en aura af glamourøst mysterium knytter sig til begrebet kvanteforvikling, og også til den (på en eller anden måde) relaterede påstand om, at kvanteteori kræver “mange verdener.”Men i sidste ende er det eller burde være videnskabelige ideer med jordnære betydninger og konkrete konsekvenser. Her vil jeg gerne forklare begreberne sammenfiltring og mange verdener så enkelt og klart som jeg ved hvordan.
I.
sammenfiltring betragtes ofte som et unikt kvantemekanisk fænomen, men det er det ikke., Faktisk er det oplysende, men noget ukonventionelt, at overveje en simpel ikke-kvante (eller “klassisk”) version af sammenfiltring først. Dette gør det muligt for os at lirke den underfundighed af sammenfiltring sig bortset fra den generelle særhed af quantumuantum teori.
sammenfiltring opstår i situationer, hvor vi har delvis kendskab til tilstanden af to systemer. For eksempel kan vores systemer være to objekter, som vi kalder c-ons., “C” er beregnet til at foreslå “klassisk”, men hvis du foretrækker at have noget specifikt og behageligt i tankerne, kan du tænke på vores c-ons som kager.
vores C-ons kommer i to former, firkantede eller cirkulære, som vi identificerer som deres mulige tilstande. Så de fire mulige fælles stater, for to c-ons, er (kvadrat, firkant), (firkant, cirkel), (cirkel, firkant), (cirkel, cirkel). De følgende tabeller viser to eksempler på, hvad sandsynlighederne kunne være for at finde systemet i hver af disse fire stater.,
Vi siger, at c-ons er “uafhængige”, hvis kendskab til tilstanden af en af dem ikke giver nyttige oplysninger om den anden. Vores første bord har denne ejendom. Hvis den første C-on (eller kage) er firkantet, er vi stadig i mørket om formen på den anden. Tilsvarende afslører formen på den anden ikke noget nyttigt om formen på den første.
På den anden side siger vi, at vores to c-ons er sammenfiltret, når information om den ene forbedrer vores viden om den anden. Vores anden tabel viser ekstrem sammenfiltring., I så fald, når den første c-on er cirkulær, ved vi, at den anden også er cirkulær. Og når den første c-on er firkantet, så er den anden. Når vi kender formen på den ene, kan vi udlede formen på den anden med sikkerhed.
quantum version af entanglement er stort set de samme fænomen—der er manglende uafhængighed. I kvanteteori beskrives stater ved matematiske objekter kaldet bølgefunktioner., Reglerne, der forbinder bølgefunktioner med fysiske sandsynligheder, introducerer meget interessante komplikationer, som vi vil diskutere, men det centrale koncept for indviklet viden, som vi allerede har set for klassiske sandsynligheder, overfører.
kager tæller naturligvis ikke som kvantesystemer, men sammenfiltring mellem kvantesystemer opstår naturligt—for eksempel i kølvandet på partikelkollisioner. I praksis er unentangled (uafhængige) stater sjældne undtagelser, for når systemer interagerer, skaber interaktionen korrelationer mellem dem.,
Overvej, for eksempel, molekyler. De er kompositter af delsystemer, nemlig elektroner og kerner. Et molekyles laveste energitilstand, hvor det oftest findes, er en stærkt sammenfiltret tilstand af dets elektroner og kerner, for positionerne af disse bestanddele er på ingen måde uafhængige. Når kernerne bevæger sig, bevæger elektronerne sig med dem.,
Tilbage til vores eksempel: Hvis vi skriver Φ■, Φ● for den bølgefunktion, der beskriver systemet 1 i sin firkantede eller runde stater, og ψ■, ψ● for den bølgefunktion, der beskriver systemet 2 i sin firkantede eller runde stater, så i vores eksempel den overordnede stater vil være
Uafhængig: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●
Viklet ind: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●
Vi kan også skrive en uafhængig version som
(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)
Bemærk, hvordan der i denne formulering parentes klart adskilte systemer 1 og 2 i selvstændige enheder.,
Der er mange måder at oprette indviklede tilstande på. En måde er at foretage en måling af dit (sammensatte) system, der giver dig delvis information. Vi kan for eksempel lære, at de to systemer har konspireret for at have den samme form uden at lære nøjagtigt, hvilken form de har. Dette koncept bliver vigtigt senere.
De mere markante konsekvenser af quantum entanglement, som Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) og Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) virkninger, der opstår gennem sit samspil med et andet aspekt af kvanteteorien kaldet “komplementaritet.,”For at bane vejen for diskussion af EPR og GH., lad mig nu introducere komplementaritet.
tidligere forestillede vi os, at vores c-ons kunne udstille to former (firkant og cirkel). Nu forestiller vi os, at det også kan udstille to farver—rød og blå. Hvis vi talte om klassiske systemer, som kager, ville denne tilføjede ejendom betyde, at vores C-ons kunne være i en af fire mulige tilstande: en rød firkant, en rød cirkel, en blå firkant eller en blå cirkel.,
Endnu en kvante-kage—et jordskælv, måske, eller (med mere værdighed) en q-på—situationen er dybt forskellige. Det faktum, at en on-on kan udstille, i forskellige situationer, forskellige former eller forskellige farver betyder ikke nødvendigvis, at det besidder både en form og en farve samtidigt. Faktisk er den” sunde fornuft ” inferens, som Einstein insisterede på at være en del af enhver acceptabel opfattelse af fysisk virkelighed, uforenelig med eksperimentelle fakta, som vi snart ser.,
Vi kan måle formen på vores on-on, men ved at gøre det mister vi alle oplysninger om dens farve. Eller vi kan måle farven på vores on-on, men ved at gøre det mister vi alle oplysninger om dens form. Hvad vi ikke kan gøre, ifølge kvanteteori, er at måle både dens form og dens farve samtidigt. Intet syn på den fysiske virkelighed fanger alle dens aspekter; man skal tage højde for mange forskellige, gensidigt eksklusive synspunkter, der hver tilbyder gyldig, men delvis indsigt. Dette er hjertet af komplementaritet, som Niels Bohr formulerede det.,
som følge heraf tvinger kvanteteori os til at være omhyggelige med at tildele fysisk virkelighed til individuelle egenskaber. For at undgå modsætninger må vi indrømme, at:
- en egenskab, der ikke måles, behøver ikke eksistere.
- måling er en aktiv proces, der ændrer det system, der måles.
II.
Nu vil jeg beskrive to klassiske—men langt fra klassisk!,- illustrationer af kvanteteoriens mærkværdighed. Begge er blevet kontrolleret i strenge eksperimenter. (I de faktiske eksperimenter måler folk egenskaber som vinkelmomentet for elektroner snarere end former eller farver på kager.Albert Einstein, Boris Podolsky og Nathan Rosen (EPR) beskrev en overraskende effekt, der kan opstå, når to kvantesystemer er sammenfiltrede. EPR-effekten gifter sig med en specifik, eksperimentelt realiserbar form for kvanteforvikling med komplementaritet.,
et EPR-par består af to EP-ons, som hver kan måles enten for sin form eller for sin farve (men ikke for begge). Vi antager, at vi har adgang til mange sådanne par, alle identiske, og at vi kan vælge, hvilke målinger der skal foretages af deres komponenter. Hvis vi måler formen på et medlem af et EPR-par, finder vi, at det lige så sandsynligt er firkantet eller cirkulært. Hvis vi måler farven, finder vi, at det er lige så sandsynligt, at det er rødt eller blåt.,
Mere Kvanter
Det interessante effekter, som EPR betragtes som et paradoks, der opstår, når vi laver målinger for begge medlemmer af parret. Når vi måler begge medlemmer for farve, eller begge medlemmer for form, finder vi, at resultaterne altid er enige. Så hvis vi finder ud af, at den ene er rød og senere måler farven på den anden, vil vi opdage, at den også er rød osv. På den anden side, hvis vi måler formen på den ene og derefter farven på den anden, er der ingen sammenhæng., Så hvis den første er firkantet, er den anden lige så sandsynligt, at den er rød eller blå.
Vi vil ifølge kvanteteori få disse resultater, selvom store afstande adskiller de to systemer, og målingerne udføres næsten samtidigt. Valget af måling på et sted ser ud til at påvirke systemets tilstand på det andet sted. Denne” uhyggelige handling på afstand”, som Einstein kaldte det, kan synes at kræve transmission af information — i dette tilfælde information om, hvilken måling der blev udført — med en hastighed hurtigere end lysets hastighed.,
men gør det? Indtil jeg ved det resultat, du har opnået, ved jeg ikke, hvad jeg kan forvente. Jeg får nyttige oplysninger, når jeg lærer det resultat, du har målt, ikke i det øjeblik du måler det. Og enhver meddelelse, der afslører det resultat, du målte, skal overføres på en konkret fysisk måde, langsommere (formodentlig) end lysets hastighed.
efter dybere refleksion opløses paradokset yderligere. Lad os faktisk igen overveje tilstanden i det andet system, da det første er blevet målt til at være rødt., Hvis vi vælger at måle den anden color-on-farve, bliver vi helt sikkert røde. Men som vi diskuterede tidligere, når vi introducerer komplementaritet, hvis vi vælger at måle en shape-ons form, når den er i “rød” tilstand, vil vi have lige sandsynlighed for at finde en firkant eller en cirkel. Således er EPR-resultatet langt fra at introducere et paradoks logisk tvunget. Det er i det væsentlige blot en ompakning af komplementariteten.
det er heller ikke paradoksalt at finde ud af, at fjerne begivenheder er korrelerede., Når alt kommer til alt, hvis jeg lægger hvert medlem af et par handsker i kasser og sender dem til modsatte sider af jorden, skal jeg ikke blive overrasket over, at jeg ved at kigge inde i en kasse kan bestemme handskens handedness i den anden. Tilsvarende, i alle kendte tilfælde skal korrelationerne mellem et EPR-par være præget, når dets medlemmer er tæt sammen, selvom de selvfølgelig kan overleve efterfølgende adskillelse, som om de havde minder. Igen er EPR ‘ s egenart ikke korrelation som sådan, men dens mulige udførelsesform i komplementære former.,
III.
Daniel Greenberger, Michael Horne og Anton Zeilinger har opdaget en glimrende oplysende eksempel på, quantum entanglement. Det involverer tre af vores q-ons, tilberedt i en speciel, sammenfiltret tilstand (GH. – staten). Vi distribuerer de tre q-ons til tre fjerne eksperimenter. Hver eksperimentator vælger uafhængigt og tilfældigt, om man skal måle form eller farve og registrerer resultatet. Eksperimentet gentages mange gange, altid med de tre q-ons, der starter i GH. – tilstand.,
hver eksperimentator finder separat maksimalt tilfældige resultater. Når hun måler en shape-ons form, er det lige så sandsynligt, at hun finder en firkant eller en cirkel; når hun måler dens farve, er rød eller blå lige så sandsynligt. Indtil videre, så dagligdags.
men senere, når eksperimenterne mødes og sammenligner deres målinger, afslører en smule analyse et fantastisk resultat. Lad os kalde firkantede former og røde farver “gode” og cirkulære former og blå farver ” onde.,”Eksperimenterne opdager, at når to af dem valgte at måle form, men den tredje målte farve, fandt de, at nøjagtigt 0 eller 2 resultater var “onde” (det vil sige cirkulære eller blå). Men da alle tre valgte at måle farve, fandt de, at præcis 1 eller 3 målinger var onde. Det er, hvad kvantemekanik forudsiger, og det er det, der observeres.
så: er mængden af ondskab lige eller ulige? Begge muligheder realiseres med sikkerhed i forskellige slags målinger. Vi er tvunget til at afvise spørgsmålet., Det giver ingen mening at tale om mængden af ondskab i vores system, uafhængigt af hvordan det måles. Faktisk fører det til modsætninger.GH. – effekten er i fysikeren Sidney Colemans ord “kvantemekanik i dit ansigt.”Det nedbryder en dybt indlejret fordom, der er forankret i hverdagens oplevelse, at fysiske systemer har bestemte egenskaber, uafhængigt af om disse egenskaber måles. For hvis de gjorde det, ville balancen mellem godt og ondt være upåvirket af målevalg. Når internaliseret, budskabet om GH.-effekten er uforglemmelig og sind-ekspanderende.,
IV.
hidtil har vi overvejet, hvordan sammenfiltring kan gøre det umuligt at tildele unikke, uafhængige stater til flere q-ons. Lignende overvejelser gælder for udviklingen af en enkelt on-on i tid.
Vi siger, at vi har “sammenfiltrede historier”, når det er umuligt at tildele en bestemt tilstand til vores system på hvert øjeblik i tiden. På samme måde som hvordan vi fik konventionel sammenfiltring ved at eliminere nogle muligheder, kan vi skabe sammenfiltrede historier ved at foretage målinger, der indsamler delvis information om, hvad der skete., I de enkleste sammenfiltrede historier har vi kun en on-on, som vi overvåger på to forskellige tidspunkter. Vi kan forestille os situationer, hvor vi bestemmer, at formen på vores on-on enten var firkantet på begge tidspunkter, eller at den var cirkulær på begge tidspunkter, men at vores observationer efterlader begge alternativer i spil. Dette er en kvantemoral analog af de enkleste sammenfiltringssituationer illustreret ovenfor.,
ved Hjælp af en lidt mere udførlig protokol kan vi tilføje rynke i supplement til dette system, og definere situationer, der bringer det “mange verdener” – aspekt af kvanteteorien. Således kunne vores q-on være forberedt i rød tilstand på et tidligere tidspunkt og målt til at være i blå tilstand på et efterfølgende tidspunkt., Som i de enkle eksempler ovenfor kan vi ikke konsekvent tildele vores property-på egenskaben af farve på mellemliggende tidspunkter; det har heller ikke en bestemt form. Historier af denne art realiserer på en begrænset, men kontrolleret og præcis måde intuitionen, der ligger til grund for de mange verdens billede af kvantemekanik. En bestemt stat kan forgrene sig til gensidigt modstridende historiske baner, der senere kommer sammen.,
Erwin Schrödingers, stifter af quantum teori, der var dybt skeptisk over for dens korrekthed, understregede, at udviklingen af quantum systems naturligt fører til, at stater, der kunne blive målt til at være groft forskellige egenskaber. Hans “Schr .dinger-kat” siger berømt at opskalere kvanteusikkerhed i spørgsmål om kattedødelighed. Før måling, som vi har set i vores eksempler, kan man ikke tildele egenskaben af liv (eller død) til katten. Begge—eller ingen af dem-sameksisterer inden for en mulighedens underverden.,
Dagligdags sprog er dårligt egnet til at beskrive quantum komplementaritet, dels fordi hverdagen ikke støder på det. Praktiske katte interagere med omgivende luft molekyler, blandt andre ting, på meget forskellige måder, afhængigt af om de er levende eller døde, så i praksis målingen bliver foretaget automatisk, og katten kommer videre med sit liv (eller død). Men sammenfiltrede historier beskriver q-ons, der i en reel forstand er Schr .dingers killinger., Deres fulde beskrivelse kræver, på mellemliggende tidspunkter, at vi tager højde for begge to modstridende ejendomsbaner.
den kontrollerede eksperimentelle realisering af sammenfiltrede historier er delikat, fordi det kræver, at vi indsamler delvis information om vores on-on. Konventionelle kvantemålinger indsamler generelt komplette oplysninger på .n gang—for eksempel bestemmer de en bestemt form eller en bestemt farve—snarere end delvis information, der spænder over flere gange. Men det kan gøres-ja, uden store tekniske vanskeligheder., På denne måde kan vi give en bestemt matematisk og eksperimentel betydning for spredningen af “mange verdener” i kvanteteori og demonstrere dens væsentlighed.
Oprindelige historie, genoptrykt med tilladelse fra Quanta Magasin, en redaktionelt uafhængig offentliggørelse af Simons Fond, hvis mission er at øge offentlighedens forståelse af videnskab, som dækker forskning, udvikling og tendenser i matematik og den fysiske og life sciences.