Парадоксът на Айнщайн-Подолски-Розен е мисловен експеримент в квантовата механика, чиято първоначална цел е да покаже, че квантово-механичното описание на света би следвало да е непълно и че след време квантовата механика би трябвало да отстъпи място на по-пълна (детерминистична) теория. Резултатът от този мисловен експеримент води до две взаимоизключващи се следствия.
Ако разглеждаме квантова система, състояща се от две подсистеми – A и B – то тогава:
- Според резултатите от мисловния експеримент, измерване върху подсистемата A има незабавно, нелокално действие върху подсистемата B;
- или квантовата механика е непълна теория, в смисъл, че за да се опише резултатът от измерването върху подсистемата B след измерване върху подсистемата A е необходимо да се въведе скрита променлива.
Още за АПР парадокса
Това е парадокс в смисъл, че приемането на някои на пръв поглед реалистични, но фактически грешни хипотези, води до противоречие. Тези хипотези са, че една „физична” теория трябва да е обективна (свойствата на наблюдаемите частици да съществуват независимо от това дали биват измервани) и локална (резултатът от измерване върху една частица да не влияе върху резултатът от измерването на другата).
Парадоксът на Айнщайн-Подолски-Розен е следствие на някои свойства на сплетените състояния, а именно, че след измерване на състоянието на една подчаст от дадена квантова система настъпва колапс на вълновата функция на тази подсистема, както и постулира квантовата механика. Парадоксалното обаче е в това, че „новината” за измерването се разпространява, сякаш мигновено, до друга подчаст на същата квантова система. А тази подчаст е на крайно разстояние от другата подчаст и мигновеното разпространение на тази „новина” привидно противоречи на специалната теория на относителността. Този ефект се нарича „нелокалност” и е често наричан „призрачно действие на разстояние”, както и „квантова странност”.
Измервания на сплетени състояния
Нека разглеждаме източник на двойки електрони, намиращи се в сплетено състояние. Единият е изпратен към точка A, където се е разположила наблюдателката Алиса, а другият към точка B, където пък стои Боби. Според правилата на квантовата механика, два електрона могат да бъдат „подготвени” в сплетено състояние. Това състояние може да бъде разглеждано като квантова суперпозиция на двете състояния, които можем да наречем състояние I и състояние II. В състояние I спинът на електрона A е успореден на оста z (този спин можем да обозначим като спин +z), а спинът на електрон B е антипаралелен на първия („двата спина сочат в противоположни посоки”). В състояние II електрон A има спин -z, а електрон B има спин +z. Следователно на нито един от двата електрона не можем да асоциираме състояние с точно определен спин. Такова състояние се нарича синглетно и именно то е „сплетено”.
Мисловният експеримент на Айнщайн-Подолски–Розен, проведен с електрони. Източник на двойка електрони в сплетено състояния изпраща по един електрон към наблюдател. Алиса (отляво) и Боби (отдясно) могат да измерват проекциите на спина върху различни оси.
Алиса измерва проекцията на спина на изпратения към нея електрон по оста z. Възможните резултатите от нейното измерване на 2: +z или -z. Да предположим, че резултатът е +z. Според правилата на квантовата механика, вълновата функция претърпява колапс в състояние I. (Различни интерпретации на квантовата механика гледат по различен начин на колапса на вълновата функция, но основният резултат е един и същ.) Квантовото състояние определя възможните изходи от дадено измерване върху системата. В случай, че Алиса измери +z, както предположихме, Боби ще измери -z със 100%-ова вероятност, ако също измерва проекцията на спина по оста z. Аналогично, ако Алиса получи -z, Боби ще получи +z.
Разбира се, оста z не е някаква специална привилегирована ос. Алиса и Боби могат да измерват проекцията на спина по оста x. В квантовата механика сплетеното състояние може да бъде също така изразено като суперпозиция на спинове, сочещи по посока или обратно на оста x. Нека наречем тези състояния Ia и IIa. В състояние Ia електронът на Алиса има спин +x, а на Боби -x. В IIa електронът на Алиса има спин -x, а този на Боби +x. Както в случая с оста z, сплетеното състояние е суперпозиция на състояния Ia и IIa. Следователно, ако Алиса получи +x, вълновата функция на системата ще колапсира в състояние Ia, т.е. ако Алиса получи +x, Боби ще получи -x и обратно, ако Алиса получи -x, Боби ще получи +x.
В квантовата механика, проекциите на спина по осите x и z са „несъвместими наблюдаеми”, което означава, че съществува съотношение на неопределеност между тях: в дадено квантово състояние двете величини не могат да бъдат едновременно точно определени. Нека предположим, че Алиса измерва проекцията на спина по оста z и получава +z, след което вълновата функция претърпява колапс и системата се оказва в състояние I. Нека сега, вместо Боби да измерва проекцията на спина по оста z, да я измерва по оста x. Следствие от квантовата механика е, че ако системата е в състояние I, Боби може да получи +x с вероятност 1/2 и -x със същата вероятност. И нищо не може да бъде казано за това какво ще получи Боби преди самият той да извърши измерването.
Това поставя следния въпрос: как електронът на Боби „знае” кога Алиса решава да измери спина на нейния електрон? Също така, как той разбира, че Алиса получава +z? В рамките на Копенхагенската интерпретация, щом при измерване става колапс на вълновата функция, то или съществува някакво мигновено действие на разстояние, чрез което от една подчаст на квантовата система се предава информацията за колапса на друга, или електронът предварително „знае” какво ще се случи.
В този пример беше използван спина на електрона, но същите разсъждения са валидни за много други физични величини — които квантовата механика нарича „наблюдаеми“ — и които могат да бъдат използвани за приготвяне на сплетени състояния.
Реализъм и пълнота
В основата на аргументацията на Айнщайн, Подолски и Розен стоят две идеи от съществено значение: (а) елемент на физическа реалност и (б) пълнота на физическата теория.
Авторите (АПР) не поставят открито въпроса за философското значение на „елемента на физическа реалност”. Те правят предположението, че ако стойността на дадена физична величина съществува обективно, независимо от всякакви измервания или други смущения, то тогава тази величина отговаря на елемент на физическа реалност. А обратното не е вярно: може да има и други начини елементи на физическа реалност да съществуват, но това няма да повлияе на разсъжденията. След това АПР дефинират дадена физична теория като „пълна”, ако включва в себе си всички елементи на физическа реалност. Целта на статията на АПР е да се покаже, че използвайки тези дефиниции, квантовата механика не може да бъде наречена „пълна” теория.
Нека разгледаме как тези идеи се отразяват на резултатите от мисловния експеримент. Нека Алиса да реши да измери проекцията на спина по оста z (което, за краткост, ще наричаме z-спина). Това предопределя стойността, която Боби ще получи, ако реши също да измерви z-спина, т.е. z-спина на Боби се явява елемент на физическа реалност след като Алиса направи своето измерване. Аналогично, ако Алиса реши да измери x-спина, x-спинът на Боби става елемент на физическа реалност.
Както беше казано по-горе, в дадено квантово състояние, z-спина и x-спина не могат да бъдат едновременно определени. Ако квантовата механика е пълна физична теория в горния смисъл, то x-спина и z-спина не могат да бъдат едновременно елементи на физическа реалност. Това означава, че решението на Алиса — по коя ос да измери стойността на спина — има мигновен ефект върху елементите на физическата реалност при Боби, което нарушава друг принцип: локалността.
Принципът на локалността
Принципът на локалността утвърждава, че физическите процеси, протичащи на едно място, не могат да имат незабавен ефект върху елементи на реалността в друга локализация. На пръв поглед това предположение изглежда основателно, доколкото то е следствие от Специалната теория на относителността, съгласно която информацията не може да бъде пренасяна със скорост, по-голяма от скоростта на светлината, без нарушаване на причинността. Общоприето е мнението, че всяка теория, която нарушава причинността, ще бъде наред с това вътрешно противоречива и следователно – дълбоко незадоволителна. Оказва се, че обичайните правила за съчетаване на квантово-механическото и класическото описание нарушават принципа на локалността, без да нарушават причинно-следствената връзка.
Експеримент АПР парадокс. Алис и Боб.
Експеримент на австрийски учени (Джулия Рубино и екип, 2016) с цел да се проучи ролята на причинно-следствените връзки в квантовата механика наскоро разкрива, че редът на събития не може да бъде поначало добре дефиниран в квантовата теория.
Накратко експериментът представя следната идея: Алис изпраща подарък на Боб. А не, обратното – Боб изпраща подарък на Алис. Всъщност си изпращат един и същ подарък един на друг по едно и също време. Експериментът показва как даването на подарък става объркващо, когато се намесят причинно-следствени връзки в квантовата механика. Това е странно, но още по-странен се оказва експериментът на учените от Виена – целта им е да се вкарат събитията в суперпозиция:
„Ако се съберат квантовата механика и причинно-следствени връзки, възниква ситуация, в която няма определен ред на причина и следствие. А това противоречи на логиката“, коментира Джулия Рубино.
Експериментът включва изпращане на фотон през два набора оптични устройства, маркирани като „Алис“ и „Боб“. Тези устройства преобразуват квантово състояние на фотона по различни начини, така че ако мине през Алис, а след това през Боб, да се произведе различен резултат, отколкото ако пръв е Боб, а после е Алис.
За да стане по-ясно, нека си представим, че фотонът е подарък, предназначен за трета страна. Алис обича да увива в хартия подаръците, а Боб предпочита просто да ги връзва с панделка. Ако Алис получи подаръка първа, тя ще го опакова и след това стига до Боб, който ще постави панделка. Ако Боб е първи, опаковката на Алис ще покрие панделката и ще се получи различен резултат.
Нещата стават малко по-сложни в случая с фотона, тъй като „Алис“ и „Боб“ като оптични устройства могат да изпълняват различни действия с определена вероятност и има повече от два възможни изхода.
Кой е пръв?
В експеримента на екипа, един своего рода квантов превключвател контролира по кой път ще мине фотонът и по този начин определя реда на действие на Алис и Боб. За да смесят причинно-следствените връзки, учените поставят самия превключвател в суперпозиция, което означава, че в известен смисъл и двамата действат първи. Разбира се, не точно това се случва, но ние не разполагаме с език, който да опише странния характер на квантовия свят, чиято „пяна“ е под нашия слой реалност.
В мащаби, сравними с размерите на дължината на Планк (10-33 см), вакуумните флуктуации са толкова огромни, че пространството «кипи» и се превръща в «квантова пяна» (Quantum Foam). В този сценарий пространството изглежда напълно гладко за мащаби от 10-12 са грапавостта започва да се появява в мащаби от 10-30 см. Това по същество е израз на принципа на неопределеността в квантовата механика.
Членът на екипа Матеуш Араужо заявява, че „самото време може да бъде неопределено в тези ситуации. Цялото объркване с квантовата механика е непознаване – нещо, което просто не съответства на нашия макроскопски класически опит.“
Мати Хобан от университета в Оксфорд коментира експеримента по следния начин: „Изтласкахме наистина квантовите мистерии и бъркотии до абсолютния предел. И нямаме добра представа за това какво представляват всъщност. Този експеримент не е просто чист квантов фокус. Вече знаем, че объркването на причинно-следствените връзки теоретично би могло да помогне при някои видове квантови комуникации и изчисления за намаляване на количеството на необходимите ресурси, за да се изпращат съобщения или да се решават някои проблеми. В бъдеще екипът иска да реализира това в експеримент. Дали това ще се окаже полезно остава да се види. Изчислителните проблеми са почти езотерични въпроси и не са задачи, пряко свързани с реалния свят.“
Източници:
Сретенова Н., 1998, Постмодерната наука и нейните критици върху дебата Айнщайн-Бор…, София: Херон Прес, ISBN 954-580-052-6
Частта от преводната статия е заимствана от Интернет адрес:
http://nauka.offnews.bg/news/Novini_1/Nov-kvantov-fokus-Redat-na-prichina-i-sledstvie-e-neopredelen_55146.html
Оригиналното изследване е публикувано в портала arxiv.org към Cornell University Library със заглавие „Experimental Verification of an Indefinite Causal Order“. Може да се намери на адрес: https://arxiv.org/abs/1608.01683
