratadigan va taqqoslaydigan mashina yasashni taklif qildi. Jon Klauzer bunday mashinani ishlab chiqishni boshladi. Uning mashinasi minglab juft chigal zarrachalarni yaratishi va ularni solishtirishi mumkin edi turli parametrlar. Eksperimental natijalar Borning haqligini isbotladi.

Tez orada frantsuz fizigi Alen Aspe eksperimentlar o'tkazdi, ulardan biri Eynshteyn va Bor o'rtasidagi tortishuvning mohiyatiga tegishli edi. Bu tajribada bitta zarrachaning o'lchami boshqasiga bevosita ta'sir qilishi mumkin, agar 1-dan 2-gachasi signal yorug'lik tezligidan yuqori tezlikda o'tgan bo'lsa. Ammo Eynshteynning o'zi bu mumkin emasligini isbotladi. Faqat bitta tushuntirish qoldi - zarralar orasidagi tushunarsiz, g'ayritabiiy bog'liqlik.

Eksperimental natijalar kvant mexanikasi haqidagi nazariy farazning to‘g‘riligini isbotladi. Kvant chigalligi haqiqatdir ( Kvant chigalligi Vikipediya). Kvant zarralari katta masofalarga qaramay ulanishi mumkin. Bitta zarraning holatini o'lchash undan uzoqda joylashgan 2-zarrachaning holatiga xuddi ular orasidagi masofa bo'lmagandek ta'sir qiladi. G'ayritabiiy uzoq masofali aloqa haqiqatda sodir bo'ladi.

Savol qoladi: teleportatsiya mumkinmi?

Teleportatsiya eksperimental tarzda tasdiqlanganmi?

2011 yilda yapon olimlari dunyoda birinchi bo'lib fotonlarni teleport qilishgan! Yorug'lik nuri bir zumda A nuqtadan B nuqtaga ko'chirildi.

Agar siz kvant chalkashliklari haqida o'qiganlaringizning barchasi 5 daqiqada hal qilinishini istasangiz, ushbu ajoyib videoni tomosha qiling.

Ko'rishguncha!

Barchangizga qiziqarli, ilhomlantiruvchi loyihalar tilayman!

P.S. Agar maqola siz uchun foydali va tushunarli bo'lsa, uni baham ko'rishni unutmang.

P.S. Fikr va savollaringizni izohlarda yozing. Kvant fizikasi bo'yicha yana qanday savollar sizni qiziqtiradi?

P.S. Blogga obuna bo'ling - maqola ostidagi obuna shakli.

Kvant chalkashligi yoki Albert Eynshteyn aytganidek, "uzoqdagi qo'rqinchli harakat" kvant mexanik hodisa bo'lib, unda ikki yoki undan ortiq ob'ektlarning kvant holatlari o'zaro bog'liqdir. Ob'ektlar bir-biridan ko'p kilometr uzoqda bo'lsa ham, bu qaramlik saqlanib qoladi. Masalan, siz bir juft fotonni o'rab olishingiz, ulardan birini boshqa galaktikaga olib borishingiz va keyin ikkinchi fotonning spinini o'lchashingiz mumkin - va u birinchi fotonning spiniga qarama-qarshi bo'ladi va aksincha. Ular katta masofalarga ma'lumotlarni bir zumda uzatish yoki hatto teleportatsiya uchun kvant chalkashligini moslashtirishga harakat qilmoqdalar.

Shotlandiyaning Glazgo universiteti fiziklari olimlar zarrachalarning birinchi fotosuratini olishga muvaffaq bo'lgan tajriba haqida xabar berishdi. Fizika me'yorlari bo'yicha shunchalik g'alati hodisaki, hatto 20-asrning buyuk olimi buni "uzoqdan qo'rqinchli harakat" deb atagan. Shotlandiya olimlarining yutug'i yangi texnologiyalarni rivojlantirish uchun juda muhimdir. Nega? Keling, buni aniqlaylik.

Biz allaqachon qurilmalar vaqti-vaqti bilan dunyoning turli burchaklarida sinovdan o'tkazilayotgani haqida bir necha bor yozgan edik. kvant aloqasi. Aftidan, bularning barchasi yaqin orada tajribalardan nariga o'tmaydi, biroq Sinxua axborot agentligi xabar berishicha, Xitoy mamlakatda birinchi tijorat ultra-xavfsiz kvant aloqa tarmog'ini yaratishni yakunladi. Yaqin kunlarda foydalanishga topshirish rejalashtirilgan.

Juda ko'p .. lar bor mashhur maqolalar, bu kvant chigalligi haqida gapiradi. Kvant chalkashliklari bilan o'tkazilgan tajribalar juda ta'sirli, ammo hech qanday sovrin olmagan. Nega bunday tajribalar oddiy odam uchun qiziq, olimlarni qiziqtirmaydi? Mashhur maqolalar haqida gapiradi ajoyib xususiyatlar chigallashgan zarrachalar juftlari - biriga ta'sir qilish ikkinchisining holatini bir zumda o'zgartirishga olib keladi. Va "kvant teleportatsiyasi" atamasi orqasida nima yashiringan bo'lsa, u allaqachon sodir bo'ladi deb aytila ​​boshlandi. superlyuminal tezlik. Keling, bularning barchasini oddiy kvant mexanikasi nuqtai nazaridan ko'rib chiqaylik.

Kvant mexanikasidan kelib chiqadigan narsa

Ko'ra, kvant zarralari ikki xil holatda bo'lishi mumkin klassik darslik Landau va Lifshitz - sof va aralash. Agar zarracha boshqa kvant zarralari bilan o'zaro ta'sir qilmasa, u faqat uning koordinatalari yoki momentiga bog'liq bo'lgan to'lqin funktsiyasi bilan tavsiflanadi - bu holat sof deyiladi. Bu holda to'lqin funksiyasi Shredinger tenglamasiga bo'ysunadi. Boshqa variant ham mumkin - zarracha boshqa kvant zarralari bilan o'zaro ta'sir qiladi. Bunday holda, to'lqin funktsiyasi o'zaro ta'sir qiluvchi zarralarning butun tizimiga taalluqlidir va ularning barcha dinamik o'zgaruvchilariga bog'liq. Agar bizni faqat bitta zarracha qiziqtirsa, uning holati, 90 yil oldin Landau ko'rsatganidek, matritsa yoki zichlik operatori orqali tasvirlanishi mumkin. Zichlik matritsasi Shredinger tenglamasiga o'xshash tenglamaga bo'ysunadi

Zichlik matritsasi qayerda, H Gamilton operatori bo'lib, qavslar kommutatorni bildiradi.

Landau uni tashqariga olib chiqdi. Berilgan zarrachaga tegishli har qanday fizik miqdorlarni zichlik matritsasi orqali ifodalash mumkin. Bu holat aralash deb ataladi. Agar bizda o'zaro ta'sir qiluvchi zarralar tizimi mavjud bo'lsa, unda zarralarning har biri aralash holatda bo'ladi. Agar zarralar uzoq masofalarga tarqalib, o'zaro ta'sir yo'qolsa, ularning holati hali ham aralash bo'lib qoladi. Agar bir necha zarrachalarning har biri sof holatda bo‘lsa, unda bunday tizimning to‘lqin funksiyasi zarrachalarning har birining to‘lqin funksiyalarining hosilasi bo‘ladi (agar zarrachalar har xil bo‘lsa. Bir xil zarrachalar, bozonlar yoki fermionlar uchun . simmetrik yoki antisimmetrik birikma hosil qiling, lekin bu haqda keyinroq zarralar, fermionlar va bozonlarning identifikatsiyasi allaqachon relyativistik kvant nazariyasidir.

Juft zarrachalarning chigallashgan holati - turli zarrachalarga tegishli fizik miqdorlar o'rtasida doimiy bog'liqlik mavjud bo'lgan holat. Oddiy va eng keng tarqalgan misol, ma'lum bir umumiy jismoniy miqdor, masalan, juftlikning umumiy spini yoki burchak momenti saqlanib qoladi. Bunda bir juft zarracha sof holatda, lekin zarrachalarning har biri aralash holatda bo'ladi. Bir zarraning holatining o'zgarishi darhol boshqa zarraning holatiga ta'sir qiladigandek tuyulishi mumkin. Agar ular uzoqqa tarqalib, o'zaro aloqa qilmasa ham, bu mashhur maqolalarda ifodalangan. Bu hodisa allaqachon kvant teleportatsiyasi deb atalgan, hatto ba'zi savodsiz jurnalistlar o'zgarish bir zumda sodir bo'ladi, ya'ni u yorug'lik tezligidan tezroq tarqaladi.

Keling, buni kvant mexanikasi nuqtai nazaridan ko'rib chiqaylik, birinchidan, faqat bitta zarraning spinini yoki burchak momentini o'zgartiradigan har qanday ta'sir yoki o'lchov umumiy xarakteristikaning saqlanish qonunini darhol buzadi. Tegishli operator to'liq aylanish yoki to'liq burchak momentum bilan ishlay olmaydi. Shunday qilib, bir juft zarrachalar holatining dastlabki chigallashishi buziladi. Ikkinchi zarraning spini yoki impulsi endi birinchisiniki bilan bir ma'noda bog'lanishi mumkin emas. Bu muammoga boshqa tomondan qarashimiz mumkin. Zarrachalar orasidagi o'zaro ta'sir yo'qolganidan so'ng, har bir zarrachaning zichlik matritsasi evolyutsiyasi boshqa zarrachaning dinamik o'zgaruvchilari kiritilmagan o'z tenglamasi bilan tavsiflanadi. Shuning uchun bir zarrachaga ta'sir qilish ikkinchisining zichlik matritsasi o'zgarmaydi.

Hatto Eberxard teoremasi ham mavjud bo'lib, u ikki zarrachaning o'zaro ta'sirini o'lchovlar bilan aniqlab bo'lmaydi. Zichlik matritsasi bilan tasvirlangan kvant sistemasi bo'lsin. Va bu tizim ikkita kichik tizim A va B dan iborat bo'lsin. Eberxard teoremasi faqat A quyi tizim bilan bog'liq kuzatiladigan ob'ektlarning hech qanday o'lchovi faqat B kichik tizim bilan bog'liq bo'lgan hech qanday kuzatiladiganlarni o'lchash natijasiga ta'sir qilmasligini ta'kidlaydi. Biroq, teoremaning isboti. kamaytirish gipotezasidan foydalanadi to'lqin funktsiyasi, bu na nazariy, na eksperimental jihatdan isbotlanmagan. Ammo bu dalillarning barchasi relyativistik bo'lmagan kvant mexanikasi doirasida yaratilgan va turli xil, bir xil bo'lmagan zarralar bilan bog'liq.

Bu argumentlar ishlamaydi relativistik nazariya bir xil zarrachalar juftligi holatida. Yana bir bor eslatib o'tamanki, zarralarning o'ziga xosligi yoki farqlanmasligi zarrachalar soni saqlanmagan relyativistik kvant mexanikasidan kelib chiqadi. Biroq, sekin zarralar uchun biz zarrachalarning farqlanmasligini ta'minlash orqali relativistik bo'lmagan kvant mexanikasining oddiy apparatlaridan foydalanishimiz mumkin. Keyin juftlikning to'lqin funksiyasi zarrachalarning almashinishiga nisbatan simmetrik (bozonlar uchun) yoki antisimmetrik (fermionlar uchun) bo'lishi kerak. Bunday talab zarracha tezligidan qat'i nazar, relyativistik nazariyada paydo bo'ladi. Aynan shu talab bir xil zarrachalar juftlari orasidagi uzoq masofali korrelyatsiyaga olib keladi. Aslida, proton va elektron ham chigal holatda bo'lishi mumkin. Biroq, agar ular bir necha o'nlab angstromlar bilan ajralib tursa, u holda o'zaro ta'sir elektromagnit maydonlar va boshqa zarralar bu holatni yo'q qiladi. Tajribalar shuni ko'rsatadiki, almashinuv o'zaro ta'siri (bu hodisa shunday deyiladi) makroskopik masofalarda ishlaydi. Bir juft zarracha, hatto metr bilan ajratilgan bo'lsa ham, farqlanmaydi. Agar siz o'lchov qilsangiz, unda o'lchangan qiymat qaysi zarrachaga tegishli ekanligini aniq bilmaysiz. Siz bir vaqtning o'zida bir nechta zarrachalar ustida o'lchov o'tkazyapsiz. Shuning uchun barcha ajoyib tajribalar aynan bir xil zarralar - elektronlar va fotonlar bilan o'tkazildi. To'g'risini aytganda, bu relativistik bo'lmagan kvant mexanikasi doirasida ko'rib chiqiladigan aynan chigal holat emas, balki shunga o'xshash narsa.

Keling, eng oddiy holatni ko'rib chiqaylik - bir xil o'zaro ta'sir qilmaydigan zarralar juftligi. Agar tezliklar kichik bo'lsa, biz zarrachalarning almashinishiga nisbatan to'lqin funksiyasining simmetriyasini hisobga olgan holda relativistik bo'lmagan kvant mexanikasidan foydalanishimiz mumkin. Birinchi zarrachaning to'lqin funksiyasi , ikkinchi zarracha - , bu erda va birinchi va ikkinchi zarrachalarning dinamik o'zgaruvchilari, eng oddiy holatda - faqat koordinatalar bo'lsin. Keyin juftlikning to'lqin funksiyasi

+ va - belgilari bozon va fermionlarga tegishli. Faraz qilaylik, zarralar bir-biridan uzoqda. Keyin ular mos ravishda 1 va 2-sonli uzoq hududlarda lokalizatsiya qilinadi, ya'ni bu hududlardan tashqarida ular kichikdir. Keling, birinchi zarrachaning ba'zi o'zgaruvchilarining o'rtacha qiymatini hisoblashga harakat qilaylik, masalan, koordinatalar. Oddiylik uchun biz to'lqin funktsiyalari faqat koordinatalarni o'z ichiga oladi, deb tasavvur qilishimiz mumkin. Ma'lum bo'lishicha, 1-zarracha koordinatalarining o'rtacha qiymati 1 va 2-hududlar O'rtasida yotadi va u 2-zarrachaning o'rtacha qiymatiga to'g'ri keladi. Bu aslida tabiiydir - zarrachalarni ajratib bo'lmaydi, biz qaysi zarrachaning koordinatalari o'lchanganini bilolmaymiz. . Umuman olganda, 1 va 2 zarralar uchun barcha o'rtacha qiymatlar bir xil bo'ladi. Bu shuni anglatadiki, 1-zarrachaning lokalizatsiya mintaqasini siljitish orqali (masalan, zarracha kristall panjaradagi nuqson ichida lokalizatsiya qilinadi va biz butun kristalni harakatga keltiramiz), zarralar odatiy ma'noda o'zaro ta'sir qilmasa ham, biz 2-zarraga ta'sir qilamiz. - masalan, elektromagnit maydon orqali. Bu relativistik chalkashlikning oddiy misolidir.

Ikki zarracha o'rtasidagi bu korrelyatsiya tufayli ma'lumotni bir zumda uzatish yo'q. Relyativistik kvant nazariyasi apparati dastlab shunday qurilganki, fazo-vaqtda yorug'lik konusining qarama-qarshi tomonlarida joylashgan hodisalar bir-biriga ta'sir eta olmaydi. Oddiy qilib aytganda, hech qanday signal, hech qanday ta'sir yoki bezovtalik yorug'likdan tezroq harakat qila olmaydi. Ikkala zarracha ham bir xil maydonning holatidir, masalan, elektron-pozitron. Maydonga bir nuqtada (1-zarracha) ta'sir qilish orqali biz suvda to'lqinlar kabi tarqaladigan buzilish hosil qilamiz. Relyativistik bo'lmagan kvant mexanikasida yorug'lik tezligi cheksiz katta deb hisoblanadi, bu esa bir lahzali o'zgarish illyuziyasini keltirib chiqaradi.

Katta masofalar bilan ajratilgan zarralar juft-juft bo'lib qoladigan holat zarralar haqidagi klassik g'oyalar tufayli paradoksal ko'rinadi. Shuni yodda tutishimiz kerakki, zarrachalar emas, balki maydonlar mavjud. Biz zarralar deb o'ylagan narsamiz shunchaki bu maydonlarning holatidir. Zarrachalarning klassik g'oyasi mikrodunyoda mutlaqo mos emas. Hajmi, shakli, materiali va tuzilishi haqida darhol savollar tug'iladi elementar zarralar. Darhaqiqat, klassik fikrlash uchun paradoksal bo'lgan vaziyatlar ham bir zarra bilan yuzaga keladi. Misol uchun, Shtern-Gerlax tajribasida vodorod atomi tezlikka perpendikulyar yo'naltirilgan bir xil bo'lmagan magnit maydon orqali uchadi. Elektron spini dastlab tezlik bo'ylab yo'naltirilgan bo'lsa ham, yadro magnetonining kichikligi tufayli yadro spinini e'tiborsiz qoldirish mumkin.

Atomning to'lqin funktsiyasining evolyutsiyasini hisoblash qiyin emas. Dastlabki lokalizatsiya qilingan to'lqin paketi asl yo'nalishga burchak ostida nosimmetrik ravishda uchib, ikkita bir xilga bo'linadi. Ya'ni, odatda klassik traektoriyaga ega bo'lgan klassik hisoblangan og'ir zarracha atom, juda makroskopik masofalarga ucha oladigan ikkita to'lqin paketiga bo'linadi. Shu bilan birga, shuni ta'kidlaymanki, hisob-kitoblardan kelib chiqadiki, hatto ideal Shtern-Gerlax tajribasi ham zarrachaning spinini o'lchashga qodir emas.

Agar detektor vodorod atomini, masalan, kimyoviy jihatdan bog'lasa, u holda "yarmlar" - ikkita tarqalgan to'lqin paketlari bittaga to'planadi. Qoplangan zarrachaning bunday lokalizatsiyasi qanday sodir bo'ladi - alohida mavjud nazariya, men tushunmayman. Qiziqqanlar ushbu mavzu bo'yicha keng qamrovli adabiyotlarni topishlari mumkin.

Xulosa

Savol tug'iladi: katta masofadagi zarralar o'rtasidagi korrelyatsiyani ko'rsatadigan ko'plab tajribalarning ma'nosi nima? Hech bir oddiy fizik uzoq vaqtdan beri shubha qilmagan kvant mexanikasini tasdiqlashdan tashqari, bu ilm-fanga mablag 'ajratadigan jamoatchilik va havaskor amaldorlarni hayratda qoldiradigan ajoyib namoyish (masalan, kvant aloqa liniyalarini rivojlantirish Gazprombank tomonidan homiylik qilinadi). Fizika uchun bu qimmat namoyishlar hech qanday natija bermaydi, garchi ular eksperimental texnikani ishlab chiqishga imkon beradi.

Adabiyot
1. Landau, L. D., Lifshits, E. M. Kvant mexanikasi (relyativistik bo'lmagan nazariya). - 3-nashr, qayta ko'rib chiqilgan va kengaytirilgan. - M.: Nauka, 1974. - 752 b. - (“ Nazariy fizika", III jild).
2. Eberhard, P.H., “Bell teoremasi va nolokallikning turli tushunchalari”, Nuovo Cimento 46B, 392-419 (1978)