Javaslat egy kísérletre, amely segít eldönteni, hogy a kvantumvilág eredendően véletlenszerű-e, és érvelés, amely megkérdőjelezi a jelenleg...
Javaslat egy kísérletre, amely segít eldönteni, hogy a kvantumvilág eredendően véletlenszerű-e, és érvelés, amely megkérdőjelezi a jelenlegi kvantumelmélet teljességét.
A címben szereplő kérdést eredetileg Albert Einstein, Boris Podolsky és Nathan Rosen (EPR) tette fel egy 1935-ben közzétett tanulmányban. Egy gondolatkísérletet javasoltak, egy paradoxont állítottak fel, amit úgy értelmeztek, hogy a fizikai valóság magyarázatára a kvantummechanika hiányos. Megmutatták, hogy a kvantummechanikai hullámfüggvény nem tartalmaz teljes információt a fizikai valóságról, ezért a kvantummechanika koppenhágai értelmezése nem kielégítő.
A paradoxon lényege, hogy a kvantum-összefonódott részecskék kölcsönhatásba léphetnek úgy, hogy pontosabban meg lehet mérni mind a helyzetüket, mind az impulzusukat, mint amennyire azt a Heisenberg bizonytalansági elve megengedi, hacsak nem az egyik részecske mérése azonnali hatással van a másikra, amely viszont szükségessé teszi az információ átadását a fénynél gyorsabban, amit a relativitáselmélet tilt.
Az EPR tanulmány a kvantumelmélet lokalitásáról szól, miszerint a kvantum-összefonódott részecskék megsértik a lokalitás törvényét, sértik azt az alapvetést, amely kimondja, hogy egy objektumot csak a közvetlen környezete befolyásolhat. A lokalitás alaptörvénye szerint bármely hatáshoz valami - például egy hullám vagy részecske - át kell, hogy haladjon a tér két pontja között, hogy létrehozza a kapcsolatot. A relativitás speciális elmélete maximálja azt a sebességet, amellyel bármilyen hatás képes terjedni, és ez nem haladhatja meg a fénysebességet. A lokalitás elve ezért azt is jelenti, hogy egy esemény egy térbeli helyen nem lehet azonnali oka egy másik eseménynek egy másik térbeli helyen. A kvantum-összefonódott részecskékre vonatkozó EPR paradoxon szerint a kvantummechanika nem lokális elmélet, mivel a térben elválasztott kvantum-összefonódott részecskék egyikén végzett mérés azonnali hatást okoz (a hullámfüggvény determinált összeomlását okozza) a távoli részecskén, azaz olyan hatásként működik, amely hatás terjedési sebessége nincs korlátozva a fény terjedési sebességével).
Az EPR szerint két lehetséges magyarázata lehet a jelenségnek. Vagy létezhet valamilyen nem lokális kölcsönhatás a részecskék között, vagy az összes lehetséges mérés eredményével kapcsolatos információk mindkét részecskében jelen vannak (a részecskék rejtett – még ismeretlen – paramétereket hordoznak).
John Stewart Bell 1964-ben megfogalmazta a "Bell egyenlőtlenséget", amely ha a tényleges mérések során sérül, azt jelenti, hogy a kvantummechanika megsérti a lokalitást (vagy a statisztikai függetlenséget). Bell teoretikus egyenlőtlenségének kísérleti megvalósítása, azaz a valóság azt mutatta, hogy a kvantummechanika valóban megsérti a Bell egyenlőtlenséget.
A kvantumfizikai valószínűségekre valóban érvényes a Bell-egyenlőtlenség megsértése, ezáltal érvényteleníti az EPR által feltételezett "helyi még ismeretlen változók" típusú magyarázatot, és igazolja, hogy a kvantumvilág megsérti a lokalitást. Az összefonódott részecskékkel végzett kísérletek azt mutatják, hogy az egyik részecskén végzett mérés valóban befolyásolja az összefonódott másik részecskét, függetlenül attól, hogy a másik részecske milyen távolságban van.
Az összefonódott részecskék feltételezett kölcsönhatására a kvantumvilág alapvetően véletlenszerű jellege (rejtett paraméterek létezésének hiánya) miatt van szükség. Jelenlegi tudásunk szerint a kvantum-interakciók konkrét kimenetele előre alapvetően megjósolhatatlan, véletlenszerű érték, a (súlyozottan) lehetséges eredmények valamelyike. Ha a kvantumvilág alapvető véletlenszerűsége igaz, és a kvantum interakció kimenetele a súlyozott véletlenen alapszik, akkor összefonódás esetén kommunikációnak kell lennie a kísérletben megmért részecskétől az összefonódott másik részecske felé. A kvantum-interakciók véletlenszerűsége miatt valamiféle egyeztetésnek kell lenni az összefonódott részecskék között, és Bell-egyenlőtlenség sérülése - miszerint a nem lokalitás jelen van a kvantum világban - lehetővé teszi, hogy a kapcsolatnak nem kell a távolságtól függnie, hanem azonnali is lehet.
Egy lehetséges értelmezése a jelenségnek a következő: a két összefonódott részecskéhez kapcsolódó mérhető tulajdonságok csak az együttes rendszer esetén bírnak definiált jelentéssel. Az összefonódott alkotóelemek tulajdonságai (például az egyes elektronok vagy fotonok), külön-külön vizsgálva, meghatározhatatlanok maradnak. Ezért, ha méréseket hajtunk végre két összefonódott részecskén, akkor mindig fennáll a korreláció az egyes eredmények és az együttes jól meghatározott közös értéke között. Az egyes alrendszerek konkrét eredményei, külön-külön értelmezve, a kísérlet ismétlései során nem lesznek pontosan definiálhatók vagy kiszámíthatók, véletlenszerűek maradnak. Ez a megközelítés megmagyarázhatja az összefonódást mint fizikai jelenséget, azonban ez az értelmezés nem magyarázza meg, hogy mi a fizikai alapja annak, hogy az elválasztott részecskék összekapcsolódnak és együttest alkotnak, és fizikailag hogyan működik a részecskék közötti korreláció.
A távolhatás magyarázatra, a távolba ható kísérteties kapcsolatra a kvantumvilág alapvető véletlenszerű jellege miatt van szükség. Az alábbiakban egy javasolt kísérlet leírása következik, amely megkérdőjelezheti, hogy a kvantum-mérés eredménye alapvetően véletlenszerű érték. A kísérlet bizonyíthatja, hogy a kvantumvilág nem véletlenszerű, tehát az alapvető véletlenszerűséget feltételező kvantumelmélet nem teljes. A kísérlet célja a kvantum világra vonatkozó nézeteink megerősítése vagy cáfolata.
Az eredeti EPR paradoxon egy összefonódott részecskepár egyik részecskéjén végzett mérést használ. Mivel a részecske összefonódott kapcsolatban van, az adott részecskén végzett mérés információkat ad az összefonódásban lévő másik részecskéről. A kvantumvilág feltételezett alapvető véletlenszerűsége miatt a mérés eredményét nem lehet előre meghatározni, és - a Bell egyenlőtlenség miatt - rejtett paraméterek sem lehetnek jelen - ezért a ténylegesen mért értéket valamilyen formában közölni kell az összefonódásban lévő másik részecskével, feltételezetten egy nem helyi módon működő interakció útján.
Mi történne, ha mindkét összefonódott részecskén elvégezzük ugyanazt a mérést? A második mérés nem közöl új információkat, mivel az első mérés, amely véletlenszerű eredményt ad, a másik részecske állapotát az első mérésnek megfelelő értékre állítja. Mi történik azonban, ha a két mérést egyszerre, egy időpillanatban végezzük el?
Elméletileg - a kísérletet gondolatkísérletként elvégezve - a mérésnek két kimenetele lehet.
1. Az azonos időpillanatban elvégzett mérések a kvantummechanika határozatlanságra vonatkozó törvényei szerinti valószínűséggel véletlenszerű értékeket eredményeznek a két kvantum összefonódott részecskén - azaz sérül a kvantum összefonódás törvénye.
Feltételezve, hogy a kvantumvilág alapvető véletlenszerűsége érvényesül, az egyidejű két mérés eltérő értékeket eredményez. Mindkét mérés véletlenszerű értéket feltételez, amelyet át kell vinni a másik részecskepárra. Még abban az esetben is, ha a mérés eredménye nem lokális módon, azonnal továbbítódik az összefonódásban részt vevő másik részecskére, a mérések nagy valószínűség szerint nem fognak egyezni egymással.
2. Az azonos időpillanatban elvégzett mérések a kvantummechanika kvantum összefonódott részecskékre érvényes törvényei szerinti korreláló értékeket eredményeznek a két összefonódott részecskén - azaz sérül a kvantummechanika határozatlanságra vonatkozó törvénye.
Feltételezve, hogy a kvantumvilág összefonódott részecskékre vonatkozó törvénye érvényesül, az egyidejű két mérés korreláló értékeket eredményez. A két mérés eredménye kapcsolatban lévő értéket feltételez, amelyek azonnali kommunikációval átkerülnek a másik részecskepárra. Azonban ez a kimenetel megsérti a határozatlanság elvét, miszerint a mérés előtt a rendszer nem rendelkezik a mérés során meghatározott kimenetellel.
A kísérlet megválaszolandó kérdése: a mért értékek korrelációban lesznek az összefonódott részecskéken egy időben elvégzett mérés során vagy a tényleges mérés eredményei a korrelációtól eltérőek lesznek?
Gyakorlatban a méréseket nehéz azonos időpontban elvégezni. (A kísérletben kérdés lehet még az is, hogy az azonos időpillanat mit jelent, de ezt viszonylag könnyű specifikálni. Valószínűleg az idő egybeesés pontosságára elegendő, ha az időkülönbség a mérések között nem nagyobb, mint a Planck-idő.) A kísérlet gyakorlati megvalósításhoz segítséget ad, ha sokszor végezzük el a kísérletet, mivel ebben az esetben növekszik az egyidejű időmérés valószínűsége.
Mit tapasztalhatunk a kísérlet során? Az egyidejű mérésnek kicsi a valószínűsége, ezért a mérések eredménye egy részecskén véletlenszerű, mindkét részecskén az összefonódás szabályai szerint korreláló lesz. A mérést sokszor elvégezve és törekedve az egyidejűségre a mért értékekben azonban a véletlenszerűség törvénye szerint a korrelációtól való eltérést lehetne felismernünk. Ha a mérések különböző időpontokban történnek, akkor a mért értékek korrelálnak, de amikor a mérés egyszerre történik, a mért értékek korrelálhatnak vagy eltérhetnek.
A jelenlegi tudásunk alapján, eltérést kell tapasztalnunk a kísérlet többszöri elvégzésével mért értékekben, vagy nem? Ha a mérések különböző időpontokban történnek, akkor a mért értékek korrelálnak, de ha a mérés egyszerre történik, akkor a mért értékeknek különböznek egymástól? Reális körülmények között, a kísérletek többszöri végrehajtása során, a jelenlegi ismereteink szerint eltérést fogunk látni a mért értékekben?
Ha az összefonódott részecskékkel végzett kísérlet során a mért értékekben eltéréseket látnánk, arra a következtetésre juthatunk, hogy érvényes a kvantumvilág véletlenszerűségére vonatkozó jelenlegi tudásunk. A kvantumvilág alapvetően véletlenszerű, és az összefonódás olyan nem lokális kapcsolat, amely azonnali kommunikációt hoz létre az összefonódott párok között, de az összefonódás megszakítása ugyanabban a pillanatban a hullámfüggvény (a kísérlet szerint) összeomlását eredményezi mindkét összefonódott részecskén.
Ha a mért értékek minden esetben megegyeznek, és nem látunk eltérést a kísérlet többszöri elvégzésénél az összefonódott részecskék esetén, arra a következményére kell vezessen, hogy a kvantumvilág véletlenszerűségével kapcsolatos jelenlegi ismereteink nem érvényesek. Ez az eredmény különböző következtetésekhez vezet:
1. Lehetetlen a mérést ugyanazon pillanatban elvégezni. Ugyanazon pillanat lehetetlensége újradefiniálhatja azt, amit az időről gondolunk. Az idő relativista megfontolása során ugyanazon pillanat lehetetlenségének akár filozófiai következményei is lehetnek.
2. A kvantumhullám-függvény alapvető véletlenszerűsége nem érvényes. A kvantumvilág tapasztalt véletlenszerűsége csak illúzió. Ez a feltételezés a pontosság hiányossága.
3. Ha az időről és a kvantumvilág alapvető véletlenszerűségéről gondolunk helyes, akkor új elméleteket kell keresnünk, hogy a különböző hullámfüggvények hogyan omlanak össze az összefonódott részecskéken, amelyek különböző fizikai értékekre esnek és mégis azonnal harmonizálódnak. A kísérteties távolhatás még kísértetiesebb, mivel megengedi, hogy az összefonódás ne csak a nem mért részecskék értékének beállítását egyeztesse a mérttel, hanem tegye lehetővé, hogy egyeztetésre kerüljön az összefonódott részecskék között úgy is, hogy eldöntésre kerül melyik eltérő (véletlenszerű mért) értéknek kell lennie a valódinak, és beállítják egymást, és a mérőberendezést is erre az értékre.
Kísérletileg igazolható különbség van az elméleti jóslatok között. A javasolt kísérlet eredménye megerősítheti vagy megcáfolhatja a kvantumvilágra vonatkozó ismereteinket.
A kísérlet jósolt kimenetele, hogy nem fogunk látni eltérést a mért értékekben, az összefonódott részecskéknél ugyanabban a pillanatban végzett mérés a korreláló értéket eredményezi. Ha nem látunk eltérést az értékek között az elvégzett kísérletben, akkor arra a következtetésre kell jussunk, hogy a jelenlegi nézeteink a kvantum világról érvénytelen, a kvantumvilág alapvető véletlenszerűsége csak illúzió.
Fizika {button_primary} Kvantumelmélet {button_primary}
Nincsenek megjegyzések