Fizycy uśmiechają się do kota Schrodingera

„Często widywałam kota bez uśmiechu” – pomyślała Alicja. „Ale uśmiech bez kota! To najbardziej ciekawa rzecz, jaką w życiu widziałem!”

To doświadczenie, do którego może się odnieść wybitny fizyk Jakir Aharonov. Wraz z innym izraelskim fizykiem Danielem Rohrlichem pokazali teoretycznie, jak cząstka może pokazać “swoją twarz” w eksperymencie bez potrzeby, aby jej “ciało” było gdziekolwiek w zasięgu wzroku.

Mówiąc dokładniej, ich analiza dowodzi, że informacje mogą być przenoszone między dwoma punktami bez wymiany cząstek.

Teoria sięga 2013 roku, kiedy naukowcy z USA i Arabii Saudyjskiej zasugerowali, że pewnego rodzaju efekt zamrożenia zastosowany do fali kwantowej wciąż może nie wystarczyć, aby powstrzymać ją przed przekazywaniem informacji.

„Okazało się, że to niezwykle interesujące – możliwość komunikacji bez przechodzenia między dwojgiem ludzi, którzy komunikują się ze sobą” – wyjaśnił Aharonov Annie Demming.

„Chcieliśmy sprawdzić, czy możemy to lepiej zrozumieć”.

Model eksperymentalny, na którym opierają swoje obliczenia, jest zaskakująco prosty.

Pomyśl o korytarzu z jednym końcem zamkniętym “lustrzanymi drzwiami”. W fizyce kwantowej, gdzie obiekty nie są definiowane, dopóki nie zostaną zaobserwowane, drzwi są zarówno otwarte, jak i zamknięte, dopóki nie zostaną zauważone, podobnie jak kot w proponowanym eksperymencie myślowym Schrödingera .

Gdyby jakaś cząstka miała zostać wysłana korytarzem, jej los byłby również niewyraźny, dopóki jej podróż nie została ujawniona. To odzwierciedlałoby i nie odzwierciedlało. Przechodziło i nie przechodziło.

Dzieje się tak, ponieważ cząstki fali mają cechy dowolnej fali fizycznej. Istnieją grzbiety i doliny, które decydują o szansach znalezienia się gdzieś cząstki i fazach jej ewolucji w czasie.

Mówiąc prościej, część fazy cząstki opisująca jej moment pędu lub spin, według fizyków, powinna zmieniać się w zależności od tego czy lustrzane drzwi są otwartego lub zamknięte.

Nawet jeśli sama cząstka nie powinna znajdować się nigdzie w pobliżu końca korytarza, Aharonov i Rorlich stwierdził, że to prawie tak, jakby pęd był w stanie wyciągnąć widmowy palec, by dotknąć zamkniętych drzwi, zanim przeniesie z sobą trochę informacji.

Cząsteczki nie są zwykle znane z tego, że odpuszczają takie rzeczy, jak wirowanie lub ładowanie oraz aby oddalały się i wpływały na odległe otoczenie.

„Jeśli mówisz o kocie i jego uśmiechu, to jest to bardzo dziwne” – powiedział Rorlich Demming.

“Ale oczywiście wszystko to musi zostać przetłumaczone z powrotem na cząstki elementarne, a jeśli cząstka elementarna straci swój spin, ponieważ jej spin idzie gdzie indziej – może to jest coś, do czego możemy się przyzwyczaić”.

Aharonov nie jest obca absurdalności fizyki kwantowej. Ponad pół wieku temu współpracował ze znanym fizykiem teoretycznym Davidem Bohmem nad analizą obejmującą nielokalne oddziaływanie na cząstki w polach elektromagnetycznych.

W tym, co obecnie nazywa się efektem Aharonova-Bohma, na naładowaną cząstkę może oddziaływać potencjał elektromagnetyczny, nawet jeśli jest ona ograniczona do obszaru, w którym otaczające pola magnetyczne i elektryczne są równe zeru.

Pomyśl o żaglówce, która pędzi wzdłuż oceanu, gdy ocean jest nieruchomy, a powietrze spokojne. Oczywiście „coś” musiało “popychać” statek. Bez niczego wymuszającego jego ruch, twoje oczy przesunęłyby się po horyzoncie z poczuciem zastanowienia, co jeszcze może być odpowiedzialne.

To, czym jest ten odległy efekt, jest równie kłopotliwe dla fizyków kwantowych.

Aby coś się poruszyło, coś musi przejść przez swoją lokalizację i “powiedzieć”, w którą stronę ma się przesunąć lub jak szybko. Rzeczy same nie decydują o tym, jak postępować.

A jednak widzimy już pewne zdecydowanie „straszne” działania w fizyce kwantowej, które nie zostały jeszcze w pełni wyjaśnione. Fale „splątane” przez przeszłe połączenie mogą natychmiast przekształcić się w dyskretne cząstki, które są ze sobą skorelowane, bez względu na to, jak odległe są.

Wyjaśnienie Aharanova opiera się na koncepcji zwanej pędem modularnym [modular momentum]: charakterystyce cząstek, którą trudno szczegółowo ocenić bez solidnych podstaw matematycznych kwantowej teorii pola.

Zasadniczo, w przeciwieństwie do codziennego pędu – którego możemy doświadczyć bezpośrednio w kategoriach strzelania kulami i unoszącymi się w powietrzu bąbelkami – pęd modułowy ma swoje miejsce w kwantowym świecie fal prawdopodobieństwa, ponieważ falują i zakłócają się wzajemnie w przestrzeni.

Nie jest to rodzaj rozpędu, którego użylibyśmy do opisania, jak flipper odbija się w maszynie. Ale jest to rodzaj pędu, który uwidacznia jego obecność w sposobie, w jaki obliczamy możliwości ruchu, nawet jeśli konsekwencje jego działań są nieco trudniejsze do wyobrażenia.

„Chociaż bardzo zaskakujące jest to, że właściwości mogą pozostawić swoje cząstki, nie jest tak zaskakujące, jak stwierdzenie, że nic się nie wydarzyło i był efekt” – powiedział Aharonov w wywiadzie dla Phys.org .

Jakie praktyczne implikacje – jeśli w ogóle – może to mieć, będzie zależeć przyszłych eksperymentów i inżynierów.

Dla Aharonova i Rohrlicha analiza ma na celu rozstrzygnięcie, co to znaczy, że cząsteczki działają lokalnie, sugerując, że ich właściwości – takie jak zadowolony z siebie uśmiech kota z Cheshire – mogą czasami mieć większe znaczenie niż miejsce pobytu jego ciała.

Badanie to zostało opublikowane w Physical Review Letters.

Źródła: Mike McRae

Elementary particles part ways with their properties

What Is Schrödinger’s Cat?

In a Mind-Bending New Paper, Physicists Give Schrodinger’s Cat a Cheshire Grin

What is nonlocal in counterfactual quantum communication?

Zdjęcia: The Print Collector/Getty Images

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x