The Experiment That Forever Changed How We Think About Reality

Zasada nieoznaczoności mówi, że nie można znać pewnych właściwości układu kwantowego w tym samym czasie. Na przykład, nie można jednocześnie znać położenia cząstki i jej pędu. Ale co to oznacza dla rzeczywisto±ci? Gdybyśmy mogli zajrzeć za kurtynę teorii kwantowej, czy odkrylibyśmy, że obiekty naprawdę mają dobrze określone pozycje i pędy? Czy też zasada nieoznaczoności oznacza, że na fundamentalnym poziomie obiekty nie mogą mieć jednocześnie jasno określonej pozycji i pędu? Innymi słowy, czy rozmycie jest w naszej teorii, czy w samej rzeczywistości?

Zobacz więcej

Przypadek 1: Niewyraźne okulary, wyraźna rzeczywistość

Pierwsza możliwość jest taka, że korzystanie z mechaniki kwantowej jest jak noszenie niewyraźnych okularów. Gdybyśmy mogli w jakiś sposób zdjąć te okulary i zajrzeć za kulisy fundamentalnej rzeczywistości, to oczywiście cząstka musi mieć jakieś określone położenie i pęd. W końcu jest to rzecz w naszym wszechświecie, a wszechświat musi wiedzieć, gdzie ta rzecz się znajduje i w którą stronę zmierza, nawet jeśli my tego nie wiemy. Zgodnie z tym punktem widzenia, mechanika kwantowa nie jest kompletnym opisem rzeczywistości – badamy subtelność natury tępym narzędziem, a więc na pewno przegapimy niektóre szczegóły.

To pasuje do tego, jak wszystko inne w naszym świecie działa. Kiedy zdejmuję buty i widzisz, że mam na sobie czerwone skarpetki, nie zakładasz, że moje skarpetki były w stanie nieokreślonego koloru, dopóki ich nie zaobserwowaliśmy, z pewną szansą, że mogły być niebieskie, zielone, żółte lub różowe. To jest szalona gadanina. Zamiast tego (poprawnie) zakładasz, że moje skarpetki zawsze były czerwone. Dlaczego więc cząstka miałaby być inna? Z pewnością właściwości rzeczy w przyrodzie muszą istnieć niezależnie od tego, czy je mierzymy, prawda?

Typ 2: Czyste okulary, rozmyta rzeczywistość

Z drugiej strony, może być tak, że nasze okulary są doskonale czyste, ale rzeczywistość jest rozmyta. Zgodnie z tym punktem widzenia, mechanika kwantowa jest kompletnym opisem rzeczywistości na tym poziomie, a rzeczy we wszechświecie po prostu nie mają określonego położenia i pędu. Jest to pogląd, który wyznaje większość fizyków kwantowych. Nie chodzi o to, e narzędzia są tępe, ale o to, e rzeczywistość jest z natury niejasna. W odró „nieniu od przypadku moich czerwonych skarpetek, kiedy mierzysz, gdzie znajduje si¦ cz¡steczka, nie posiada ona okre±lonej pozycji do momentu, w którym j¡ mierzysz. Akt pomiaru jego pozycji zmusił go do posiadania określonej pozycji.

Teraz, można by pomyśleć, że jest to jeden z tych „jeśli-drzewo-pada-w-lasie” typy metafizycznych pytań, które nigdy nie mogą mieć ostatecznej odpowiedzi. Jednakże, w przeciwieństwie do większości pytań filozoficznych, istnieje rzeczywisty eksperyment, który możesz przeprowadzić, aby rozstrzygnąć tę debatę. Co więcej, eksperyment ten został już przeprowadzony wiele razy. Moim zdaniem, jest to jedna z najbardziej niedocenianych idei w naszym popularnym rozumieniu fizyki. Eksperyment jest dość prosty i niesamowicie głęboki, ponieważ mówi nam coś głębokiego i zaskakującego o naturze rzeczywistości.

Oto konfiguracja. Na środku pokoju znajduje się źródło światła. Co minutę wysyła ono dwa fotony, w przeciwnych kierunkach. Te pary fotonów są tworzone w specjalnym stanie znanym jako splątanie kwantowe. Oznacza to, że oba są połączone w sposób kwantowy – tak, że jeśli dokonasz pomiaru na jednym fotonie, nie tylko zmienisz stan kwantowy tego fotonu, ale także natychmiast zmienisz stan kwantowy drugiego fotonu.

Jesteś ze mną do tej pory?

Po lewej i prawej stronie tego pokoju znajdują się dwa identyczne pudełka przeznaczone do odbioru fotonów. Każde pudełko jest wyposażone w lampkę. Co minutę, jak foton uderza w pudełko, światło błyska jednym z dwóch kolorów, albo czerwony lub zielony. Z minuty na minutę kolor światła wydaje się dość przypadkowy – czasem jest czerwony, a innym razem zielony, bez wyraźnego wzoru w jedną lub drugą stronę. Jeśli włożysz rękę w tor ruchu fotonu, żarówka nie miga. Wydaje się, że to pudełko wykrywa jakąś właściwość fotonu.

Więc kiedy patrzysz na jakiekolwiek pudełko, miga czerwonym lub zielonym światłem, zupełnie przypadkowo. Każdy może zgadywać, który kolor będzie migał w następnej kolejności. Ale tu jest naprawdę dziwna rzecz: Kiedy jedno pudełko miga pewnym kolorem, drugie pudełko zawsze miga tym samym kolorem. Bez względu na to, jak daleko od detektora próbujesz odsunąć pudełka, mogą one nawet znajdować się na przeciwległych krańcach naszego Układu Słonecznego, będą one bezbłędnie migać tym samym kolorem.

To prawie tak, jakby te pudełka spiskowały, aby dać ten sam wynik. Jak to jest możliwe? (Jeśli masz swoją własną teorię na temat działania tych pudełek, trzymaj się jej, a za jakiś czas będziesz mógł sprawdzić swój pomysł w eksperymencie.)

„Aha!” mówi entuzjasta kwantowy. „Mogę wyjaśnić, co się tutaj dzieje. Za każdym razem, gdy foton uderza w jedno z pudełek, pudełko mierzy jego stan kwantowy, który zgłasza migając albo czerwonym, albo zielonym światłem. Ale te dwa fotony są powiązane razem przez splątanie kwantowe, więc kiedy mierzymy, że jeden foton jest w czerwonym stanie (powiedzmy), zmusiliśmy drugi foton do tego samego stanu, jak również! To dlatego dwa pudełka zawsze migają tym samym kolorem.”

„Chwileczkę,” mówi prozaiczny fizyk klasyczny. „Cząstki są jak kule bilardowe, a nie laleczki voodoo. To absurd, że pomiar w jednym zakątku przestrzeni może natychmiast wpłynąć na coś w zupełnie innym miejscu. Kiedy obserwuję, że jedna z moich skarpetek jest czerwona, nie zmienia to natychmiast stanu drugiej skarpetki, zmuszając ją do bycia również czerwoną. Prostsze wyjaśnienie jest takie, że fotony w tym eksperymencie, podobnie jak skarpetki, są tworzone parami. Czasami oba są w stanie czerwonym, innym razem w stanie zielonym. Te pudełka właśnie mierzą ten 'ukryty stan’ fotonów.”

Eksperyment i rozumowanie wypisane tutaj jest wersją eksperymentu myślowego po raz pierwszy wyartykułowanego przez Einsteina, Podolsky’ego i Rosena, znanego jako eksperyment EPR. Istotą ich argumentu jest to, że wydaje się absurdalne, iż pomiar w jednym miejscu może natychmiast wpłynąć na pomiar w zupełnie innym miejscu. Bardziej logicznym wyjaśnieniem jest to, że pudełka wykrywają jakąś ukrytą własność, którą dzielą oba fotony. Od momentu powstania fotony te mogą nosić jakiś ukryty znaczek, jak paszport, który identyfikuje je jako będące albo w stanie czerwonym, albo w stanie zielonym. Pudełka muszą więc wykrywać ten znaczek. Einstein, Podolsky i Rosen argumentowali, że przypadkowość, którą obserwujemy w tych eksperymentach, jest własnością naszej niekompletnej teorii przyrody. Według nich, to nasze okulary są zamazane. W żargonie fachowym pomysł ten znany jest jako teoria ukrytych zmiennych rzeczywistości.

Wydawałoby się, że fizyka klasyczna wygrała tę rundę, z wyjaśnieniem, które jest prostsze i ma więcej sensu.

Następnego dnia pocztą przychodzi nowa para pudełek. Nowa wersja pudełka ma troje drzwi wbudowanych w nie. Możesz otworzyć tylko jedne drzwi w tym samym czasie. Za każdymi drzwiami znajduje się światło, i tak jak poprzednio, każde światło może świecić na czerwono lub zielono.

Dwaj fizycy bawią się tymi nowymi pudełkami, łapiąc fotony i obserwując, co się dzieje, gdy otwierają drzwi. Po kilku godzinach zabawy, oto co odkryli:

1. Jeśli otworzą te same drzwi w obu pudełkach, światła zawsze błyskają tym samym kolorem.

2. Jeśli otworzą drzwi dwóch pudełek losowo, wtedy światła błyskają tym samym kolorem dokładnie połowę czasu.

Po namyśle, fizyk klasyczny wymyśla proste wyjaśnienie tego eksperymentu. „W zasadzie nie różni się to zbytnio od wczorajszych pudełek. Oto sposób, w jaki można o tym myśleć. Zamiast jednej pieczątki, powiedzmy, że każda para fotonów ma teraz trzy pieczątki, coś jak posiadanie wielu paszportów. Każde drzwi w pudełku odczytują inny z tych trzech znaczków. Tak więc, na przykład, trzy znaczki mogą być czerwony, zielony i czerwony, co oznacza, że pierwsze drzwi będą migać na czerwono, drugie drzwi będą migać na zielono, a trzecie drzwi będą migać na czerwono.”

„Idąc z tym pomysłem, to ma sens, że kiedy otwieramy te same drzwi na obu pudełkach, mamy ten sam kolor światła, ponieważ oba pudełka czytają ten sam znaczek. Ale kiedy otwieramy różne drzwi, pudełka czytają różne znaczki, więc mogą dawać różne wyniki.”

Powtarzam, wyjaśnienie klasycznego fizyka jest proste i nie odwołuje się do żadnych wymyślnych pojęć, takich jak splątanie kwantowe czy zasada niepewności.

„Nie tak szybko,” mówi fizyk kwantowy, który właśnie skończył bazgrać obliczenia na swoim notatniku. „Kiedy ty i ja otwieraliśmy losowo drzwi, odkryliśmy, że przez połowę czasu światła migają w tym samym kolorze. Ta liczba – połowa – zgadza się dokładnie z przewidywaniami mechaniki kwantowej. Ale zgodnie z twoimi pomysłami 'ukrytych znaczków’, światła powinny migać tym samym kolorem więcej niż połowę czasu!”

Kwantowy entuzjasta jest na coś tutaj.

„Zgodnie z pomysłem ukrytych znaczków, istnieje 8 możliwych kombinacji znaczków, które fotony mogą mieć. Oznaczmy je przez pierwsze litery kolorów, w skrócie, więc RRG = czerwony czerwony zielony.”

RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
RGG
RR
GG

„Teraz, kiedy wybieramy drzwi na chybił trafił, w jednej trzeciej przypadków wybierzemy te same drzwi przez przypadek, a kiedy to zrobimy, zobaczymy ten sam kolor.”

„Pozostałe dwie trzecie czasu, wybieramy różne drzwi. Załóżmy, że spotykamy fotony z następującą konfiguracją znaczków:”

RRG

„W takiej konfiguracji, jeśli wybraliśmy drzwi 1 na jednym pudełku i drzwi 2 na innym, światła migają tego samego koloru (czerwony i czerwony). Ale gdybyśmy wybrali drzwi 1 i 3, lub drzwi 2 i 3, migałyby one różnymi kolorami (czerwonym i zielonym). Więc w jednej trzeciej takich przypadków, pudełka migają tym samym kolorem.”

„Podsumowując, w jednej trzeciej przypadków pudełka migają tym samym kolorem, ponieważ wybraliśmy te same drzwi. Dwie trzecie czasu wybraliśmy różne drzwi, a w jednej trzeciej tych przypadków pudełka migają tym samym kolorem.”

„Dodając to do siebie,”

⅓ + ⅔ ⅓ = 3/9 + 2/9 = 5/9 = 55.55%

„Więc 55.55% jest prawdopodobieństwo, że pola migają tego samego koloru, gdy wybierzemy dwa drzwi w sposób losowy, zgodnie z teorią ukrytych znaczków.”

„Ale czekaj! Sprawdziliśmy tylko jedną możliwość – RRG. A co z pozostałymi? Wymaga to trochę myślenia, ale nie jest zbyt trudne, aby pokazać, że matematyka jest dokładnie taka sama we wszystkich następujących przypadkach:”

RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
RGG

„Pozostają tylko dwa przypadki:”

RR
GGG

„W tych przypadkach otrzymujemy ten sam kolor bez względu na to, które drzwi wybierzemy. Więc może to tylko zwiększyć ogólne szanse na to, że dwa pudełka będą migać tym samym kolorem.”

„Puenta jest taka, że zgodnie z ideą ukrytych znaczków, szanse na to, że oba pudełka będą migać tym samym kolorem, gdy otworzymy drzwi w sposób losowy wynosi co najmniej 55,55%. Ale zgodnie z mechaniką kwantową, odpowiedź wynosi 50%. Dane zgadzają się z mechaniką kwantową i wykluczają teorię 'ukrytych znaczków’.”

Jeśli dotarłeś tak daleko, warto zatrzymać się i zastanowić nad tym, co właśnie pokazaliśmy.

Właśnie przeszliśmy przez argumentację przełomowego wyniku w mechanice kwantowej znanego jako twierdzenie Bella. Czarne skrzynki tak naprawdę nie migają czerwonym i zielonym światłem, ale w szczegółach, które mają znaczenie, odpowiadają prawdziwym eksperymentom, które mierzą polaryzację splątanych fotonów.

Twierdzenie Bella rysuje linię w piasku pomiędzy dziwnym światem kwantowym a znanym nam światem klasycznym, który znamy i kochamy. Dowodzi, że teorie ukrytych zmiennych, takie jak te, które Einstein i jego kumple wymyślili, po prostu nie są prawdziwe1. W jej miejsce pojawia się mechanika kwantowa, wraz z jej cząstkami, które mogą być splątane na ogromne odległości. Kiedy zaburzasz stan kwantowy jednej z tych splątanych cząstek, natychmiast zaburzasz również stan drugiej, bez względu na to, gdzie we wszechświecie się ona znajduje.

Pocieszająca jest myśl, że moglibyśmy wyjaśnić dziwność mechaniki kwantowej, gdybyśmy wyobrazili sobie codzienne cząstki z małymi niewidzialnymi kołami zębatymi, niewidzialnymi znaczkami, ukrytym notatnikiem lub czymś podobnym – jakimiś ukrytymi zmiennymi, do których nie mamy dostępu – a te ukryte zmienne przechowują „prawdziwe” położenie i pęd oraz inne szczegóły dotyczące cząstki. Pocieszająca jest myśl, że na podstawowym poziomie rzeczywistość zachowuje się klasycznie, a nasza niekompletna teoria nie pozwala nam zajrzeć do tego ukrytego rejestru. Ale twierdzenie Bella pozbawia nas tego komfortu. Rzeczywistość jest rozmyta, a my po prostu musimy się do tego faktu przyzwyczaić.

Przypisy

1. Technicznie rzecz biorąc, twierdzenie Bella i następujący po nim eksperyment wykluczają dużą klasę teorii zmiennych ukrytych, znanych jako lokalne teorie zmiennych ukrytych. Są to teorie, w których ukryte zmienne nie poruszają się szybciej niż światło. Nie wyklucza to nielokalnych teorii zmiennych ukrytych, w których zmienne ukryte podróżują szybciej niż światło, a mechanika Bohma jest najbardziej udanym przykładem takiej teorii.

Po raz pierwszy natknąłem się na to pudełko z migającymi światłami wyjaśniające twierdzenie Bella w książce Briana Greene’a Fabric of the Cosmos. Ta pedagogiczna wersja eksperymentu Bella wywodzi się od fizyka Davida Minina, który ją wymyślił. Jeśli chciałbyś posmakować jego unikalnej i błyskotliwej marki ekspozycji fizyki, podnieś kopię jego książki Boojums All the Way Through.

Homepage Image: NASA/Flickr

.