kuantum fiziğinin en büyük gizemi

Dolanıklık, muhtemelen kuantum fiziğindeki en ilgi çekici fenomendir, şu temele dayalı beklentilerimizden en fazla sapan fenomendir. sağduyu. Onu anlamak ve önemini düşünmek için biraz tarih okumamız gerekiyor.

Kuantum dolaşıklığı keşfedildi kağıtta Einstein, Podolsky ve Rosen tarafından 1935’te; ve her ikisinin de kuantum fiziğinin yanlış ya da en azından eksik olması gerektiğinin kanıtı olduğunu iddia etmeleri çok saçma görünüyor. Ancak absürt Fizikte 2022 Nobel ödüllü John Clauser, Alain Aspect ve Anton Zeilinger’in laboratuvarda gösterdiği gibi, bu fenomen gerçektir.

Kuantum dolaşıklık nedir?

Herhangi bir parçacığı düşünelim, örneğin bir elektron. Bir elektronun birkaç fiziksel özelliği vardır: kütlesi, elektrik yükü ve dönüşü.

Bir parçacığın dönüşü, onun içsel dönüşüdür. Parçacık, bir eksen etrafında dönen minyatür bir gezegenmiş gibi düşünebiliriz. Genellikle parçacıkla aynı şekilde dönen bir vidanın ileri yönünü gösteren bir okla temsil edilir. Dünya durumunda, Dünya’nın dönme ekseni boyunca ve yukarıyı (Kuzey Yıldızına doğru) gösteren bir ok olacaktır. Kuantum fiziği gösterimini kullanarak, iki temel dönüş durumu | ↑ ⟩ (yukarıyı döndürerek) ve | ↓ ⟩ (aşağıyı gösteriyor):

Şimdi, her ikisinin de spini yukarıyı gösteren iki parçacığımız (elektron 1 ve elektron 2) olduğunu varsayalım. Durumunuz | ↑ ⟩₁ | ↑ ⟩₂:

Benzer şekilde, her iki dönüşü de aşağıyı gösteren bir durumu düşünebiliriz, | ↓ ⟩₁ | ↓ ⟩₂.

Şimdi, kuantum fiziğine göre, iki elektronun sistemi her iki durumun süperpozisyonunda olabilir:

        | ↑ ⟩₁ | ↑ ⟩₂   +   | ↓ ⟩₁ | ↓ ⟩₂ 

Bu durumda iki olasılık bir arada var olur: iki dönüş yukarıyı ve ikisi aşağıyı işaret eder. Bu, herhangi bir elektrona kesin bir spin durumu atfetmenin mümkün olmadığı dolanık bir durumdur. 1 parçacığının dönüşünü ölçersek, %50 olasılıkla ↑ veya ↓ elde edebiliriz. Ve aynı şey, elektron 2’nin dönüşünü ölçmeyi seçersek.

Şimdi kilit nokta geliyor. Elektron 1’in dönüşünü ölçtüğümüzü ve ↑ elde ettiğimizi varsayalım. O zaman ↓ olasılığı otomatik olarak dışlandığı için durum artık bir süperpozisyon değildir. Bu nedenle, yukarıdaki örtüşmenin terimlerinden yalnızca biri, yani birinci terim, | ↑ ⟩₁| ↑ ⟩₂:

    | ↑ ⟩₁| ↑ ⟩₂  +  | ↓ ⟩₁| ↓ ⟩₂   ⎯→  | ↑ ⟩₁| ↑ ⟩₂ 

Bu durum değişikliği, sadece gözlemlenerek, durum çöküşü olarak adlandırılır ve en ortodoks formülasyonunda kuantum mekaniğinin bir varsayımıdır.

Önemli olan nokta, artık ikinci elektronun spininin %50 olasılıkla artık ↑ veya ↓ olamayacağıdır. Şimdi %100 ihtimalle ↑. Ve henüz bu konuda herhangi bir işlem yapmadık.

Einstein’ın Sevmediği Şeyler

Her nasılsa, elektron 1’e olan şey, elektron 2’nin durumunu anında etkiledi. Ve bu gizemli etki iletildi. herhangi bir fiziksel destek olmadan (elektromanyetik dalgalar veya bunun gibi bir şey). Ayrıca parçacıklar birbirinden milyonlarca kilometre uzakta olabilir ve etki tamamen aynıdır. İki elektronun durumları arasında bir tür telepati gibi görünüyor. Einstein’ın derinden iğrendiği şey de budur, çünkü hiçbir fiziksel etkinin ışıktan daha hızlı iletilemeyeceği görelilik teorisiyle çelişiyor gibi görünüyor.

Derinliğine rağmen, Einstein ve diğerlerinin makalesi bilim camiasında çok az etki yarattı. Çoğu fizikçi, bu incelemeleri Bizans tartışmaları olarak gördü. Pratik amaçlar için, her şey daha geleneksel veya “klasik” bir duruma benziyordu. görmezden geleceğiz elektronlar (her ikisi de) yukarı veya aşağı dönüşe sahipse. Ve birinin dönüşünü ölçerek diğerinin dönüşüyle ​​ilgili şüpheden kurtuluruz.

Bilgi aktarımı olmayacaktı. Sadece bizim tarafımızda cehalet olurdu. gerçek elektronların spin durumu başlangıçtan beri.

Bell’in eşitsizlikleri

Ancak 1964’te İrlandalı fizikçi John Bell (bu hikayenin gerçek kahramanı ve henüz Nobel Ödülü’nü almamıştı) klasik analogla işlerin aynı olmadığını, başka bir deyişle, dolaşıklık olgusunun olabileceğini kanıtladı. deneysel olarak kanıtlanmıştır. Bell’in fikrinin anahtarı, birçok parçacık çifti kullanmak ve her elektronun (bilimsel jargonda Alice ve Bob olarak adlandırılır) gözlemcilerinin dönüşü yalnızca dikey yönde değil, aynı zamanda diğer yönlerde de ölçmesine izin vermektir.

Bell, Alice’in (a₁, a₂, a₃, vb.) ve Bob’un (b₁, b₂, b₃, vb.) ölçülerinin matematiksel olarak belirli bir şekilde birleştirilebileceğini gösterdi. eğer doğa klasikse (yani, fiziksel büyüklükler iyi tanımlanmıştır ve anlık bilgi aktarımı yoktur), bu kombinasyonun değeri mutlaka 2’den küçük veya buna eşit olmalıdır.

Naturaleza clásica ⟹ f(a₁, a₂,… ; b₁, b₂,…) ≤ 2

Bunlar Bell’in eşitsizlikleri olarak adlandırılanlardır (bunları ifade etmenin başka eşdeğer yolları vardır). Ayrıca Bell, dolanık bir kuantum durumunda bu eşitsizliklerin ihlal edildiğini gösterdi.

Física cuántica   ⟹ f(a₁, a₂,… ; b₁, b₂,…) > 2

Böylece artık iki alternatif arasında deneysel olarak karar vermek mümkün olacaktı.

ilk deneyler

Bell’in eşitsizliklerini test eden deneylere öncülük ettikleri için ödüllü araştırmacıların devreye girdiği yer burasıdır. Ve doğanın hükmü açıktı: Bell’in eşitsizlikleri ihlal ediliyor ve bunu kuantum fiziğinin öngördüğü oranda yapıyorlar. Böylece kuantum teorisi, uçan renklerle deney testini geçti ve daha da önemlisi, bir gün kuantum fiziğinin yerini daha mükemmel bir teori alsa bile, yine de olacaktır. klasik değilçünkü Bell’in eşitsizlikleri deneysel olarak ihlal edilir.

Bu katkıların olağanüstü bir entelektüel derinliği vardır, çünkü bize doğanın mahrem mekanizmaları hakkında çok derin ve tuhaf bir şey gösterirler. Ek olarak, ışınlanma, kriptografi ve kuantum hesaplama gibi muhteşem potansiyele sahip teknolojilerin geliştirilmesi için temel oluşturdular.