У дома > Растения > Вселената е като холограма. Няма ли място за реализъм в квантовия свят? Конфликт с квантовата механика


Вселената е като холограма. Няма ли място за реализъм в квантовия свят? Конфликт с квантовата механика




Физици от Австрия и Полша получиха ново експериментално потвърждение на свойствата на квантовите обекти, които са парадоксални от гледна точка на класическата физика. Това се казва в статия на професор Антон Цайлингер от Виенския университет (Anton Zeilinger) и неговите колеги, която се появи на 19 април в сп. природата.

Тази работа продължава вече четвъртвековна традиция на експерименти за тестване на така наречените неравенства на Бел, започнати през 1982 г. от френския физик Ален Аспект. През 1964 г. ирландският физик Джон Бел, който работи в ЦЕРН, посочва възможността за експериментална проверка на принципа на местния реализъм, който Алберт Айнщайн смята за незаменим атрибут на всяка разумна физическа теория. Айнщайн вярва, че резултатите от определянето на всякакви измерими параметри на физическа система, първо, са напълно определени от нейното състояние преди акта на измерване и, второ, не могат да се променят под въздействието на каквито и да е отдалечени събития, ако не се обявяват предварително чрез сигнали, скорост, която не надвишава скоростта на светлината. От гледна точка на Айнщайн, първото изискване изразява идеята за реализъм на физическото описание, а второто - изискването за локалност.

Бел е първият, който осъзнава, че принципът на местния реализъм подлежи на строга експериментална проверка. Той доказа теорема от фундаментално значение (виж теоремата на Бел), от която следва, че при спазване на този принцип корелациите между измерими физически величини трябва да удовлетворяват определени отношения, които сега се наричат ​​неравенства на Бел. С течение на времето възниква цял клон на теоретичната физика, посветен на търсенето на нови версии на тази теорема и неравенствата, които следват от нея.

Експерименталната проверка на теоремата на Бел беше много забавена поради много технически трудности. Едва през 1982 г., аспирант в Парижкия университет, а сега професор във Висшето политехническо училище на Франция, академик Ален Аспе провежда серия от прецизни експерименти с двойно свързани светлинни кванти, които демонстрират нарушаването на неравенствата на Бел (измерените параметри са посоките на линейна поляризация на тези кванти). По-късно подобни експерименти бяха повторени повече от веднъж от други физици, и то не само с фотони, и с абсолютно същите резултати. В крайна сметка сред физиците преобладава мнението, че квантовомеханичните обекти, за разлика от класическите, не могат да бъдат описани с теории, които едновременно удовлетворяват изискванията за реализъм и локалност.

Експерименталната проверка на теоремата на Бел и нейните по-късни модификации обаче по никакъв начин не затвориха проблема за тълкуването на дълбокия смисъл на квантовомеханичното описание на реалността, а напротив, изведе го на ново ниво. Ако квантовите теории не могат да бъдат едновременно реалистични и локални, какво следва от това? Възможно ли е да се запази локалността в квантовата механика, като се жертва реализъм? Или да запазите реализма, като изхвърлите локалността (а това, напомням, е забрана за удари, разпространяващи се със свръхсветлинна скорост)? Или трябва да отидем още по-далеч, като изоставим както реализма, така и локалността? Или, което не е изключено, този избор е само въпрос на вкус?

Цайлингер и неговите колеги не са намерили изход от този концептуален лабиринт, но въпреки това се движат в тази посока. Подобно на Aspe, те също работеха с двойки неразделно свързани (както физиците казват, заплетени) фотони, измервайки техните поляризационни параметри. В същото време те изхождаха от такова определение за пълнота на физическо описание, което изрично не съдържаше изискването за местност. Това определение включва три разпоредби, първата от които е изискването за реализъм. Втора точка: всяка система от светлинни кванти е статистическа смес от фотонни ансамбли с определени стойности на поляризация. Трета точка: параметрите на поляризацията на тези ансамбли отговарят на класическия закон на Малус (този закон гласи, че интензитетът на линейно поляризирана светлина след преминаване през анализатора се променя пропорционално на квадрата на косинуса на ъгъла между поляризационните равнини на падащата светлина и анализатора). Авторите на статията в природатапоказа, че някои неравенства също следват от тези изисквания, които трябва да бъдат задоволени чрез експериментално измерени корелации между поляризационните характеристики на светлината. Тези неравенства обаче се оказват по-сложни от тези на Бел и за да ги тества човек трябва да експериментира с елиптично поляризирана светлина. Такива измервания са технически много по-сложни от експериментите на Aspe с линейно поляризирани фотони.

Zeilinger и колегите откриха, че модифицираните неравенства също се провалят. Това означава, че в света на квантовата механика реализмът е несъвместим не само с локалността, но и с много широк клас нелокални описания. Вярно е, че е възможно да има някои форми на нелокалност, които не противоречат на реализма. Въпреки това, авторите на статията природатанаправи алтернативно заключение. Според тях експериментът с елиптично поляризирана светлина показа, че несъвместимостта между квантовата механика и идеала на класическия реализъм е много по-силна, отколкото повечето физици смятат и смятат. Например може да се предположи, че всеки фотон от изследвания ансамбъл е по някакъв начин поляризиран, но в този случай не може да му се припише специфичен поляризационен параметър.

За да разберем как това заключение противоречи на нашия ежедневен опит, представете си неговия класически аналог: продавачът казва на купувача, че може да предложи няколко конкретни марки вино, но по принцип не може да прочете етикета на нито една бутилка. Физиците от групата на Цайлингер дори не изключват необходимостта от изоставяне на такива постулати на науката като аристотеловата логика или невъзможността да се повлияе върху миналото. Както и да е, както самият Аспе посочи в коментар, публикуван в същия брой природата, резултатите от групата на Цайлингер биха могли да бъдат началото на „по-задълбочено разбиране на големите мистерии на квантовата механика“.

Източници:
1) Simon Groblacher et al. Експериментален тест за нелокален реализъм // природата. Т. 446. С. 871-875.
2) Ален Аспект. Квантова механика: Да бъдеш или не да бъдеш локален // природата. Т. 446. С. 866-867.

Алексей Левин

През 1982 г. се случва забележително събитие. В Парижкия университет изследователски екип, ръководен от физика Ален Аспект, проведе един от най-значимите експерименти на 20-ти век. Не сте чували за това във вечерните новини. Всъщност, ако не сте свикнали да четете научни списания, има вероятност дори да не сте чували името Ален Аспект, въпреки че някои учени смятат, че откритието му може да промени лицето на науката.

Аспект и неговият екип са открили, че при определени условия елементарните частици, като електроните, могат моментално да комуникират помежду си, независимо от разстоянието между тях. Няма значение дали има 10 фута между тях или 10 милиарда мили. По някакъв начин всяка частица винаги знае какво прави другата.

Проблемът с това откритие е, че той нарушава постулата на Айнщайнза пределната скорост на разпространение на взаимодействие, равна на скоростта на светлината. Тъй като пътуването по-бързо от скоростта на светлината е равносилно на преодоляване на времева бариера, тази плашеща перспектива накара някои физици да се опитат да обяснят експериментите на Аспект в сложни заобикалящи решения. Но това вдъхнови други да предложат още по-радикални обяснения.

Например физикът от Лондонския университет Дейвид Бом смята, че откриването на Аспект предполага, че обективната реалност не съществува, че въпреки привидната си плътност, Вселената е основно фантазия, гигантска, луксозно подробна холограма.

За да разберем защо Бом стигна до такова поразително заключение, трябва да поговорим за холограмите.

Холограмата е триизмерна снимка, направена с лазер. За да се създаде холограма, обектът, който ще се снима, първо трябва да бъде осветен от лазерна светлина. След това вторият лазерен лъч, добавяйки отразената светлина от обекта, дава интерференционен модел, който може да бъде записан върху филма. Готовата картина изглежда като безсмислено редуване на светли и тъмни линии. Но веднага щом изображението бъде осветено с друг лазерен лъч, веднага се появява триизмерно изображение на оригиналния обект.

Триизмерността не е единственото забележително свойство, присъщо на холограмата. Ако холограмата на роза бъде разрязана наполовина и осветена с лазер, всяка половина ще съдържа цяло изображение на същата роза в точно същия размер. Ако обаче продължим да режем холограмата на по-малки парчета, върху всяко от тях отново ще открием изображение на целия обект като цяло. За разлика от конвенционалната снимка, всяка област от холограмата съдържа информация за целия обект, но с пропорционално съответно намаляване на яснотата.

Принципът на холограмата „всичко във всяка част“ ни позволява да подходим към въпроса за организацията и реда по принципно нов начин. През почти цялата си история западната наука еволюира с идеята, че най-добрият начин да се разбере физическо явление, независимо дали е жаба или атом, е да се дисекция и изследване на съставните му части. Холограмата ни показа, че някои неща във Вселената не могат да бъдат изследвани по този начин. Ако разчленим нещо, подредено холографски, няма да получим частите, от които се състои, но ще получим същото, но с по-малка точност.

Този подход вдъхнови Бом да преинтерпретира работата на Аспект. Бом беше сигурен, че елементарните частици взаимодействат на всяко разстояние, не защото обменят някакви мистериозни сигнали помежду си, а защото тяхното разделяне е илюзорно. Той обясни, че на някакво по-дълбоко ниво на реалността такива частици не са отделни единици, а всъщност са разширения на нещо по-фундаментално.

За да разбере по-добре това, Бом предложи следната илюстрация.

Представете си аквариум с риби. Представете си също, че не можете да видите директно аквариума, а само два телевизионни екрана, които предават изображения от камери, разположени една отпред и една отстрани на аквариума. Гледайки екраните, можете да заключите, че рибите на всеки от екраните са отделни обекти. Тъй като камерите предават изображения от различни ъгли, рибите изглеждат различно. Но докато продължавате да гледате, след известно време ще откриете, че има връзка между двете риби на различните екрани. Когато една риба се обърне, другата също променя посоката, малко по-различно, но винаги в съответствие с първата; когато видиш една риба отпред, другата със сигурност е в профил. Ако нямате пълна картина на ситуацията, по-вероятно е да заключите, че рибите трябва някак моментално да общуват помежду си, отколкото че това е съвпадение.

Бом твърди, че точно това се случва с елементарните частици в експеримента Aspect. Според Бом, очевидното свръхсветлинно взаимодействие между частиците ни казва, че има по-дълбоко ниво на реалността, скрито от нас, по-високо измерение от нашето, както в аналогията с аквариума. И, добавя той, ние виждаме частиците като отделни, защото виждаме само част от реалността. Частиците не са отделни „части“, а аспекти на по-дълбоко единство, което в крайна сметка е холографско и невидимо като розата, спомената по-горе. И тъй като всичко във физическата реалност се състои от тези „фантоми“, вселената, която наблюдаваме, сама по себе си е проекция, холограма.

Освен че е "фантомна", такава вселена може да има и други удивителни свойства. Ако привидното разделяне на частиците е илюзия, то на по-дълбоко ниво всички обекти в света могат да бъдат безкрайно свързани помежду си. Електроните във въглеродните атоми в нашия мозък са свързани с електроните във всяка плуваща сьомга, всяко биещо сърце, всяка мигаща звезда. Всичко взаимно прониква във всичко и въпреки че човешката природа има склонност да разделя всичко, да разчленява, да сортира всички природни явления, всички разделения непременно са изкуствени и природата в крайна сметка изглежда като нечуплива мрежа. В холографския свят дори времето и пространството не могат да бъдат взети за основа. Тъй като позиция като характеристика няма смисъл във вселена, където нищо не е наистина отделно едно от друго; времето и триизмерното пространство, като изображения на риби на екрани, ще трябва да се считат за нищо повече от проекции. На това по-дълбоко ниво реалността е нещо като супер-холограма, в която миналото, настоящето и бъдещето съществуват едновременно. Това означава, че с помощта на подходящи инструменти може да е възможно да се проникне дълбоко в тази суперхолограма и да се извлекат снимки от отдавна забравено минало.

Какво друго може да носи холограмата, все още далеч не е известно. Да предположим, например, че холограмата е матрица, която поражда всичко в света, поне съдържа всички елементарни частици, които са приели или някой ден ще приемат всяка възможна форма на материя и енергия, от снежинки до квазари, от синьо китове към гама лъчи. Това е като универсален супермаркет, в който има всичко.

Докато Бом призна, че няма как да разберем какво друго съдържа холограмата, той си позволи да твърди, че нямаме причина да предполагаме, че в нея няма нищо друго. С други думи, може би холографското ниво на света е само един от етапите на безкрайната еволюция.

Бом не е сам в стремежа си да изследва свойствата на холографския свят. Независимо от него, неврологът от Станфордския университет Карл Прибрам, който работи в областта на изследванията на сърдечните заболявания, също клони към холографската картина на света. Прибрам стига до това заключение, като размишлява над мистерията къде и как се съхраняват спомените в мозъка. Многобройни експерименти в продължение на десетилетия показват, че информацията не се съхранява в нито една конкретна област на мозъка, а се разпръсква в целия обем на мозъка. В поредица от решаващи експерименти през 20-те години на миналия век изследователят на мозъка Карл Лашли открива, че без значение коя част от мозъка на плъха е отстранил, той не може да накара условните рефлекси, развити в плъха, преди операцията да изчезнат. Единственият проблем беше, че никой не беше успял да измисли механизъм, който да обясни това смешно свойство на паметта „всичко във всяка част“.

По-късно, през 60-те години, Прибрам се сблъсква с принципа на холографията и осъзнава, че е открил обяснението, което невролозите търсят. Прибрам е сигурен, че паметта се съдържа не в неврони и не в групи неврони, а в поредица от нервни импулси, които „заплитат“ мозъка, точно както лазерен лъч „заплита“ парче от холограма, съдържаща цялото изображение. С други думи, Прибрам е сигурен, че мозъкът е холограма.

Теорията на Прибрам също обяснява как човешкият мозък може да съхранява толкова много спомени в толкова малко пространство. Предполага се, че Човешкият мозък може да запомни около 10 милиарда бита през целия живот.(съответстващо на приблизително количеството информация, съдържаща се в 5 комплекта на Енциклопедия Британика).

Установено е, че към свойствата на холограмите е добавена още една поразителна характеристика - огромна плътност на запис. Чрез просто промяна на ъгъла, под който лазерите осветяват филма, много различни изображения могат да бъдат записани на една и съща повърхност. Беше показано, че Един кубичен сантиметър филм може да съхранява до 10 милиарда бита информация..

Невероятната ни способност бързо да извличаме необходимата информация от нашата огромна памет става по-разбираема, ако приемем, че мозъкът работи като холограма. Ако приятел ви попита какво ви идва на ум, когато чуете думата „зебра“, не е нужно да прелиствате целия си речник, за да намерите отговора. Асоциации като "райета", "кон" и "живот в Африка" се появяват в главата ви моментално.

Наистина, едно от най-удивителните свойства на човешкото мислене е, че всяка информация е моментално и кръстосано корелирана с всяка друга - друго качество, присъщо на холограмата. Тъй като всяка част от холограмата е безкрайно взаимосвързана с която и да е друга, е напълно възможно тя да е най-високият естествен пример за кръстосано корелирани системи.

Местоположението на паметта не е единственият неврофизиологичен пъзел, който е станал по-решим в светлината на холографския модел на мозъка на Прибрам. Друг е как мозъкът е в състояние да преведе такава лавина от честоти, които възприема с различни сетива (честоти на светлината, звукови честоти и т.н.) в нашата конкретна представа за света. Честотите за кодиране и декодиране са точно това, което холограмата прави най-добре. Точно както холограмата служи като вид леща, устройство за предаване, способно да превърне привидно безсмислена смесица от честоти в кохерентно изображение, така и мозъкът, според Прибрам, съдържа такава леща и използва принципите на холографията, за да обработва математически честотите от сетивата във вътрешния свят на нашите възприятия.

Много доказателства сочат, че мозъкът използва принципа на холографията, за да функционира. Теорията на Прибрам намира все повече привърженици сред невролозите.

Аржентинско-италианският изследовател Хуго Зукарели наскоро разшири холографския модел до сферата на акустичните явления. Объркан от факта, че хората могат да определят посоката на източник на звук, без да обръщат главите си, дори ако само едното ухо работи, Зукарели откри, че принципите на холографията могат да обяснят и тази способност.

Той също така разработи холофонична технология за звукозапис, способна да възпроизвежда звукови пейзажи с почти невероятен реализъм.

Идеята на Прибрам, че мозъците ни математически конструират „твърда“ реалност, базирана на входните честоти, също получи брилянтна експериментална подкрепа. Установено е, че всеки един от нашите сетивни органи има много по-голям честотен диапазон на възприемчивост, отколкото се смяташе досега. Например, изследователите са открили, че нашите органи на зрение са чувствителни към звуковите честоти, че обонянието ни донякъде зависи от това, което днес се нарича „осмотични честоти“, и че дори клетките на нашето тяло са чувствителни към широк спектър от честоти. Подобни открития предполагат, че това е работа на холографската част на нашето съзнание, която трансформира отделните хаотични честоти в непрекъснато възприятие.

Но най-удивителният аспект на холографския мозъчен модел на Прибрам излиза наяве, когато се сравнява с теорията на Бом. Защото ако видимата физическа плътност на света е само вторична реалност, а това, което е „отвън“, всъщност е само холографски набор от честоти и ако мозъкът също е холограма и избира само някои честоти от този набор и математически превръща ги в сетивно възприятие, какво остава за обективната реалност?

Нека го кажем просто – престава да съществува. Както източните религии казват от незапомнени времена, материалният свят е Мая, илюзия, и въпреки че може да мислим, че сме физически и се движим във физическия свят, това също е илюзия.

Всъщност ние сме "приемници", плаващи в калейдоскопично море от честоти и всичко, което извличаме от това море и превръщаме във физическа реалност, е само един честотен канал от многото, извлечен от холограма.

Тази поразителна нова картина на реалността, синтез на възгледите на Бом и Прибрам, е наречена холографска парадигма и докато много учени са скептично настроени към нея, други са били насърчавани от нея. Малка, но нарастваща група изследователи вярват, че това е един от най-точните модели в света, предлагани досега. Освен това някои се надяват, че това ще помогне за разрешаването на някои мистерии, които преди това не са били обяснени от науката и дори да разглеждат паранормалното като част от природата.

Редица изследователи, включително Бом и Прибрам, заключават, че много парапсихологични явления стават все по-разбираеми от гледна точка на холографската парадигма.

Във вселена, в която индивидуалният мозък всъщност е неделима част, "квант" от голяма холограма и всичко е безкрайно свързано с всичко, телепатията може просто да достига холографското ниво. Става много по-лесно да се разбере как информацията може да бъде доставена от съзнание "А" до съзнание "Б" на всяко разстояние и да се обяснят много загадки на психологията. По-специално, Гроф предвижда, че холографската парадигма ще бъде в състояние да предложи модел за обяснение на много от озадачаващите феномени, наблюдавани от хора в променени състояния на съзнанието.

През 50-те години на миналия век, докато изследва LSD като психотерапевтично лекарство, Гроф работи с пациент, който внезапно се убеждава, че е женско праисторическо влечуго. По време на халюцинацията тя не само даде богато подробно описание на това какво е да си същество с такива форми, но и отбеляза цветните люспи на главата на мъж от същия вид. Гроф беше поразен от факта, че в разговор със зоолог беше потвърдено наличието на цветни люспи по главата на влечугите, което играе важна роля в игрите на чифтосване, въпреки че жената преди това нямаше представа за подобни тънкости.

Опитът на тази жена не беше уникален. По време на изследванията си Гроф се натъква на пациенти, които се връщат нагоре по стълбата на еволюцията и се идентифицират с различни видове (на базата на сцената на превръщането на човек в маймуна във филма „Променени състояния“). Освен това той установи, че подобни описания често съдържат малко известни зоологически подробности, които, когато бъдат проверени, се оказват точни.

Връщането към животните не е единственият феномен, описан от Гроф. Той също имаше пациенти, които очевидно можеха да се свържат с някаква област на колективното или расовото несъзнавано. Необразовани или лошо образовани хора изведнъж дадоха подробни описания на погребенията в зороастрийската практика или сцени на индуистката митология. В други преживявания хората дадоха убедителни описания на пътуване извън тялото, предсказания на картини на бъдещето, събития от минали прераждания.

В по-скорошни проучвания Гроф открива, че същият набор от явления се появяват в терапевтичните сесии без лекарства. Тъй като общ елемент на подобни експерименти беше разширяването на индивидуалното съзнание отвъд обичайните граници на егото и границите на пространството и времето, Гроф нарече подобни прояви "трансперсонален опит", а в края на 60-те, благодарение на него, нов клон на психологията, наречена "трансперсонална" психология, се появява изцяло посветена на тези области.

Въпреки че Асоциацията за трансперсонална психология, създадена от Гроф, беше бързо разрастваща се група от професионалисти с единомислещи мисли и се превърна в уважаван клон на психологията, нито самият Гроф, нито неговите колеги в продължение на много години можеха да предложат механизъм за обяснение на странните психологически явления, които наблюдаваха. Но тази двусмислена позиция се промени с появата на холографската парадигма.

Както Гроф наскоро посочи, ако съзнанието всъщност е част от континуум, лабиринт, свързан не само с всяко друго съзнание, което съществува или е съществувало, но и с всеки атом, организъм и огромен регион от пространството и времето, неговата способност да произволно тунел през лабиринта и преживяване на трансперсоналното, преживяването вече не изглежда толкова странно.

Холографската парадигма оставя своя отпечатък и върху така наречените точни науки, като биологията. Кийт Флойд, психолог от колежа във Вирджиния Интермонт, показа, че ако реалността е просто холографска илюзия, тогава вече не може да се твърди, че съзнанието е функция на мозъка. По-скоро, напротив, съзнанието създава присъствието на мозъка – точно както ние тълкуваме тялото и цялата ни среда като физически.

Това обръщане на нашите възгледи за биологичните структури позволи на изследователите да посочат, че медицината и нашето разбиране за лечебния процес също могат да се променят под влиянието на холографската парадигма. Ако видимата физическа структура на тялото не е нищо повече от холографска проекция на нашето съзнание, става ясно, че всеки от нас е много по-отговорен за здравето си, отколкото смята съвременната медицина. Това, което сега виждаме като мистериозен лек, всъщност може да се дължи на промяна в съзнанието, която е направила подходящи корекции в холограмата на тялото.

По същия начин, новите алтернативни терапии, като например изображенията, могат да работят толкова добре, точно защото в холографската реалност мисълта в крайна сметка е толкова реална, колкото „реалността“.

Дори откровенията и преживяванията на „другия свят” стават обясними от гледна точка на новата парадигма. Биологът Лайъл Уотсън в книгата си „Даровете на непознатото“ описва среща с индонезийска жена шаман, която, изпълнявайки ритуален танц, успя да накара цяла горичка от дървета моментално да изчезне във финия свят. Уотсън пише, че докато той и друг изненадан наблюдател продължават да я наблюдават, тя кара дърветата да изчезват и да се появяват отново няколко пъти подред.

Въпреки че съвременната наука не е в състояние да обясни подобни явления, те стават съвсем логични, ако приемем, че нашата "плътна" реалност не е нищо повече от холографска проекция. Може би можем да формулираме понятията "тук" и "там" по-точно, ако ги дефинираме на нивото на човешкото несъзнавано, в което всички съзнания са безкрайно тясно свързани помежду си.

Ако това е вярно, тогава това е най-значимото следствие на холографската парадигма като цяло, тъй като това означава, че явленията, наблюдавани от Уотсън, не са публични само защото умовете ни не са програмирани да им се доверяват, което би ги направило такива. В холографската вселена няма ограничения за възможностите за промяна на тъканта на реалността.

Това, което възприемаме като реалност, е просто платно, което чака НИЕ да сложим върху него всяка картина, която пожелаем. Всичко е възможно, от огъване на лъжици на воля до фантасмагоричните преживявания на Кастанеда в обучението му с дон Хуан, защото магията ни е дадена по рождение, не повече и не по-малко прекрасно от способността ни да създаваме нови светове в своите мечти и фантазии.

Разбира се, дори най-фундаменталните ни знания са подозрителни, защото в холографската реалност, както показа Прибрам, дори случайни събития трябва да се разглеждат с помощта на холографски принципи и да се разрешават по този начин. Синхроничността или съвпаденията изведнъж придобиват смисъл и всичко може да се разглежда като метафора, защото дори верига от случайни събития може да изрази някаква дълбока симетрия.

Независимо дали холографската парадигма на Бом и Прибрам придобива масово научно приемане или избледнява, с увереност може да се каже, че тя вече е повлияла на начина на мислене на много учени. И дори да се установи, че холографският модел не описва адекватно моменталното взаимодействие на елементарните частици, поне както посочва физикът от Birbeck College London Basil Hiley, откриването на Aspect „показа, че трябва да сме готови да разгледаме радикално нови подходи за разбиране на реалността."

Чух съобщение за това откритие от един умен човек около 1994 г., но в малко по-различна интерпретация. Опитът беше описан по следния начин. Потокът от елементарни частици премина някакъв път и удари целта. По средата на този път бяха измерени някои характеристики на частиците, очевидно тези, чието измерване не оказва съществено влияние върху по-нататъшната им съдба. В резултат на това беше установено, че резултатите от тези измервания зависят от това какви събития се случват с частицата в целта. С други думи, частицата някак си „знае“ какво ще се случи с нея в близко бъдеще. Този опит кара човек сериозно да се замисли за легитимността на постулатите на теорията на относителността по отношение на частиците, а също и да си спомни за Нострадамус...

Квантова магия, том 4, бр. 2, с. 2135-2147, 2007

Теоремата на Бел: наивният възглед на експериментатора

Ален Аспект

Избрани глави. Превод от английски: Путенихин П.В.

Превод на раздели 2–5 от статията « Теорема на Бел: наивният възглед на експерименталист", Ален Аспект.членотблизовързаниСдругработаАленаАспект – описаниеизвестенексперимент 1982 на годината: « Експериментален тест на неравенствата на Бел с помощта на анализатори, вариращи във времето".Разглежданата работа на Аспект съдържа подробно и разбираемо описание на теоретичната част на експеримента - идентифициране на противоречие между квантовата механика и теорията на локалния реализъм, описание на концептуалния модел на теорията на допълнителен параметър в светлината на Теорема на Бел:невъзможно е да се намери допълнителна теория на параметрите, която възпроизвежда всички прогнози на квантовата механика . Добре известното неравенство на Бел е ясно изведено във версиятаКлаузер - Хорн - Шимони - Холт: CHSH - неравенство.

2. ЗАЩО ДОПЪЛНИТЕЛНИ ПАРАМЕТРИ? МИСЕЛЕН ЕКСПЕРИМЕНТ НА ​​Айнщайн-Подолски-Розен-БОМА

2.1. Схема на експеримента

Нека разгледаме оптичния вариантEPR мисловен експеримент във версията на Bohm (фиг. 1). Източник Сизлъчва двойка фотони с различни честоти v1 и v2 , летящ срещу брадви Оз. Да приемем, че векторът на поляризационното състояние, описващ двойката, е:

(1)

където |x>и |y>- линейни състояния на поляризация. Това състояние е забележително: то не може да бъде разложено на две състояния, свързани с всеки фотон, така че не можем да присвоим никакво конкретно състояние на всеки фотон. По-специално, не можем да присвоим никаква поляризация на всеки фотон. Такова състояние, описващо система от няколко обекта, за които може да се мисли само глобално, е объркано състояние.

Ние правим измервания на линейна поляризация на тези два фотона с анализатори I и II. Анализатор И в посоката аоборудван с два сензора и дава резултати + или - ако линейна поляризация е успоредна или перпендикулярна на а. Анализатор II в посока бдейства по подобен начин ‡ .


Ориз. 1. Мислен експеримент на Айнщайн-Подолски-Розен-Бом с фотони . Два фотона v1 и v2 , излъчвани в държавата от уравнение (1), анализирано от линейни поляризатори в посоките аиб. Възможно е да се измерват единични или двойни вероятности за откриване в поляризаторни канали.

Лесно е да се получат квантовомеханични прогнози за тези единични или двойни поляризационни измервания. Помислете за първите единични вероятности P±(а ) получаване на резултати ± за фотон v1 и по същия начин единични вероятности P±(б ) получаване на резултати ± на фотон v2 . Квантовата механика прогнозира:

‡ Има пряко съответствие с мисловния експеримент на Bohm EPR, занимаващ се с двойка частици със спин 1/2 в синглетно състояние, анализирани от два филтъра на Stern-Gerlach.

(В. М.)(2)

Тези резултати са в съгласие с наблюдението, че не можем да присвоим поляризация на всеки фотон, така че всяко отделно измерване на поляризацията да даде случаен резултат. Сега нека разгледаме вероятностите P±± ( а ,б) откриване на стави v1 и v2 в канали + или - поляризаториаз или II в посокитеаи б. Квантовата механика прогнозира:

(В. М.)(3)

Ще покажем, че тези квантовомеханични прогнози имат далечни последици.

2.2. Корелации

Помислете първо за конкретната ситуация (а ,б)=0, когато поляризаторите са успоредни. Квантово механични прогнози за вероятности за съвместно откриване (уравнение 3):

(4)

Според този резултат и като се вземе предвид (2), заключаваме, че когато фотон v 1 n Aiden в + поляризатор канал I , v2 намерено със сигурност в + канал II (подобно за канали -). Следователно за паралелни поляризатори е установена пълна корелация между отделните произволни измервания на поляризацията на два фотона v 1 и v 2 .

Удобен начин за измерване на величината на корелацията между случайните променливи е да се изчисли коефициентът на корелация. За поляризационните измервания, обсъдени по-горе, той е равен на

(5) *

Използвайки прогнозата (3) на квантовата механика, намираме коефициента на корелация

(6)

В конкретния случай на паралелни поляризатори (( а, б)=0), намираме Е QM (0)=1: това потвърждава, че корелацията е пълна.

И така, квантовомеханичните изчисления показват, че въпреки че всяко отделно измерване дава произволни резултати, тези произволни резултати са корелирани, както показва уравнение (6). За паралелна (или перпендикулярна) ориентация на поляризатори, корелацията е пълна (| E QM |= 1).

2.3. Трудност представителство формализъм квантово механика

Като наивен физик обичам да повдигам въпроса за търсенето на прости модели, за да разбера тези силни корелации. Най-естественият начин за намиране на фигуративно представяне е може би в квантовомеханичните изчисления, водещи до (3). Всъщност има няколко начина за извършване на тези изчисления. Много директен е да се проектира векторът на състоянието (1) във векторите на собственото състояние на резултата. Това дава незабавно комбинираните вероятности (3). Въпреки това, тъй като това изчисление разчита на вектори на състоянието, описващи тези два фотона глобално, не знам как да изградя картина в нашето обичайно пространство.

За да преодолеем този проблем и да идентифицираме поотделно двете измервания, направени в двата края на експеримента, можем да разделим комбинираното измерване на две стъпки. Да приемем, например, че първо се прави измерване на фотона v 1 и дава резултат + при поляризатор I в посока а. Резултат + (свързан със състоянието на поляризация |a>) има вероятност 1/2. За да продължим с изчислението, трябва да използваме постулата за редукция на вектора на състоянието, който гласи, че след това измерване се получава нов вектор на състоянието, описващ двойката, чрез проектиране на началния вектор на състоянието (уравнение 1) върху собственото пространство, свързано с резултат +: това двумерно собствено пространство има основа (| a , х>,| а , г>). Използвайки подходящия проектор, намираме след малко алгебра

(7)

Това означава, че веднага след първото измерване фотонът v 1 придобива поляризация | a>: това е очевидно, защото е измерено от поляризатор, подравнен с а, и беше получен резултатът +. По-изненадващо е, че отдалеченият фотон v 2 , който все още не е взаимодействал с никакъв поляризатор, също се проектира в състояние |a > с определена поляризация, успоредна на тази, установена за фотона v 1 . Това изненадващо заключение обаче води до правилния краен резултат (3), като се започне от прякото прилагане на закона на Малус, че последващото измерване, направено според бна photonev 2 ще доведе до

(8)

Следователно изчислението в две стъпки дава същия резултат като директното изчисление. При измерване в две стъпки се получава следната картина:

i. Фотон v 1, който не е имал ясно дефинирана поляризация преди измерването си, придобива поляризация, свързана с резултата, получен по време на измерването: това не е изненадващо.

ii. Когато се прави измерване на v 1, фотон v 2, който не е имал определена поляризация преди това измерване, се проектира в състояние на поляризация, успоредно на резултата от измерването на v 1 . Това е много изненадващо, защото тази промяна в описанието на v 2 е мигновена, независимо от разстоянието между v 1 и v 2 по време на първото измерване.

Тази картина е в противоречие с относителността. Според Айнщайн, събитие в даден регион на пространство-времето не може да бъде повлияно от събитие в пространство-време, което е разделено от интервал, подобен на пространството. Неразумно е да се опитвате да намерите по-приемливи снимки, за да "разберете" корелациите на EPR. Това е картината, която разглеждаме сега.

2.4. Допълнителни опции

Корелациите между отдалечени измервания на две отделни системи, които преди са взаимодействали, са често срещани в класическия свят. Например, ако механичен обект с нулев линеен (или ъглов) импулс се раздели на две части чрез някакъв вътрешен процес, линейният (или ъгловият) импулс на двете отделни части остава равен и противоположен в случай на свободно развитие. В общия случай, когато всеки фрагмент е подложен на някакво влияние, тези два импулса остават корелирани, тъй като в момента на определяне те са получили първоначални стойности, които имат много определена сума.

Изкушаващо е да използвате такава класическа картина, за да запазите резултата. EPR корелации по отношение на общите свойства на тези две системи. Нека разгледаме отново пълната корелация на поляризационните измервания в случая на паралелни поляризатори ( а,б)=0. Когато намерим + за v 1 , сме сигурни, че ще намерим и + за v 2. Така че можем да разпознаем, че има някакъв обект (Айнщайн каза „елемент на физическата реалност“), свързан с тази конкретна двойка и дефиницията на резултата ++. За другата двойка, когато резултатите са --, можем по подобен начин да извикаме общия обект, който дефинира резултата --. Тогава е достатъчно да се разпознае, че половината от двойките се излъчват с ++ обект, а половината с -- обект, за да се възпроизведат всички резултати от измерването в тази конфигурация. Имайте предвид, че тези свойства, които се различават от една двойка до друга, не отчитат квантовомеханичния вектор на състоянието, който е еднакъв за всички двойки. Ето защо можем да заключим с Айнщайн, че Квантовата механика не е завършена. И затова такива допълнителни свойства са наречени " допълнителни опции" или " скрити променливи» *

* Айнщайн всъщност не говори за „скрити променливи“ или „допълнителни параметри“, а по-скоро за „елементи на физическата реалност“. Съответно, много автори говорят за "реалистични теории", а не за "теории със латентни променливи" или "теории на допълнителни променливи".

Като заключение, изглежда възможно да се „разберат“ EPR корелациите като класическа изглеждаща картина чрез извикване на допълнителни параметри, които се различават от двойка до двойка. Човек може да се надява да върне статистически квантовомеханични прогнози, когато се осредни по допълнителни параметри. Изглежда, че това е била позицията на Айнщайн . Обърнете внимание, че на този етап от разсъжденията приемането на тези твърдения не противоречи на квантовата механика: няма логически проблем в пълното приемане на прогнозите на квантовата механика. иприлагат допълнителни параметри, които дават приемлива картина на EPR корелациите. Това предполага да се разглежда квантовата механика като описание на по-дълбоко ниво на статистическата механика.

3. НЕРАВЕНСТВА НА БЕЛ

3.1. Формализъм

Три десетилетия след статията на EPR, Бел преведе предишната дискусия в математика и изрично въведе допълнителни параметри, обозначавайки гил . Тяхното разпределение върху ансамбъла от излъчени двойки се определя от разпределението на вероятноститеr ( л ) , такъв, че

(9)

За дадена двойка, характеризираща се с даден допълнителен параметърл , резултатите от измерването се дават от двузначни функции

(10)

Специфичната теория на допълнителните параметри е напълно дефинирана от явната форма на функциитеr ( л ), A(л , а) иБ( л , б) . От тук е лесно да се изразят вероятностите на различни резултати от измерване. Например, имайте предвид, че функцията приема стойността +1 за + резултат и 0 в противен случай (и подобно приема стойността +1 за - резултат и 0 в противен случай), можем да напишем

(11)

По подобен начин корелационната функция приема проста форма

(12)


3.2. Пример за (наивна) теория за допълнителни параметри

Като пример за теорията на допълнителните параметри, ние представяме модел, при който всеки фотон пътува по 0 z , се приема, че има добре дефинирана линейна поляризация, дефинирана от неговия ъгъл (л 1 или л 2 ) С ос X. За да обясним силната корелация, приемаме, че два фотона от една и съща двойка се излъчват със същата линейна поляризация, определена от общия ъгълл (фиг. 2).

Фиг.2 - Наивен пример . Всяка двойка фотони има дефинирана "посока на поляризация". л , което е допълнителен параметър на модела. Поляризатор азправи измерване на поляризация а, под ъгъл q 1 от оста x.

Поляризациите на различните двойки са разпределени на случаен принцип, според разпределението на вероятноститеr ( л ) , така че вземаме ротационния инвариант:

(13)

За да завършим нашия модел, трябва изрично да дефинираме формата за функциите А( λ ,а) и Б( λ , б). Приемаме следната форма

(14)**

къде са ъглите q аз и q II посочете ориентациите на поляризаторите. Имайте предвид, че тези формуляри са много разумни: А( λ ,а) придобива стойност +1, когато поляризацията на фотона v 1 образува ъгъл, по-малък от стр/ 4 с посоката на анализа аи -1 за допълнителния случай (поляризация, по-близка до перпендикулярна на а).

С този изричен модел можем да използваме уравнения (11), за да изчислим вероятностите на различни измервания. Намираме, например, единични вероятности

,(15)

идентични с резултатите от квантовата механика. Моделът също така ни позволява да изчислим комбинираните вероятности или еквивалентно корелационната функция и намираме, използвайки (12):

(16)

Това е прекрасен резултат. Първо отбележете, че E( а, б) зависи само от относителния ъгъл ( а, б) като квантово механично предсказание (6). Освен това, както е показано на фигура 3, разликата между прогнозите на модела на прости допълнителни параметри и прогнозите на квантовата механика винаги е малка и е абсолютно еднаква за ъгли 0 и , това еслучаи на пълна корелация. Този резултат, получен с изключително прост модел с допълнителни параметри, е много обнадеждаващ и човек би се надявал, че по-сложен модел може да бъде в състояние точно да възпроизведе прогнозите на квантовата механика. Откритието на Бел е фактът, че търсенето на подобни модели е безнадежднокакво ще покажем сега.


Фиг.3 - Коефициент на поляризационна корелация като функция на относителната ориентация на поляризаторите: (i) пунктирана линия: CM прогнозиране; (ii) плътна линия: наивен модел.


3.3. Неравенствата на Бел

Има много различни форми и демонстрации на неравенствата на Бел. Тук даваме много проста демонстрация, водеща до форма, пряко приложима за експерименти**.

Нека разгледаме израза

Като се има предвид, че тези четири количества A и Бвземете само стойността ±1, обикновена проверка на втория ред (17) показва, че

(18)

Означава сНа λ следователно сключен между + 2 и - 2

Съгласно (12) можем да пренапишем тези неравенства

Това са BCHSH - неравенства, това еНеравенствата на Бел, получени от Клаузер, Хорн, Шимони и Холт. Те се отнасят до комбинацията Сот четири поляризационни корелационни коефициента, свързани с две посоки на анализ за всеки поляризатор ( аи б'за поляризатор аз,би б'за поляризатор II). Имайте предвид, че те се прилагат към всяка от най-общите форми на теорията за допълнителни параметри, дефинирани в раздел 3.1 (уравнения 9, 10 и 12), за които нашият наивен модел е само пример.

** Важно е да се прави разлика между неравенствата, които показват математическо противоречие между квантовата механика, но без възможност за експериментално тестване с (непременно) несъвършен апарат, и неравенствата, които позволяват експериментално тестване, при условие че експерименталното несъвършенство остава в рамките на някои (допустими) ) граници.


4. КОНФЛИКТ С КВАНТОВАТА МЕХАНИКА

4.1. Очевидно

Можем да използваме прогнозите (6) на квантовата механика за EPR двойки, за да оценим количеството С(а,a ", b, b"), дефиниран от уравнение (21). За специфичен набор от ориентации, показан на фиг. 4.а, резултат

(22)

Това квантово механично предсказание определено е в противоречие с неравенството на Бел (20), което е валидно за всяка обща форма на теория на допълнителните параметри, дефинирана в §3.1.

По този начин открихме ситуация, при която квантовомеханичните прогнози не могат да бъдат възпроизведени (имитирани) в съответствие с теориите на допълнителния параметър. Това е същността на теоремата на Бел: невъзможно е да се намери допълнителна теория на параметрите, чиято обща форма е дефинирана в §3.1, която възпроизвежда всичкопрогнози на квантовата механика. Това твърдение, както е обобщено на фиг. 3, е за модела на специфичен допълнителен параметър, разгледан в §3.2: моделът възпроизвежда точно прогнозите на квантовата механика за някои специфични ъгли (0, стр/4, стр/2), но леко се отклонява от него под други ъгли. Значението на теоремата на Бел се крие във факта, че тя не се ограничава до конкретен модел на теорията на допълнителен параметър, а е универсална.


Фиг.4 – Насоки, даващи най-големия конфликт между неравенствата на Бел и квантовата механика.

.

4.2. Максимален конфликт

Интересно е да се види максималното нарушение на предсказанията на квантовата механика от неравенствата на Бел. Вземете квантовомеханичната стойност С

(23) са равни

(26)

(27)

Тези стойности са решения (25). Съответните набори от ориентации са показани на фиг.4. Те дават максимални нарушения на неравенствата на Бел.

По-общо казано, Фигура 5 показва, че има пълен набор от ориентации, водещи до конфликт с неравенствата на Бел. Но също така е ясно, че има много набори от ориентации, за които няма конфликт.


Фиг.5 -С(q), както е предвидено от квантовата механика за EPR двойки. Конфликтът с неравенството на Бел възниква, когато |S| е по-голямо от 2 и това е максимумът за наборите от ориентации, показани на фиг.4.

5. ДИСКУСИЯ: МЕСТНА ДЪРЖАВА

Нека изложим теоремата на Бел, както следва: квантовата механика е в конфликт с всяка допълнителна теория на параметрите, както е дефинирана в §3.1, тъй като нарушава изводите (неравенствата на Бел) на всяка такава теория. На този етап е интересно да се видят хипотезите, залегнали в основата на формализма, представен в §3.1. Тогава човек може да се надява да посочи конкретна хипотеза, отговорна за конфликта. Ето защо сега ще проучим различните хипотези, лежащи в основата на теориите за допълнителни параметри, представени в раздел 3.1.

Първата хипотеза е наличието на допълнителни параметри. Както видяхме, те са въведени за отчитане на корелации от разстояние. Тази хипотеза е тясно свързана с концепцията за реалността, изразена от Айнщайн, където концепцията за отделни физически реалности за разделени частици има смисъл. Може дори да се изведе съществуването на допълнителни параметри от общи твърдения за физическата реалност в духа на идеите на Айнщайн. Изглежда, че хипотезите в този дух абсолютно неизбежно водят до неравенства, които са в противоречие с квантовата механика.

Втората хипотеза предполага детерминизъм. Всъщност формализмът на раздел 3.1 е детерминиран: веднага щом линсталирани, резултати А(л,а) и B (л,б) са определени поляризационни измервания. Някои ще кажат, че това може да е сериозна причина за конфликт с недетерминирания формализъм на квантовата механика. Всъщност, както за първи път е показано от Бел в , и впоследствие разработено в , е лесно да се обобщи формализма на раздел 3.1 до стохастичендопълнителни теории за параметри, където детерминирани измервателни функции А(л,а) и B (л,б) заменени с функции на вероятността. Тогава други ще открият, че неравенствата на Бел все още са валидни и че конфликтът не изчезва. Следователно, общоприето е, че детерминистичният характер на формализма не е причина за конфликт.

Най-важното предположение, както се подчертава от Бел във всичките му статии, е локалният характер на формализма на раздел 3.1. Ние наистина имплицитно предположихме, че резултатът А(л,а) измервания на поляризатор аз, не зависи от ориентацията бдистанционен поляризатор II, и обратно. По същия начин се приема, че разпределението на вероятностите r(л) (това епът, по който се отделят пари) са независими от ориентацията аи б. Това местно предположениее критично: неравенствата на Бел не биха могли без тях. Наистина е ясно, че демонстрацията на § 3.3 се проваля с изрази като А(л,а, б ) иr(л , а ,б ) .

Ние заключаваме, че това са двете хипотези, които изглежда задължително водят до неравенствата на Бел и по този начин са в конфликт с квантовата механика:

Отдалечените корелации могат да бъдат разбрани чрез идеята за допълнителни параметри, свързани с отделените частици, в духа на идеите на Айнщайн, когато отделните обекти имат отделни физически реалности.

Изрази А(л,а) и B(л,б) , и r(л) подчинявам се местно състояние,това ете не зависят от ориентацията на отдалечения поляризатор.

Това са основните условия, поради които квантовата механика влиза в конфликт с местния реализъм.

Бележки на преводача:

Номерацията на страниците и долният колонтитул на този превод съответстват на оригинала.

* В Редът на знаците в индекса е коригиран в последния срок. В оригинала визразът (5) има вида:

** Фиксирано: cos 2 вместо cos 2. В оригиналния израз (14) има вида:

(14)

литература

1. Оригинална статия: ТЕОРЕМА НА БЕЛ: НАИВНИЯТ ГЛЕД НА ЕКСПЕРИМЕНТАЛИСТ Ален Аспект, Institut d "Optique Théorique et Appliquée Bâtiment 503-Centre universitaire d" Orsay 91403 ORSAY Cedex – Франция

повдигна въпроса за непълното съответствие между теорията на квантовите компютри и квантовата механика,както и жлъчни вълни, на които не обръщам внимание. Хи един от "физиците", практикувайки задочни обиди, не посмя да влезе в честна дискусия с мен, за което сайтът "Екстремна механика" има ТЕХНИЧЕСКИ възможности. С някои формални неточности, които присъстват в научно-популярнастатия "Компютър на Бога", като цяло, нейните заключения са правилни.

Тази статия продължава тази тема. Той разглежда само един, но изключително важен аспект. Опитът на Алън Аспе (Аспект), брилянтен експериментатор и класик на квантовата магия, който направи основния принос за трансформацията на EPR - мит в догма.Резултатите от експериментите на Аспе и други бяха интерпретирани въз основа на идеята за фотоните като точкови частици (с обичайните резерви за двойствеността вълна-частица). Погрешно е, т.к фотонът няма представяне на Шрьодингер. С прости думи, за тези частици концепцията за пространствени координати е безсмислена. Следователно е невъзможно да се каже, че в определен момент от времето фотонът се намира на определено място. Може да се локализира в състояние на малък вълнов пакет, но в този случай поляризацията губи смисъла си. Неявно приетата възможност за поляризация на точков фотон е в основата на погрешната интерпретация на експериментите на Аспе. Нека започнем с кратко описание на тези експерименти (подробности в).

Използвани са флуоресцентни източници на каскадно излъчване, където атомите излъчват двойки кванти с интервал от ns. В първите експерименти един от фотоните на двойката имаше дължина на вълната 551,3 nm (зелена светлина), а другият 422,7 nm (виолетов).Смята се, че във всяка каскада фотоните се разпръскват в различни посоки, като имат еднакви посоки на кръгова поляризация - лява или дясна с вероятности, което е еквивалентно на намиране в суперпозиция на две състояния на линейна поляризация в посоките на X и Y оси, светлината се ражда взаплетено, поляризирано състояние. Последното означава, че ако се установи, че един от фотоните е поляризиран по оста X (за което е достатъчно да го прекарате през поляризатор с ориентация X), то вторият автоматично в същия момент ще бъде в същото състояние (което може да бъде открито с помощта на втория поляризатор) . Същото и за оста Y.В този случай се говори за корелациимежду посоките на поляризация на фотоните на заплетена двойка, която може да бъде измерена.

На диаграмата двойка лазери възбуждат флуоресцентен каскаден източник на светлина, който според Аспе излъчва двойки заплетени фотони.Общото състояние на такава двойка се казва, че е заплетено:

(1)

Състоянията съответстват на посоките на поляризация по координатните оси,състояния , към две посоки на кръгова поляризация на кванта (където ).

Всеки от фотоните на двойката преминава през собствен поляризатор (Pol I и Pol II), след което, след преминаване през честотен филтър, влиза във фотоумножител (PM I и PM II). Последният по същество е детектор с един фотон и работи на принципа на електронна лавина, инициирана от фотоелектричния ефект. Схемата за управление на фотоумножителя е организирана по такъв начин, че всяка двойка фотони се открива във времеви прозорец от около 20 ns. Малко вероятно е произволна двойка фотони от два различни атома да го удари. Краткият интервал между операциите на брояча не послужи като знак за регистрация на двойка фотони от един атом. По този начин веригата почти сигурно ще улови само двойката, излъчена в един етап. Това се случва средно 100 пъти в секунда. Припомнете си, че всяка такава двойка се счита за EPR-заплетена.

Ако сега изчислим броя на двойките за определен период от време за случаите, когато един от поляризаторите („ляв“ или „десен“) е премахнат, тогава можем да изчислим коефициента на корелация между събитията на поляризация на левия фотон в дадена посока и десния фотон в посоката. Такива измервания позволяват да се проверят неравенствата на Бел, както и да се разкрие корелацията между поляризациите на фотоните на всяка двойка (за различни посоки и ). Точно това направи групата Aspe.

И така, експериментите се основават на преброяване на фотонни двойки, преминали през поляризатори. Вместо това обаче би могло да има преброяване на единични кванти, които достигат до два фотоумножителя под формата на вълна със сферичен фронт.

За състояние с квантови числа и съответстващо на импулсния оператор, собствената функция се изразява линейно чрез векторни полета, които определят две посоки на кръгова поляризация за всяко. При което. За електрическо диполно излъчване при и (експеримент Aspe), съгласно (16.23)

(2)

Където (в релативистичната система от единици), , orts , са ортогонални един на друг и на вектора (виж (16.21) ).

Тогава електрическата компонента на полето на единичен фотон се определя от уравнението

От (7.4) следва, че . Имайки предвид това, от (2) получаваме:

По силата на (16.10), имаме , където и .Оттук:

В експериментите на Аспе двойки фотони, движещи се в противоположни посоки, се считат за заплетени. Всеки от двата поляризатора преминава през себе си част от вълната (2), която приблизително може да се счита за плоска (3):

(5)

където знаците съответстват на две противоположни посоки от точката на излъчване към поляризаторите, е площта на малък сегмент от сферата около точката и са реални константи и се определят от (2).

По силата на (3) вълновите повърхности на фотона са сфери.От (4) и (5) може да се види, че тази вълна достига до всеки от двата поляризатора в едни и същи фази, макар и в различно време поради различни разстояния от емитера. В този случай ъгълът между вектораи оста на всеки поляризатор е една и съща за всяка вълнова повърхност. Следователно и двете вълни (5) взаимодействат с поляризаторите по един и същи начин, като са „сегменти“ на фотонната вълна. Това създава илюзията за двойка частици, заплетени в поляризации. Да се ​​върнем към гаусовата система от единици.

На горното може да се възрази, че броячът на фотоните работи средно два пъти на всеки ns, както би трябвало да бъде в случай на излъчване на каскади. Въпреки това, времето за реакция на фотоумножителя се оценява просто на ns. През това време може да бъде открит само един фотон. Всъщност това е вълнов пакет, който близо до сферата се описва с вълна (3). Ако размерът на пакета е m, което съответства на доплеровото разширяване на спектралната линия, тогава времето на преминаване през фотоумножителя е от порядъка на интервала между фотоните на една каскада. При условията на експериментите на Аспе такова разширяване беше възможно. По този начин, преди двойката фотоумножители да се задействат върху първия фотон, вторият не може да бъде открит и докато и двете устройства са готови да приемат втория фотон, неговият пакет вече е преминал. Очевидно в повечето случаи двойка фотоумножители записват само един от двата фотона на всяка каскада.

Имайте предвид също, че в разглежданото състояние посоката на движение на фотоните не е дефинирана. Това може да се види от (3) и същоТова се дължи на факта, че импулсът и неговият импулс не се променят. Следователно аналогиите с класическата механика, които се използват като причина за състояние (1), тук са неуместни.В допълнение, излъчването на фотон е придружено от смущение. След него атомът няма да бъде в състояние с нулев момент, а в суперпозиция на собствените моментни състояния. Следователно законите за запазване не предполагат състояние (1) за двойка фотони от една и съща каскада. През времето на излъчване разстоянието между тях ще бъде m. Идеята, че такава двойка се ражда заплетена, противоречи на здравия разум. Последното обаче важи за цялата квантова магия.

Така резултатите от експериментите на Аспе имат интерпретация, която не е свързана с EPR – заплитане.Необходими са по-точни оценки, но вече има причини да се смята, че съвместни състояния (1) не са наблюдавани в тези експерименти.Вместо това регистрирахме единични фотони, преминаващи през два поляризатора едновременно. Очевидно всички експерименти с т.нар. заплетени фотони.

EPR - заплитането е от решаващо значение за квантовите изчисления. Тази концепция е теоретичната основа за управление на отделни кубити и организиране на паралелизъм. Нарушенията на неравенствата на Бел се считат за доказателство за заплитане на взаимно отдалечени частици. Такива нарушения наистина се наблюдават, но в действителност това означава само едно от двете неща:

а) квантовите системи нямат скрити параметри, което отговаря на квантовата механика и не е свързано със заплитане;

б) Съществуват скрити параметри, така че измерванията на една частица могат да повлияят на друга далечна.

Разумно е да се предположи, че нарушенията на неравенствата на Бел водят до а), т.е. квантовата механика не се нуждае от скрити параметри. Въпреки това е обичайно да се разглеждат тези нарушения като доказателство за EPR - заплитане на фотонни двойки. Тази парадигма се формира под влиянието на работата на Аспе и други учени, които извършват подобни експерименти. В допълнение към несъмнените нарушения на неравенствата на Бел, те уж наблюдавали корелации между посоките на поляризация на взаимно отдалечени фотони. Ако това беше така, нямаше да има нужда от експериментална проверка на EPR - заплитане в неравенствата на Бел. Струва си да се отбележи, че самият Аспе, съдейки по статията x, счита само корелациите като доказателство за заплитане. Очевидно в действителност е имало "корелация" на всеки фотон, който удря фотоумножителя със себе си. По-точно: достигна два фотоумножителя почти едновременно.

Във връзка с всичко това е полезно да цитираме Дирак (стр. 25):

«… Да предположим, че имаме лъч светлина, състоящ се от голям брой фотони, който е разделен на два компонента с еднакъв интензитет. Ако приемем, че интензитетът на лъча е свързан с вероятния брой фотони, ще получим, че половината от общия брой фотони ще попадне във всеки от компонентите. Ако допълнително тези два компонента се намесват, тогава трябва да изискваме фотон от един компонент да може да интерферира с фотон в другия компонент. Понякога тези два фотона биха били унищожени, понякога се превръщали в четири фотона. Това би било в противоречие със закона за запазване на енергията. Новата теория, която свързва вълновата функция с вероятностите за един фотон, преодолява тази трудност, като приема, че всеки фотон е част от всеки от двата компонента. Тогава всеки фотон пречи само на себе си. Интерференция между два различни фотона никога не се случва..»

Подобна мисъл се чува в цитат от Хайзенберг, който засяга парадокса на EPR и има отношение към тълкуването на експериментите на Аспе (W. Heisenberg, стр. 34).

« Във връзка с тези съображения тук трябва да се посочи мисловният експеримент, предложен от Айнщайн. Нека си представим един-единствен светлинен квант, който е представен от вълнов пакет, конструиран от максуелови вълни и на който по този начин се приписва известна област на пространството и, в смисъл на отношения на неопределеност, също определен регион от честоти. Чрез отражение от полупрозрачна плоча можем очевидно лесно да разложим този вълнов пакет на две части: отразена и предадена. Тогава има известна вероятност да се намери светлинен квант или в една или друга част от вълновия пакет. След достатъчно дълго време и двете части ще бъдат толкова далеч една от друга, колкото искате. Ако сега се установи чрез експеримент, че светлинният квант е, да речем, в отразената част на вълновия пакет, тогава това едновременно ще даде, че вероятността за намиране на светлинния квант в другата част е равна на нула. По този начин опитът на мястото на отразената половина на пакета произвежда някакво действие (намаляване на вълновия пакет!) на произволно отдалечено разстояние, където се намира другата половина, и е лесно да се види, че това действие се разпространява със свръхсветлинна скорост.»

По този начин опитите за откриване на EPR - заплетени двойки фотони с помощта на интерферометри са безсмислени. Да кажем, че разделихме светлинен лъч с полупрозрачно огледало, след което прокарахме единия лъч през поляризатор. Според парадигмата на EPR, заплетените двойки идентично поляризирани фотони възникват от два лъча. Това може да се провери чрез интерференция, но тъй като всеки фотон ще си пречи сам, съвпадението на поляризации, измерени на различни места, не може да се интерпретира като EPR - заплитане.

Концепцията за заплетени състояния на взаимно отдалечени частици, която се връща към парадокса на EPR, е широко популяризирана и вече се счита за част от квантовата механика. Една от целите на тази статия беше да покаже, че няма основа под това. Сапуненият мехур на илюстрацията символизира вълновия фронт на фотон с даден ъглов импулс, както и теорията на квантовите компютри, базирани на EPR – заплитане.

1 . А. Аспект. Теоремата на Бел: наивният възглед на експерименталист, в Quantum speakables - From Bell to Quantum information, 2002, R. A. Bertlmann и A. Zeilinger, Springer, http://www.chronos.msu.ru/old/RREPORTS/aspek_teorema_bella.pdf

2. P.A.M Дирак. Принципи на квантовата механика, 1960, Москва: Fizmatgiz (превод на английското издание на P.A.M. Dirac. Принципите на квантовата механика, 1958, Оксфорд: Clarendon press), 1932).

3 . В. Хайзенберг. Физически принципи на квантовата теория, Москва: GTTI (превод на немското издание на W. Heisenberg: Die Physikalischen Prinzipien der Quantentheorie, 1930, Лайпциг).

4 . В.Б. Берестецки, Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевски. Квантова електродинамика, Москва: Наука, 1989.. Добавяне към отметки.

Има ли обективна реалност или Вселената е фантазия? През 1982 г. се случва забележително събитие. В Парижкия университет изследователски екип, ръководен от физика Ален Аспект, проведе един от най-значимите експерименти на 20-ти век.

Не сте чували за това във вечерните новини. Всъщност, ако не сте свикнали да четете научни списания, има вероятност дори да не сте чували името Ален Аспект, въпреки че някои учени смятат, че откритието му може да промени лицето на науката.

Аспект и неговият екип са открили, че при определени условия елементарните частици, като електроните, могат моментално да комуникират помежду си, независимо от разстоянието между тях. Няма значение дали има 10 фута между тях или 10 милиарда мили. По някакъв начин всяка частица винаги знае какво прави другата.

Проблемът с това откритие е, че то нарушава постулата на Айнщайн за пределната скорост на разпространение на взаимодействие, равна на скоростта на светлината. Тъй като пътуването по-бързо от скоростта на светлината е равносилно на преодоляване на времева бариера, тази плашеща перспектива накара някои физици да се опитат да обяснят експериментите на Аспект в сложни заобикалящи решения.

Но други са вдъхновени да предложат още по-радикални обяснения. Например Дейвид Бом, физик от Лондонския университет, изчисли, че от откриването на Аспект следва, че обективната реалност не съществува че въпреки привидната си плътност, Вселената е в основата си фантастична, гигантска, луксозно детайлна холограма .

За да разберем защо Бом стигна до такова поразително заключение, трябва да поговорим за холограмите. Холограмата е триизмерна снимка, направена с лазер. За да се направи холограма, на първо място, обектът, който ще се снима, трябва да бъде осветен от лазерна светлина. След това вторият лазерен лъч, добавяйки отразената светлина от обекта, дава интерференционна картина, която може да бъде записана върху филма. Готовата картина изглежда като безсмислено редуване на светли и тъмни линии. Но веднага щом изображението бъде осветено с друг лазерен лъч, веднага се появява триизмерно изображение на оригиналния обект.

Триизмерността не е единственото забележително свойство, присъщо на холограмата. Ако холограмата на роза бъде разрязана наполовина и осветена с лазер, всяка половина ще съдържа цяло изображение на същата роза в точно същия размер. Ако продължим да режем холограмата на по-малки парчета, на всяко от тях отново ще открием изображение Обща сума обект като цяло. За разлика от конвенционалната снимка, всяка област от холограмата съдържа информация за целия обект, но с пропорционално съответно намаляване на яснотата.

Принципът на холограмата - "всичко във всяка част" - ни позволява да подходим към въпроса за организацията и реда по принципно нов начин. През почти цялата си история западната наука еволюира с идеята, че най-добрият начин да се разбере физическо явление, било то жаба или атом, е да се разреже на части и да се изследват съставните му части.

Холограмата ни показа, че някои неща във Вселената не могат да бъдат изследвани по този начин. Ако разчленим нещо, подредено холографски, няма да получим частите, от които се състои, но ще получим същото, но с по-малка точност.

Този подход вдъхнови Бом да преинтерпретира работата на Аспект. Бом беше сигурен, че елементарните частици взаимодействат на всяко разстояние, не защото обменят някакви мистериозни сигнали помежду си, а защото тяхното разделяне е илюзорно. Той обясни, че на някакво по-дълбоко ниво на реалността такива частици не са отделни единици, а всъщност са разширения на нещо по-фундаментално.

За да разбере по-добре това, Бом предложи следната илюстрация. Представете си аквариум с риби. Представете си също, че не можете да видите директно аквариума, а само два телевизионни екрана, които предават изображения от камери, разположени една отпред и една отстрани на аквариума. Гледайки екраните, можете да заключите, че рибите на всеки от екраните са отделни обекти. Тъй като камерите предават изображения от различни ъгли, рибите изглеждат различно.

Но докато продължавате да гледате, след известно време ще откриете, че има връзка между двете риби на различни екрани. Когато една риба се обърне, другата също променя посоката, малко по-различно, но винаги в съответствие с първата; когато видиш една риба отпред, другата със сигурност е в профил. Ако нямате пълната картина на ситуацията, бихте предпочели да заключите, че рибите трябва да общуват помежду си незабавно, отколкото че това е съвпадение.

Бом твърди, че точно това се случва с елементарните частици в експеримента Aspect. Според Бом, очевидното свръхсветлинно взаимодействие между частиците ни казва, че има по-дълбоко ниво на реалността, скрито от нас, по-високо измерение от нашето, както в аналогията с аквариума. И, добавя той, ние виждаме частиците като отделни, защото виждаме само част от реалността.

Частиците не са отделни „части“, а аспекти на по-дълбоко единство, което в крайна сметка е холографско и невидимо като розата, спомената по-горе. И тъй като всичко във физическата реалност се състои от тези „фантоми“, вселената, която наблюдаваме, сама по себе си е проекция, холограма.

Освен че е „подобна на фантом“, такава вселена може да има и други невероятни свойства. Ако привидното разделяне на частиците е илюзия, то на по-дълбоко ниво всички неща в света могат да бъдат безкрайно взаимосвързани. Електроните във въглеродните атоми в нашия мозък са свързани с електроните във всяка плуваща сьомга, всяко биещо сърце, всяка мигаща звезда.

Всичко се взаимопрониква с всичко и въпреки че човешката природа е склонна да разделя всичко, да разчленява, да сортира всички природни явления, всички разделения по необходимост са изкуствени и природата в крайна сметка се явява като нечуплива мрежа.

В холографския свят дори времето и пространството не могат да бъдат взети за основа. Защото такава характеристика като позицията няма смисъл във вселена, където нищо не е наистина отделно едно от друго; времето и триизмерното пространство, като изображения на риби на екрани, ще трябва да се считат за нищо повече от проекции.

На това по-дълбоко ниво реалността е нещо като супер-холограма, в която миналото, настоящето и бъдещето съществуват едновременно. Това означава, че с помощта на подходящи инструменти може да е възможно да се проникне дълбоко в тази суперхолограма и да се извлекат снимки от отдавна забравено минало.

Какво друго може да носи холограмата, все още далеч не е известно. Да предположим, например, че холограмата е матрицата, която поражда всичко в света. Като минимум той съдържа всички елементарни частици, които са приели или някой ден ще приемат всяка възможна форма на материя и енергия, от снежинки до квазари, от сини китове до гама лъчи. Това е като универсален супермаркет, в който има всичко.

Докато Бом призна, че няма как да разберем какво друго съдържа холограмата, той си позволи да твърди, че нямаме причина да предполагаме, че в нея няма нищо друго. С други думи, може би холографското ниво на света е само един от етапите на безкрайната еволюция.

Бом не е сам в стремежа си да изследва свойствата на холографския свят. Независимо от него, неврологът от Станфордския университет Карл Прибрам, който работи в областта на мозъчните изследвания, също клони към холографската картина на света.