Гениальная ошибка Эйнштейна: энтанглмент-состояния

Содержание

1. Введение: Вклад Альберта Эйнштейна в квантовую механику
2. Теория фотоэффекта и ее философские последствия
3. Теория EPR и парадокс "привязанных" состояний
4. Доказательства принципа суперпозиции и энтанглмент-состояний
5. Философские разногласия между Эйнштейном и Бором
6. Опыты и исследования, подтверждающие правильность квантовой механики
7. Квантовая информатика и потенциал для разработки мощных компьютеров
8. Ограничения квантовой механики и невозможность передачи информации со сверхсветовой скоростью
9. Заключение: Квантовая вселенная и ее загадочность

Вклад Альберта Эйнштейна в квантовую механику

Альберт Эйнштейн сыграл ключевую роль в развитии квантовой механики своей теорией фотоэффекта. Однако, он всегда испытывал философские тревоги из-за ее последствий. В то время как большинство из нас помнят его благодаря великому выводу E=mc², его последний большой вклад в физику заключался в статье 1935 года, соавторами которой были его молодые коллеги Борис Подольский и Натан Розен. Эта долгое время считавшаяся философской уткой статья EPR недавно стала центральной в новом понимании квантовой физики, со своим описанием странного явления, известного теперь как энтанглмент-состояния.

Теория фотоэффекта и ее философские последствия

Статья начинается с рассмотрения источника, который выдает пары частиц, каждая с двумя измеримыми свойствами. Каждое из этих измерений имеет два возможных результата с равной вероятностью. Допустим, ноль или один для первого свойства и А или В для второго. После выполнения измерения последующие измерения того же свойства этой же частицы будут давать одинаковый результат. Странное последствие этого сценария заключается не только в том, что состояние отдельной частицы неопределенно до измерения, но и в том, что измерение затем определяет это состояние. Более того, измерения влияют друг на друга. Если вы измерите частицу как находящуюся в состоянии 1 и следом сделаете второе измерение, у вас будет 50% шанс получить либо А, либо В. Однако, если вы затем повторите первое измерение, у вас будет 50% шанс получить ноль, несмотря на то, что частица уже была измерена как единица. Таким образом, смена свойства, которое измеряется, меняет исходный результат, что позволяет получить новое случайное значение. Ситуация становится еще более странной, если обратить взгляд на обе частицы. Каждая из них будет давать случайные результаты, но если их сравнить, вы обнаружите, что они всегда идеально коррелированы. Например, если обе частицы измерены как ноль, это соотношение всегда сохраняется. Состояния двух частиц находятся в энтанглменте. Измерение одной частицы с абсолютной уверенностью подскажет вам состояние другой частицы.

Принцип суперпозиции и энтанглмент-состояния

Однако, этот энтанглмент кажется несовместимым с известной теорией относительности Эйнштейна, поскольку нет ничего, что ограничивает расстояние между частицами. Если вы измерите одну частицу в Нью-Йорке в полдень, а другую в Сан-Франциско через наносекунду, они все равно дадут точно такой же результат. Но если измерение определяет значение, то это требовало бы пересылки некоторого сигнала между частицами со скоростью, превышающей скорость света в 13 миллионов раз, что, согласно теории относительности, невозможно. По этой причине Эйнштейн отверг энтанглмент, называя его "отвратительным действием на расстоянии" ("spuckafte ferwirklung"). Он пришел к выводу, что квантовая механика должна быть неполной и являться всего лишь приближением более глубокой реальности, в которой обе частицы имеют предопределенные состояния, скрытые от нас. Приверженцы ортодоксальной квантовой теории, во главе с Нильсом Бором, утверждали, что состояния квантовых частиц действительно являются фундаментально неопределенными и энтанглмент позволяет состоянию одной частицы зависеть от состояния ее далекого партнера. В течение 30 лет физика оставалась в тупике, пока Джон Белл не понял, что ключевым моментом для проверки аргументации EPR является изучение случаев, включающих разные измерения на двух частицах. Теории локальных скрытых переменных, приветствовавшиеся Эйнштейном, Подольским и Розеном, строго ограничивали частоту получения результатов вроде 1А или В0, потому что результаты должны были быть определены заранее. Белл показал, что чисто квантовый подход, где состояние действительно неопределенно до измерения, имеет другие ограничения и предсказывает смешанные результаты измерений, которые невозможны в предопределенном сценарии. Когда Белл разработал способ проверить аргументацию EPR, физики приступили к экспериментам и испытаниям. Начиная с Джона Клаустера в 70-х годах и Алена Аспекта в начале 80-х, десятки экспериментов проверили прогноз EPR и все пришли к одному и тому же выводу: квантовая механика верна. Корреляции между неопределенными состояниями энтанглленых частиц это реальность и не могут быть объяснены какими-либо более глубокими переменными. Итак, статья EPR оказалась неправильной, но блестящей. Она побудила физиков глубже задуматься о основах квантовой физики и способствовала разработке дальнейших теорий и исследований в области квантовой информатики, которая является процветающей отраслью с потенциалом разработать компьютеры беспрецедентной мощности. К сожалению, случайность измеряемых результатов препятствует научно-фантастическим сценариям, таким как использование энтанглленных частиц для передачи сообщений со сверхсветовой скоростью. Так что, пока что, относительность в безопасности. Но квантовая вселенная намного страннее, чем хотел верить Эйнштейн.