2014-12-26
Autor: nTimes

Przewodnik po Wszechświecie: czas, przestrzeń i struktura

Brian-Greene-Quantum

Prof. Brian Greene, autor tej książki („Struktura kosmosu. Przestrzeń, czas i struktura rzeczywistości”).

4. SPLĄTANIE PRZESTRZENI. CO W KWANTOWYM WSZECHŚWIECIE OZNACZA ROZDZIELENIE PRZESTRZENNE CIAŁ?

O mechanice kwantowej, nieoznaczoności i splątaniu kwantowym. Niezwykłość szczególnej teorii względności (STW) polega na tym, że doświadczenie czasu i przestrzeni dwóch osób może się różnić radykalnie od siebie. Niezwykłość wynika tu z porównania doznań różnych osób. Niecodzienność mechaniki kwantowej nie wymaga takiego porównania, ponieważ niszczy ona całkowicie nasze codzienne poczucie rzeczywistości.

Świat według mechaniki kwantowej

Mechanika kwantowa (MK) zrywa z tradycyjną myślą, że gdybyśmy wiedzieli gdzie są wszystkie cząstki oraz jak szybko i w jakim kierunku się poruszają, moglibyśmy przewidzieć wszystko we Wszechświecie. Mechanika kwantowa stwierdza, że nigdy nie będziemy znać dokładnie i jednocześnie chociażby kilku cech pojedynczej cząstki (np. jej położenia i prędkości), więc próba odgadnięcia ewolucji całego kosmosu jest absurdem. Wszystko na co możemy liczyć to znajomość prawdopodobieństwa.

Ale mechanika kwantowa zrywa z tradycją jeszcze radykalniej. Fizyka Newtona i Einsteina głoszą, że Wszechświat cechuje lokalność. Oznacza to, że przestrzeń oddziela ciała od siebie. Aby mogły one na siebie wpływać, muszą jakoś tę odległość pokonać: zderzyć się, oddziaływać falami, polami, wymienić informacje. Według MK Wszechświat pozwala na istnienie powiązań nielokalnych. Oznacza to, że coś, co się dzieje tutaj (np. pomiar własności cząstki) może być powiązane z tym, co się dzieje gdzie indziej, nawet tak daleko, że światło nie ma czasu przebiec między tymi zdarzeniami. Coś jak voodoo. Jest to zjawisko splątania kwantowego, w pełni zgodne z teorią kwantową (TK) i potwierdzone przez doświadczenia.

Czerwono i niebiesko

Przykład splątania kwantowego: są dwie cząstki, odległe od siebie o tysiące lat świetlnych. Są kwantowo ze sobą splątane, np. to dwa fotony wyemitowane z wysokoenergetycznego atomu wapnia. Dopóki ich nie badamy i nie mierzymy, są w stanie nieokreślonym (nie wiadomo jakie mają własności, wiadomo tylko jakie są ich prawdopodobieństwa). Zmierzenie jednej cząstki powoduje, że przyjmuje ona jedną konkretną własność, np. spin (czyli upraszczając – kierunek obrotu wokół osi). Druga cząstka, jeśli ją zbadamy równocześnie z pierwszą, przyjmie ten sam spin. Między cząstkami nie było oddziaływania wzajemnego, bo odległość jest za duża nawet dla światła, a pomiar był równoczesny. Pytanie: skąd się wzięła ta zgodność? Mechanika kwantowa stwierdza, że jest to powiązanie nielokalne, kwantowe dwóch cząstek i tyle. Einstein się z tym nie zgadzał (kpiąc, że było by to jakieś „upiorne działanie na odległość„) i twierdził, że jest to efekt posiadania przez obie cząstki tych własności już w chwili ich wyemitowania a nie efekt ulegania wpływowi dziwacznego, działającego nawet na ogromnie duże odległości splątania kwantowego. Spór kto ma rację trwał ponad 50 lat. W latach 60. John Bell zaproponował eksperyment rozsądzający. Dokonano go w latach 80. Okazało się, że Einstein nie miał racji.

Wzbudzając fale

Światło przechodząc przez dwie szczeliny tworzy na ekranie nie dwa osobne ślady, ale wzór interferencyjny (1927, Davisson, Germer), podobny do okręgów, jakie się rozchodzą na wodzie, gdy wrzucimy kamyk. To dowód że światło jest falą. Wzór interferencyjny jest dowodem, że strumień cząstek, np. fotonów, jest falą. Ale wzór interferencyjny powstaje także, gdy przez szczeliny przepuszczamy pojedyncze fotony. Jak to możliwe, by jedna cząstka była falą?

Light-is-Wave-and-Particle

Prawdopodobieństwo i prawa fizyki

Odpowiedź Maxa Borna (1927): „fala, która interferuje to fala prawdopodobieństwa”. Chodzi o prawdopodobieństwo znalezienia się cząstki (elektronu, fotonu itd.) w określonym miejscu. Im prawdopodobieństwo jest wyższe tym fala wyższa. Czyli pojedyncza cząstka (np. elektron) jest nie tylko cząstką, ale i falą rozpościerającą się na cały Wszechświat. Przez ponad 80 lat potwierdzono użyteczność fal prawdopodobieństwa mechaniki kwantowej (MK) do przewidywania wyników eksperymentów. Ale nadal nie wiemy czym one faktycznie są. Prawdopodobieństwo wprowadzone przez MK ma charakter fundamentalny: należy do natury rzeczywistości. W mikrokosmosie rządzi prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia.

Einstein i mechanika kwantowa

Dlaczego w naszym zwykłym świecie nie mamy do czynienia z taką niepewnością odnośnie codziennych wydarzeń, jak to jest w mechanice kwantowej (MK)? Na przykład powietrze w pokoju nie znika nagle, aby się pojawić po drugiej stronie Księżyca. Odpowiedź: po pierwsze, fala prawdopodobieństwa ma dodatnią wartość na niewielkim obszarze i potem szybko spada niemal do zera; po drugie, otaczają nas rzeczy złożone z mnóstwa cząstek. Prawdopodobieństwo zajścia przez nie wszystkie czegoś nieprawdopodobnego jednocześnie jest w praktyce równe zeru.

Einstein chciał wykazać, że MK nie jest ostatecznym wyjaśnieniem, jak działa Wszechświat. Fala prawdopodobieństwa była według niego rozwiązaniem zastępczym wobec bardziej precyzyjnego opisu, którego nie mamy. Einstein: skoro w chwili pomiaru odnajdujemy elektron w położeniu x, to chwilę przedtem musiał być bardzo blisko miejsca x. Odpowiedź Bohra (tzw. kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej): „nie ma sensu pytać, gdzie był elektron przed pomiarem. Nie ma on określonego położenia ani przed ani po pomiarze”. Czyli akt pomiaru jest ściśle powiązany z tworzeniem rzeczywistości, którą badamy.

Heisenberg i nieoznaczoność

You need to install or upgrade Flash Player to view this content, install or upgrade by clicking here.

Własności świata na poziomie subatomowym można podzielić na listę cech AB. Poznając pierwszą cechę z listy A tracimy możliwość poznania pierwszej cechy z listy B. Brak możliwości jednoczesnego określenia wszystkich cech z obu list to nieoznaczoność, o której mówi zasada Heisenberga. Im dokładniej poznajemy jedną cechę (np. położenie), tym mniej dokładnie poznajemy drugą (np. prędkość). Powód: na poziomie supermikroskopowym obserwacja zakłóca równowagę, bo np. światło mikroskopu elektronowego oddziaływuje na obserwowany elektron. Natura ma wbudowane ograniczenie dokładności określania komplementarnych cech. Nieoznaczoność jest wbudowana w strukturę falową mechaniki kwantowej i istnieje bez względu na to, czy pomiar jest przeprowadzany.

Einstein, nieoznaczoność i rzeczywistość

Czy zasada nieoznaczoności (ZN) mówi tylko, czego się możemy dowiedzieć o rzeczywistości, czy jest jej adekwatnym opisem? Dla Bohra nie miało to znaczenia, bo rzeczywistością jest to, co można zmierzyć. „Głębsza” analiza nie ma sensu. Einstein, Podolsky i Rosen (EPR) sprzeciwili się temu. Ich zdaniem każda cząstka ma określone własności, np. położenie i prędkość w dowolnym momencie, a zasada nieoznaczoności jest dowodem, że teoria kwantowa (TK) nie umie sobie z tym poradzić i jest niekompletną teorią fizycznej rzeczywistości. EPR: jeśli cząstka ulega rozpadowi na dwie cząstki o takiej samej masie, które odlatują w dwóch przeciwległych kierunkach, prędkości ich będą takie same i położenie też. Jeśli więc zmierzymy położenie lub prędkość jednej z nich, będziemy znali położenie lub prędkość drugiej. Tak więc, nie mierząc drugiej cząstki wiemy, że ma określone własności. Teoria kwantowa zaś twierdziła i twierdzi, że cząstka przed pomiarem nie ma określonych własności.

Odpowiedź mechaniki kwantowej

Podsumowanie Pauliego, jednego z twórców TK: nie ma sensu zastanawiać się czy coś istnieje, jeśli nie możemy się o tym niczego dowiedzieć. Spór był nierozstrzygnięty do roku 1964, kiedy to John Bell zaproponował doświadczenie rozstrzygające.

Bell i spin

Eksperyment Bella: wiadomo, że cząstki wirują wokół swej osi. Zawsze w jedną stronę i z tą samą szybkością, zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie. Oś obrotu może się zmienić, ale prędkość nie. Cząstka ma też spin, tzn. własność, dzięki której wykonuje ruch obrotowy jak bąk (spin czyli wewnętrzny moment pędu). Zasada nieoznaczoności (ZN) mówi, że dla mikroskopijnych cząstek nie można wyznaczyć spinu dla więcej niż jednej osi. Co to znaczy? Choć oś wirującej piłki futbolowej może być np. skierowana na północny wschód i moment pędu rozkłada się wtedy częściowo (ułamkowo) na kierunek północny i na kierunek wschodni, w przypadku cząstki subatomowej pomiar spinu dla jakiejkolwiek osi nigdy nie da wyniku ułamkowego. Jakby sam pomiar zmuszał elektron (lub inną cząstkę) do zgromadzenia całego swojego wirowania wokół osi, którą akurat wybraliśmy (nawet przypadkowo) przy pomiarze. Problem do rozwiązania w eksperymencie proponowanym przez Bella: czy cząstka ma określoną wartość spinu dla każdej osi, mimo, że z powodu ZN nie umiemy zbadać wartości tego spinu dla więcej niż jednej osi jednocześnie, czy też cząstka nie ma tych cech (wartości) naraz, bo jest w kwantowym stanie zawieszenia bez określonego spinu wokół jakiejkolwiek osi aż do chwili, gdy ktoś go zmierzy? Bell odkrył, że jeśli nawet nie możemy określić wartości spinu cząstki dla więcej niż jednej osi, to jeśli ma ona określony spin dla wszystkich, istnieje sprawdzalna i możliwa do zaobserwowania konsekwencja takiego spinu.

Testowanie rzeczywistości

Eksperyment Bella wygląda tak: mamy dwa detektory rejestrujące równocześnie dwie rozbiegające się cząstki wyemitowane z atomu np. wysokoenergetycznego wapnia. Każdy z detektorów może badać wartość spinu (wartość A – zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub wartość B – przeciwnie do ruchu wskazówek) na jednej z trzech wcześniej ustalonych osi: 1, 2, 3. Wybór osi w każdym detektorze jest za każdym razem przypadkowy. Istnieje więc 9 możliwych ustawień obu detektorów przy pomiarze osi każdej cząstki: 1-1 (pierwsza liczba to numer osi na pierwszym detektorze, druga liczba to numer osi na drugim detektorze), 1-2 (wyjaśnienie: oś 1 na pierwszym detektorze i oś 2 na drugim), 1-3, 2-1, 2-2, 2-3, 3-1, 3-2, 3-3. Jeśli obie cząstki mają ustalone zawczasu (jak twierdzi Einstein) spiny dla każdej osi, np. dla osi 1 – wartość A, dla osi 2 – też A, a dla osi 3 – B, wtedy detektory wykryją w 5 przypadkach na 9 ten sam spin: w trzech przypadkach są to te same osie 1-1, 2-2, 3-3, a dwóch przypadkach (1-2, 2-1) też ten sam spin, bo takie spiny miały cząstki ustalone zawczasu (w naszym przykładzie jest to wartość A). Taki rozkład (co najmniej 5 na 9) działa w przypadku każdego możliwego spinu cząstek, o ile zostały wcześniej „zaprogramowane”. O ile cząstki, jak dowodził Einstein, mają zawsze określone spiny, to dokonując pomiaru wielkiej liczby cząstek, w ponad 50% przypadków detektory wykryją ten sam spin. Jeśli jednak wynik będzie poniżej 50% oznaczać to będzie, że – zgodnie z teorią kwantową:

a) cząstki subatomowe nie posiadają przed pomiarem żadnych konkretnych własności i
b) istnieje kwantowe splątanie, polegające na tym, że w chwili pomiaru obie cząstki, niezależnie od oddalenia od siebie (mogą to być lata świetlne) „uzgadniają” natychmiast jaką wartość pokazać.

To „natychmiast” zachodzi szybciej niż czas potrzebny obu cząstkom na „skontaktowanie” się ze sobą, gdyby to robiły nawet z prędkością światła. To uzgodnienie jest nielokalnym powiązaniem. Pomysł tego eksperymentu zapewnił Bellowi trwałe miejsce w panteonie fizyki.

Ogień bez dymu

Eksperyment Bella został zrealizowany dopiero w latach 70. i 80. (Aspect, Gisin w oparciu o prace Freedmana, Clausera, Fry’a, Thompsona). Wcześniej technika pomiarowa nie była dostatecznie rozwinięta. Wynik eksperymentu: detektory nie zgadzały się ze sobą w ponad 50% przypadków. Teza Einsteina, Podolskiego i Rosena została więc obalona. Teoria kwantowa i jej twierdzenia, że cząstka nie posiada żadnych konkretnych własności przed dokonaniem pomiaru oraz że istnieje splątanie kwantowe cząstek okazały się prawdziwe.

Splątanie a szczególna teoria względności: podejście standardowe

Gdyby „uzgodnienia” między splątanymi cząstkami polegały na przekazywaniu sobie jakichś informacji, zachodziłyby z prędkością większą od prędkości światła i byłoby to sprzeczne ze szczególną teorią względności (STW). Ale tak nie jest. Między cząstkami w eksperymencie Bella nie zachodzi wymiana informacji. Każda cząstka ma zawsze 50% szans na posiadanie spinu A lub B, a detektory ustawiane są losowo. Nie istnieje więc żaden ukryty kod komunikowania się cząstek ze sobą. Uznajemy zatem, że obie splątane cząstki, mimo oddalenia od siebie są częścią jednego ciała fizycznego. I to jest właściwe wyjaśnienie zjawiska splątania kwantowego.

Splątanie a szczególna teoria względności: podejście alternatywne

Choć wyniki eksperymentu Bella i szczególna teoria względności są ze sobą w zgodzie, pozostaje pytanie jak dwie oddalone od siebie cząstki, z których każda podlega prawu przypadkowości mechaniki kwantowej, mogą pozostawać ze sobą w kontakcie i jedna zrobi natychmiast to, co druga. Zgodnie ze standardowym wyjaśnieniem teorii kwantowej (TK) pomiar cząstki redukuje falę prawdopodobieństwa i ta redukcja zachodzi w sposób natychmiastowy w całym Wszechświecie. W naszym eksperymencie pomiar wartości spinu jednej cząstki redukuje do zera tę część fali prawdopodobieństwa, która opisuje przeciwną wartość spinu. To powoduje, że cząstka splątana z mierzoną przyjmuje natychmiast tę samą wartość spinu, co mierzona. Ten wielki sukces TK nie powinien przesłonić kilku problemów. Po pierwsze, od 70 lat nikt nie rozumie w jaki sposób tak naprawdę dochodzi do redukcji fali prawdopodobieństwa i czy ona faktycznie następuje. Zakładanie tej redukcji dobrze współgra z wynikami eksperymentalnymi, ale pytanie zostaje. Po drugie, zgodnie ze szczególną teorią względności (STW) zdarzenia jednoczesne (w tym przypadku redukcja) dla jednego obserwatora nie muszą być jednoczesne dla innego. A więc redukcja fal prawdopodobieństwa preferuje jeden punkt widzenia, obserwatora, dla którego pomiary po obu stronach laboratorium zachodzą jednocześnie. Ale to jest sprzeczne z egalitarnym podejściem STW. Debata trwa…

Stephen's-Quintet

Dla zobrazowania tematyki Kosmosu i Wszechświata przedstawimy kilka pięknych zdjęć: Kwintet Stephana (zwany również Hickson 92, Arp 319) – grupa bardzo dalekich galaktyk NGC 7317, NGC 7318A, NGC 7318B i NGC 7319 (odległość ponad 200 mln lat świetlnych) powiązanych ze sobą grawitacyjnie oraz NGC 7320 – w lewym górnym rogu – (40 mln). Znajdują się w konstelacji Pegaza.

SKOMENTUJ

Zaloguj się i napisz komentarz.

Poznaj Chiny

Artykuły w Kategoriach:

Ziemia Nocą

Komentarze (temp. OFF)

Teleskop Hubble'a