• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Naukowcy mają kolejny dowód na to, że Einstein się mylił

    07.07.2011. 00:11
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Pomiar jednej z właściwości fotonu ma wpływ na wynik pomiaru innej - udowodniła grupa naukowców z Wiednia (wśród nich dwóch Polaków: Radek Łapkiewicz i Marcin Wieśniak). To kolejny dowód na trafność teorii, której nie chciał zaakceptować Albert Einstein.

    Einstein nie chciał się pogodzić z tezami zawartymi w mechanice kwantowej, która opisuje prawa rządzące najmniejszymi cząstkami materii. Główny problem, jaki miał genialny fizyk z tą teorią nikogo nie zdziwi. Zmaga się z nim każdy laik, któremu uczeni próbują wyjaśnić, o co chodzi w mechanice kwantowej - po prostu trudno zrozumieć, jak to jest możliwe, że właściwość układu kwantowego zaczyna istnieć dopiero wtedy, kiedy zostanie zmierzona.

    W mechanice kwantowej do momentu przeprowadzenia pomiaru układ może znajdować się jednocześnie w wielu stanach, czyli w tzw. superpozycji. "To sytuacja podobna do takiej, w której jeden człowiek byłby zdolny iść jednocześnie w prawo i w lewo" - wyjaśnia PAP Radek Łapkiewicz.

    Można powiedzieć, że pomiar nie tyle ujawnia wartość danej cechy cząstki (np. jej pędu lub położenia), ile tak naprawdę ją tworzy. To obserwator decyduje, którą z wielu możliwych właściwości "powoła do życia".

    Tego Einstein nie chciał zaakceptować. Wierzył w istnienie obiektywnej rzeczywistości, niezależnej od tego, czy ktoś ją obserwuje czy nie. Wspomnienie częstych dyskusji z genialnym kolegą na ten temat zapisał fizyk zajmujący się mechaniką kwantową Abraham Pais. "Pamiętam, że na jednym ze spacerów Einstein nagle się zatrzymał, obrócił w moją stronę i spytał, czy naprawdę wierzę, że Księżyc istnieje tylko wtedy, kiedy na niego patrzę" - relacjonował Pais.

    Jednak obserwacje fizyków potwierdzały, że pomiary mają realny wpływ na zachowanie cząstek i nie wynika to tylko z tego, że inwazyjna metoda pomiaru zmienia właściwości badanych obiektów. Koronnym dowodem są coraz doskonalsze obserwacje par splątanych cząstek. Pomiary wykonywane na jednej z nich natychmiastowo wpływają na drugą, niezależnie od odległości pomiędzy cząstkami (zjawisko to zaobserwowano nawet na odległości ponad 100 km). Pomiary wykonane na każdej z cząstek dają zupełnie przypadkowe wyniki, jednak gdy zestawimy wyniki dla obu cząstek, okaże się, że są identyczne.

    Od dawna próbowano wyjaśnić te zjawiska, nie używając mechaniki kwantowej, ale tworząc teorie alternatywne, tzw. teorie ukrytych zmiennych. W tych teoriach układy mają dobrze określone właściwości, które nie zależą od obserwacji.

    Jak podkreślił Łapkiewicz, nie cieszą się one popularnością uczonych, powszechnie uznających mechanikę kwantową za dobry opis świata. Do tej pory jednak nie było doświadczenia (innego niż z cząstkami splątanymi), które by je wykluczało. Teraz grupa młodych naukowców z Uniwersytetu Wiedeńskiego, pod kierunkiem prof. Antona Zeilingera (który przeprowadził wcześniej przełomowe doświadczenia ze splątanymi fotonami) zaprojektowała i wykonała taki eksperyment.

    "Według teorii, które nasze doświadczenie obala, pomiar to sprawdzenie wcześniej istniejących właściwości (niezależnych od naszego pomiaru). Tego nie da się pogodzić z mechaniką kwantową, jeśli badamy układ, o co najmniej trzech odróżnialnych stanach (ang. qutrit)" - tłumaczył PAP Łapkiewicz.

    Można więc nazwać to doświadczenie próbą sił między mechaniką kwantową, a koncepcjami alternatywnymi. Wynik nie jest zaskoczeniem, ale jednocześnie jest dla fizyki przełomowy.

    "Dotychczas ten wynik funkcjonował teoretycznie. My wyszliśmy z założenia, że fizyka jest nauką doświadczalną, więc warto pomyśleć nad realizacją eksperymentu, który wykluczyłby w sposób namacalny istnienie zmiennych ukrytych. Znaleźliśmy najprostszą metodę realizacji tego doświadczenia" - powiedział PAP inny z autorów doświadczenia dr Marcin Wieśniak, obecnie pracownik Uniwersytetu Gdańskiego.

    Jak wyjaśnił Wieśniak, odpowiedzialny za część teoretyczną badania, w eksperymencie wykorzystano nierówność zaproponowana przez grupę tureckich matematyków. Alexander A. Klyachko, M. Ali Can, Sinem Binicioglu i Alexander S. Shumovsky opublikowali na ten temat pracę na początku 2009 r.

    "Kiedy Radek Łapkiewicz znalazł ten artykuł, on był dosyć świeży. Zdaje się, że minęło dwa lub trzy miesiące od czasu druku" - wspominał Wieśniak.

    Wykorzystana przez eksperymentatorów nierówność przypomina tę znalezioną przez Johna Stewarta Bella w latach 60. XX w. Nierówność ta jest spełniona jeśli wyniki pomiarów jednej cechy są niezależne od tego, jakie inne cechy danej cząstki są w danej chwili badane. Odwracając zaś to myślenie, pewne teorie ukrytych zmiennych nie mogą być prawdziwe (czyli nierówność nie zostanie spełniona), jeśli poziom korelacji pomiędzy wynikami pomiarów dwóch różnych cech tej samej cząstki przekroczy graniczną wartość.

    Spełnienie nierówności oznaczałoby, że alternatywne wobec mechaniki kwantowej teorie mogą być słuszne - jej złamanie, że słuszna jest mechanika kwantowa.

    Bell sformułował pierwszą z tych nierówności - odnoszącą się do cząstek splątanych i przedstawił teoretyczną propozycję eksperymentu, mogącego weryfikować teorie ukrytych zmiennych. Później doświadczenie przyniosło rozstrzygnięcie na korzyść mechaniki kwantowej, pokazując jednocześnie zjawisko splątania odległych od siebie obiektów.

    Teraz zademonstrowano z kolei, że nawet bez splątania wyniki pomiarów nie dają się opisać przy użyciu ukrytych zmiennych niezależnych od pomiarów - wyniki uzyskane przez eksperymentatorów złamały nierówność. Co dla nikogo nie było zaskoczeniem.

    Wieśniak zastrzegł jednak, że doświadczenie nie przekona wszystkich zwolenników teorii alternatywnych wobec mechaniki kwantowej. "To jest bardzo silny i bardzo prosty w swojej naturze dowód przeciw tzw. zmiennym ukrytym. Nie mogę jednak powiedzieć, że ostatecznie wyeliminowaliśmy alternatywne opisy. To jest walka z teoriami w pewnym sensie spiskowymi" - powiedział.

    Fizycy nie mają jednak poczucia, że przeprowadzili swój eksperyment tylko dla przyjemności.

    "Z naszym doświadczeniem jest trochę jak z doświadczeniem Bella. Jeżeli ktoś wierzy w mechanikę kwantową, to wynik nie powinien być dla niego zaskoczeniem. Mimo to obserwacja łamania nierówności Bella udowodniła ludziom, że zaskakujące kwantowe efekty są nam dostępne i może warto pomyśleć jak ich używać. Narodziła się koncepcja zastosowania dziwnych właściwości mechaniki kwantowej w obróbce i przesyłaniu informacji. Znaleziono i zademonstrowano protokoły służące kryptografii, teleportacji, a także algorytmy obliczeń kwantowych. Może tutaj będzie podobnie. Istniał wynik na papierze, a my pokazaliśmy, że jest sposób żeby zobaczyć go w laboratorium" - podkreślił Łapkiewicz.

    Doświadczenie opracował i przeprowadził zespół w składzie: Radek Łapkiewicz, Peizhe Li, Christoph Schaeff, Nathan K. Langford, Sven Ramelow, Marcin Wieśniak, pod kierunkiem Antona Zeilingera. Pracę opisującą przebieg doświadczenia i jego wyniki opublikowało ostatnio czasopismo "Nature".

    PAP - Nauka w Polsce, Urszula Rybicka

    tot/ agt/

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Twierdzenie Bella (zwane też nierównością Bella) - twierdzenie dotyczące mechaniki kwantowej i teorii pomiaru, pokazujące, w jaki sposób przewidywania mechaniki kwantowej różnią się od klasycznej intuicji. Jego autorem jest irlandzki fizyk John Stewart Bell. Można je sformułować następująco: Harald Weinfurter (ur. 14 maja 1960 w Steyr) – profesor fizyki w Uniwersytetecie Ludwiga Maximiliana (niem. Ludwig-Maximilians-Universität München, LMU, Uniwersytet Monachijski). Specjalista w dziedzinie eksperymentów dotyczących podstaw mechaniki kwantowej, a w szczególności: kwantowej interferometrii ze skorelowanymi fotonami, kwantowego splątania, nierówności Bella, kwantowej komunikacji i przetwarzania informacji, kwantowej kryptografii i metrologii. Teoria kwantowa - a właściwie kwantowe teorie to teorie szczegółowe modele fizyczne, które za swą podstawę teoretyczną przyjmują mechanikę kwantową. Często nazwa teoria kwantowa jest używana jako synonim mechaniki kwantowej.

    Postulaty mechaniki kwantowej – podstawowe założenia mechaniki kwantowej, na podstawie których została opracowana cała teoria fizyczna i sformułowane ogólne prawa. Jako że mechaniki kwantowej, tak samo jak i innych teorii fizycznych, nie można wyprowadzić ani udowodnić, jej sformułowanie matematyczne oparte jest na szeregu założeń, zwyczajowo nazywanych postulatami. Ostatecznie o ich poprawności świadczy jedynie zgodność z doświadczeniem i wewnętrzna niesprzeczność teorii. Teoria zmiennych ukrytych (Teoria Ukrytych Parametrów) – zbiorcza nazwa dla różnych koncepcji będących interpretacjami teorii kwantów. Interpretacje te próbują wyeliminować paradoksy obecne w innych interpretacjach poprzez wprowadzenie dodatkowych mechanizmów. W teoriach tych zakłada się istnienie przyczyn powstawania zjawisk fizycznych niemożliwych do opisania za pomocą mechaniki kwantowej i niepoznawalnych dla ludzkiego umysłu.

    Dekoherencja kwantowa, to w mechanice kwantowej proces opisujący oddziaływanie obiektu kwantowego z otoczeniem. Jest to fundamentalny proces tłumaczący w jaki sposób mechanika klasyczna może być rozumiana jako przybliżenie mechaniki kwantowej. Oddziaływanie z otoczeniem stanowi realizację kwantowego pomiaru, procesu który prowadzi do redukcji funkcji falowej. Dekoherencja zakłada oddziaływanie obiektu z otoczeniem w sposób nieodwracalny w sensie termodynamicznym, co niszczy interferencję między danym obiektem i otoczeniem. Innymi słowy dekoherencja eliminuje ewentualne splątanie układu kwantowego z otoczeniem. Dekoherencja może być rozumiana jako utrata informacji o układzie wskutek jego oddziaływania z otoczeniem. Teoria wszystkiego (ang. Theory of Everything, TOE, zwana dalej TW) – hipotetyczna teoria fizyczna opisująca w sposób spójny wszystkie zjawiska fizyczne i pozwalająca przewidzieć wynik dowolnego doświadczenia fizycznego. Współcześnie tym zwrotem określa się zwykle teorie usiłujące połączyć mechanikę kwantową z ogólną teorią względności. Jak do tej pory żadna z takich teorii nie została eksperymentalnie potwierdzona. Głównym problemem okazały się fundamentalne różnice w sposobie sformułowania tych dwóch teorii, które powodują przy ich łączeniu pojawianie się problemów renormalizacji, gdy przewidywane wyniki pewnych pomiarów mają nieskończone wartości. Dodatkowo istnieje wiele problemów, których żadna z tych teorii nie rozwiązuje.

    Kwantowa dystrybucja klucza (ang. Quantum key distribution, QKD ) – zespół procedur służących do przekazywania tajnych wiadomości z bezpieczeństwem zagwarantowanym przez podstawowe zasady mechaniki kwantowej. Kwantowa dystrybucja klucza umożliwia bezpieczną komunikację przy użyciu mechaniki kwantowej. Dwie strony mogą stworzyć losowy tajny klucz współdzielony, który może być później wykorzystany do szyfrowania i deszyfrowania wiadomości. Kwantowa dystrybucja klucza często nazywana jest błędnie kryptografią kwantową, tymczasem jest tylko najbardziej znanym zgadnieniem z tej dziedziny. Reguły nadwyboru – stosowane w ramach mechaniki kwantowej reguły określające, jakie stany można traktować jako fizyczne. Zgodnie z regułami mechaniki kwantowej dopuszcza się superpozycje stanów rozważanego układu. Okazuje sie jednak, że w przypadku istnienie nietrywialnych reguł nadwyboru superpozycja dwóch stanów fizycznych może nie być stanem fizycznym.

    Rotator sztywny – jest to model w mechanice kwantowej, gdzie występuje układ dwóch cząstek, związanych ze sobą. Może on się obracać w przestrzeni, podczas gdy odległość pomiędzy cząstkami się nie zmienia.

    Relatywistyczna mechanika kwantowa – teoria kwantowa uwzględniająca istnienie skończonej, maksymalnej do osiągnięcia prędkości równej prędkości światła, zarówno dla ruchu cząstek, jak i propagacji oddziaływania. W teorii tej nierelatywistyczne równanie Schrödingera (słuszne dla małych prędkości) zastępowane jest równaniem Kleina-Gordona lub Diraca. Relatywistyczna mechanika kwantowa stosuje kwantowy opis ruchu w czasoprzestrzeni Minkowskiego. Immanentną cechą opisu relatywistycznego mechaniki kwantowej z użyciem równania Diraca jest istnienie spinu. Teoria ta napotyka na liczne problemy interpretacyjne (zitterbewegung, paradoks Kleina, rozwiązania o ujemnej energii) i przez to nie jest teorią spójną. Jej naturalnym uogólnieniem jest kwantowa teoria pola, która w naturalny sposób rozwiązuje większość problemów relatywistycznej mechaniki kwantowej.

    Macierz S (macierz rozpraszania, od ang. scattering matrix) jest centralnym elementem w mechanice kwantowej w obrazie oddziaływań (będącym obok obrazu Heisenberga i obrazu Schroedingera trzecim obrazem mechaniki kwantowej) bardzo istotnym dla optyki kwantowej. Opisuje ona w jaki sposób zachodzi rozpraszanie cząstek: podstawiając funkcje falowe cząstek rozpraszanych otrzymujemy funkcje falowe cząstek rozproszonych: Czas urojony — koncepcja wyprowadzona z mechaniki kwantowej, niezbędna przy próbie połączenia mechaniki kwantowej z mechaniką statystyczną.

    Zakaz klonowania – w mechanice kwantowej, to teoria zabraniająca tworzenia identycznych kopii nieznanego stanu kwantowego. Została zaproponowana przez Williama Woottersa, Wojciecha Żurka oraz Dennisa Dieksa w 1982 roku i ma ogromne znaczenie dla teorii mechaniki kwantowej oraz informatyki kwantowej.

    Dodano: 07.07.2011. 00:11  


    Najnowsze