Fyzici vyvracejí 4 mýty o kvantové teorii, včetně toho, který udivil i Einsteina

5/5 - (1 vote)

Kvantová mechanika, teorie, která vládne mikrosvětu atomů a částic, má jistě X faktor. Na rozdíl od mnoha jiných oblastí fyziky je bizarní a kontraintuitivní, díky čemuž je oslňující a fascinující. Když byla v roce 2022 udělena Nobelova cena za fyziku Alainu Aspectovi, Johnu Clauserovi a Antonu Zeilingerovi za výzkum osvětlující kvantovou mechaniku, vyvolalo to vzrušení a diskusi.

Ale debaty o kvantové mechanice – ať už na chatovacích fórech, v médiích nebo ve sci-fi – mohou být často zamotané díky několika přetrvávajícím mýtům a mylným představám. Tady jsou čtyři z nich.

Kočka může být mrtvá i živá

Erwin Schrödinger nikdy nemohl předvídat, že jeho myšlenkový experiment, Schrödingerova kočka, dosáhne statusu internetového memu v 21. století.

Naznačuje, že nešťastná kočka uvízlá v krabici s vypínačem zabíjení spuštěným náhodnou kvantovou událostí – například radioaktivním rozpadem – by mohla být živá a mrtvá zároveň, pokud krabici neotevřeme, abychom to zkontrolovali. Již dlouho víme, že kvantové částice mohou být ve dvou stavech – například na dvou místech – současně. Říkáme tomu superpozice.

Vědci to dokázali prokázat ve slavném experimentu s dvojitou štěrbinou, kdy jedna kvantová částice, jako je foton nebo elektron, může procházet dvěma různými štěrbinami ve stěně současně. jak to víme?

V kvantové fyzice je stav každé částice také vlnou. Ale když pošleme proud fotonů – jeden po druhém – skrz štěrbiny, vytvoří to vzor dvou vln, které se vzájemně interferují na stínítku za štěrbinou. Protože každý foton neměl žádné další fotony, se kterými by interferoval, když procházel štěrbinami, znamená to, že musel současně projít oběma štěrbinami – interferoval sám se sebou (obrázek níže).

Aby to však fungovalo, musí být stavy (vlny) v superpozici částice procházející oběma štěrbinami „ koherentní “ – mít mezi sebou dobře definovaný vztah.

Tyto superpoziční experimenty lze provádět s objekty stále větší velikosti a složitosti. Jeden slavný experiment Antona Zeilingera v roce 1999 prokázal kvantovou superpozici s velkými molekulami uhlíku-60 známými jako „buckyballs“.

Co to tedy znamená pro naši ubohou kočku? Je opravdu živá i mrtvá, dokud neotevřeme krabici? Je zřejmé, že kočka není nic jako individuální foton v kontrolovaném laboratorním prostředí, je mnohem větší a složitější. Jakákoli koherence, kterou mezi sebou mohou mít biliony a biliony atomů, které tvoří kočku, je extrémně krátká.

To neznamená, že kvantová koherence je v biologických systémech nemožná, jen to obecně neplatí pro velká stvoření, jako jsou kočky nebo člověk.

Jednoduché analogie mohou vysvětlit provázanost

Provázanost je kvantová vlastnost, která spojuje dvě různé částice, takže pokud změříte jednu, automaticky a okamžitě poznáte stav té druhé – bez ohledu na to, jak daleko jsou od sebe.

Běžná vysvětlení obvykle zahrnují každodenní předměty z našeho klasického makroskopického světa, jako jsou kostky, karty nebo dokonce páry ponožek lichých barev. Představte si například, že svému příteli řeknete, že jste do jedné obálky vložili modrou kartu a do druhé oranžovou kartu. Pokud váš přítel odnese a otevře jednu z obálek a najde modrou kartu, bude vědět, že máte oranžovou kartu.

Ale abyste pochopili kvantovou mechaniku, musíte si představit, že dvě karty uvnitř obálek jsou ve společné superpozici, což znamená, že jsou obě oranžové a modré zároveň (konkrétně oranžová/modrá a modrá/oranžová). Otevření jedné obálky odhalí jednu náhodně určenou barvu. Ale otevření druhé stále vždy odhalí opačnou barvu, protože je „strašidelně“ spojena s první kartou.

Dalo by se přinutit, aby se karty objevily v jiné sadě barev, podobně jako při provádění jiného typu měření. Mohli bychom otevřít obálku s otázkou: „Jste zelená nebo červená karta?“ Odpověď by byla opět náhodná: zelená nebo červená. Ale rozhodující je, že pokud by byly karty zapletené, druhá karta by při položení stejné otázky stále vždy vedla k opačnému výsledku.

Albert Einstein se to pokusil vysvětlit klasickou intuicí a navrhl, že karty mohly být opatřeny skrytou vnitřní instrukční sadou, která jim říkala, v jaké barvě se mají objevit na určitou otázku. Odmítl také zjevnou „strašidelnou“ akci mezi kartami, která jim zdánlivě umožňuje okamžité vzájemné ovlivňování, což by znamenalo komunikaci rychlejší než rychlost světla, což Einsteinovy ​​teorie zakazují.

Einsteinovo vysvětlení však následně vyloučil Bellův teorém (teoretický test vytvořený fyzikem Johnem Stewartem Bellem) a experimenty laureátů Nobelovy ceny z roku 2022. Myšlenka, že měření jedné zapletené karty změní stav druhé, není pravdivá. Kvantové částice jsou jen záhadně korelovány způsoby, které nedokážeme popsat každodenní logikou nebo jazykem – nekomunikují a zároveň obsahují skrytý kód, jak si Einstein myslel. Takže zapomeňte na každodenní předměty, když myslíte na provázanost.

Příroda je neskutečná a „lokální“

Bellův teorém často říká, že dokazuje, že příroda není „lokální“ a že objekt není jen přímo ovlivněn svým bezprostředním okolím. Další běžnou interpretací je, že vlastnosti kvantových objektů nejsou „skutečné“ a že před měřením neexistují.

Ale Bellův teorém nám umožňuje říci, že kvantová fyzika znamená, že příroda není zároveň skutečná a lokální, pokud současně předpokládáme několik dalších věcí. Tyto předpoklady zahrnují myšlenku, že měření mají pouze jeden výsledek (a ne více, možná v paralelních světech), že příčina a následek plynou vpřed v čase a že nežijeme v „hodinovém vesmíru“, ve kterém je vše předem určeno od úsvitu času.

Navzdory Bellovu teorému může být příroda skutečná a lokální, pokud dovolíte porušit některé další věci , které považujeme za zdravý rozum, jako je pohyb času vpřed. A další výzkum snad zúží velký počet potenciálních interpretací kvantové mechaniky. Většina možností na stole – například čas plynoucí pozpátku nebo absence svobodné vůle – je však přinejmenším stejně absurdní jako vzdát se konceptu místní reality.

Nikdo nerozumí kvantové mechanice

Klasický citát (připisovaný fyziku Richardu Feynmanovi , ale v této podobě také parafrázující Nielse Bohra ) předpokládá: „Pokud si myslíte, že rozumíte kvantové mechanice, nerozumíte jí.“

Tento názor je široce rozšířen na veřejnosti. Kvantovou fyziku údajně nelze pochopit, a to ani pro fyziky. Ale z pohledu 21. století není kvantová fyzika pro vědce ani matematicky, ani koncepčně zvlášť obtížná. Rozumíme tomu extrémně dobře, až do bodu, kdy můžeme předpovídat kvantové jevy s vysokou přesností, simulovat vysoce složité kvantové systémy a dokonce začít stavět kvantové počítače .

Superpozice a provázanost, jsou-li vysvětleny v jazyce kvantové informace, nevyžadují více než středoškolskou matematiku. Bellův teorém nevyžaduje vůbec žádnou kvantovou fyziku. Lze jej odvodit v několika řádcích pomocí teorie pravděpodobnosti a lineární algebry.

Skutečný problém možná spočívá v tom, jak sladit kvantovou fyziku s naší intuitivní realitou. Nemít všechny odpovědi nás nezastaví v dalším pokroku s kvantovou technologií. Můžeme prostě držet hubu a počítat.

Naštěstí pro lidstvo nositelé Nobelovy ceny Aspect, Clauser a Zeilinger odmítli držet hubu a neustále se ptali proč. Jiní jako oni možná jednoho dne pomohou sladit kvantovou podivnost s naším prožíváním reality.

Zdroj: i

Sdílet: