En glamorøse aura av mystikk festes til begrepet quantum forviklinger, og også til (noe) i slekt hevder at kvante-teori krever at «mange verdener.»Men i den enden de er, eller bør være, vitenskapelige ideer, med down-to-earth forklaringer og konkrete konsekvenser. Her ønsker jeg å forklare begrepene forviklinger og mange verdener så enkelt og klart som jeg vet hvordan.

I.

Forviklinger blir ofte ansett som et unikt quantum-mekanisk fenomen, men det er det ikke., Faktisk, det er opplysende, selv om noe utradisjonelle, til å vurdere en enkelt ikke-quantum (eller «klassisk») versjon av forviklinger første. Dette gjør oss i stand til å lirke subtilitet av forviklinger i seg selv bortsett fra de generelle oddity av kvanteteori.

Vis mer

Forviklinger oppstår i situasjoner der vi har delvis kjennskap til staten av to systemer. For eksempel, våre systemer kan være to objektene som vi kaller c-ons., «C» er ment å foreslå «klassisk», men hvis du foretrekker å ha noe konkret og behagelig i tankene, du kan tenke deg av våre c-ons som kaker.

Vår c-ons kommer i to former, firkantede eller runde, som vi identifiserer som sine mulige tilstander. Da fire mulige felles stater, for to c-ons, er (firkant, firkant), (firkant -, sirkel), (sirkel, firkant), (sirkel, sirkel). Tabellene nedenfor viser to eksempler på hva sannsynlighetene kan være for å finne system i hver av de fire landene.,

Vi si at c-ons er «uavhengige» hvis kunnskap om tilstanden til en av dem ikke gi nyttig informasjon om tilstanden til den andre. Vår første tabellen har denne egenskapen. Hvis den første c-på (eller kake) er firkantet, vi er fremdeles i mørket om formen på den andre. På samme måte, formen på den andre avslører ikke noe nyttig om formen på den første.

På den annen side, kan vi si at våre to c-ons er involvert når du informasjon om en øker vår kunnskap om den andre. Vår andre tabellen viser ekstreme forviklinger., I så fall, når den første c-on er sirkulær, vi vet at den andre er runde også. Og når den første c-er på plassen, så er det andre. Å vite form av ett, kan vi konkludere med formen til den andre med sikkerhet.

The quantum versjon av forviklinger er i hovedsak det samme fenomenet—at det er mangel på uavhengighet. I kvante-teori, stater er beskrevet av matematiske objekter som kalles bølge funksjoner., Reglene koble til wave funksjoner til fysisk sannsynligheter introdusere svært interessant komplikasjoner, som vi vil diskutere, men det sentrale begrepet floke seg kunnskap, som vi har sett allerede for klassisk sannsynligheter, bærer over.

Kaker telles ikke som kvante-systemer, selvfølgelig, men quantum forviklinger mellom systemer oppstår naturlig, for eksempel i kjølvannet av partikkel kollisjoner. I praksis, unentangled (uavhengig) tilstander er sjeldne unntak, for når det systemer som påvirker hverandre, samspillet skaper sammenhenger mellom dem.,

Tenk, for eksempel, molekyler. De er sammensetninger av delsystemer, nemlig elektroner og kjerner. Et molekyl er lavest energi tilstand, der det er mest vanligvis funnet, er en svært blandet tilstand av sine elektroner og kjerner, for posisjonene til de deltagende partikler er på ingen måte uavhengig. Som kjerner flytte elektroner flytte med dem.,

Tilbake til vårt eksempel: Hvis vi skriver Φ■, Φ● for bølgen funksjoner som beskriver system 1 i sin firkantet eller rund stater, og ψ■, ψ● for bølgen funksjoner som beskriver system 2 i sin firkantet eller rund stater, deretter i arbeidet vårt eksempel den generelle stater vil være

Uavhengige: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

floke seg: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Vi kan også skrive den uavhengige versjon som

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Merk hvordan i denne formuleringen parentes klart adskilte systemer 1 og 2 i selvstendige enheter.,

Det er mange måter å lage tette stater. En måte er å gjøre en måling av din (kompositt) system som gir deg delvis informasjon. Vi kan lære, for eksempel, at de to systemene har konspirerte for å ha samme form, uten å lære nøyaktig hvilken form de har. Dette konseptet vil bli viktig senere.

De mer karakteristiske konsekvensene av quantum forviklinger, for eksempel Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) og Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) virkninger, fremkomme gjennom sitt samspill med et annet aspekt av kvante-teori kalt «gjensidighet.,»For å bane vei for diskusjon av EPR og GHZ, la meg introdusere gjensidighet.

Tidligere, vi så for oss at våre c-ons kan vise to former (firkant og sirkel). Nå kan vi forestille oss at det kan også nummer to farger—rødt og blått. Hvis vi snakker om klassisk systemer, som kaker, er dette lagt til eiendommen ville antyde at våre c-ons kan være i hvilken som helst av fire mulige tilstander: en rød firkant, en rød sirkel, en blå firkant, eller en blå sirkel.,

Likevel for en quantum kake—en quake, kanskje, eller (med mer verdighet) en q-på—situasjonen er svært annerledes. Det faktum at en q-på utstilling, i forskjellige situasjoner, forskjellige former eller forskjellige farger betyr ikke nødvendigvis at det har både en form og farge samtidig. Faktisk, at «sunn fornuft» slutning, som Einstein insisterte bør være en del av en akseptabel oppfatningen av den fysiske virkelighet, er i strid med eksperimentelle fakta, som vi vil se kort tid.,

Vi kan måle formen av våre q-på, men du gjør så mister vi all informasjon om sin farge. Eller vi kan måle farge av vår q-på, men du gjør så mister vi all informasjon om sin form. Hva vi ikke kan gjøre, i henhold til kvante-teori, er å måle både formen og fargen samtidig. Ingen visning av fysiske virkeligheten fanger opp alle dens aspekter, man må ta hensyn til mange ulike, gjensidig eksklusive visninger, hver med gyldig, men delvis innsikt. Dette er hjertet av gjensidighet, som Niels Bohr formulert det.,

Som en konsekvens, kvanteteori tvinger oss til å være skeptisk i tildeling av fysisk virkelighet til individuelle egenskaper. For å unngå motsetninger, vi må innrømme det:

1. En eiendom som ikke er målt trenger ikke eksisterer.
2. Måling er en aktiv prosess som endrer systemet som måles.

II.

Nå vil jeg beskrive to klassiske—selv om langt fra klassisk!,—illustrasjoner av kvante-teori er underlig. Begge har vært sjekket i grundige eksperimenter. (I den faktiske eksperimenter, folk måle egenskaper som drivmoment av elektroner snarere enn former eller farger av kaker.)

Albert Einstein, Boris Podolsky og Nathan Rosen (EPR) beskrevet en oppsiktsvekkende effekt som kan oppstå når to quantum systemer er involvert. Den EPR effekt gifter seg med en bestemt, eksperimentelt realiserbar form av quantum forviklinger med gjensidighet.,

En EPR par består av to q-ons, som hver kan måles enten for sin form eller for fargen (men ikke begge). Vi antar at vi har tilgang til mange slike par, alle identiske, og at vi kan velge hvilke målinger som skal gjøre av deres komponenter. Hvis vi måler form av et medlem av en EPR par, finner vi at det er like sannsynlig å være firkantet eller rund. Hvis vi måler farge, finner vi at det er like sannsynlig å være rød eller blå.,

Det interessante effekter, som EPR anses som et paradoks, oppstår når vi gjør målinger av både medlemmer av paret. Når vi måler både medlemmer for farge, eller begge medlemmer for form, finner vi at resultatene alltid er enig. Dermed hvis vi finner ut at man er rød, og senere måle fargen på den andre, vil vi oppdage at det også er rød, og så videre. På den annen side, hvis vi måler i form av en, og deretter fargen på den andre, er det ingen korrelasjon., Dermed, hvis den første er firkantet, den andre er like sannsynlig å være rød eller blå.

Vi vil, i henhold til kvanteteori, få de resultatene selv om store avstander skille de to systemene, og målingene er utført nesten samtidig. Valg av måling på ett sted ser ut til å påvirke tilstanden i systemet i den andre plasseringen. Denne «skumle action på avstand,» som Einstein kalte det, kan synes å kreve overføring av informasjon — i dette tilfellet, informasjon om hva målingen ble utført — til en pris raskere enn lysets hastighet.,

Men gjør det? Før jeg vet resultatet du har oppnådd, jeg vet ikke hva du kan forvente. Jeg får nyttig informasjon når jeg lærer resultatet du har målt, ikke i det øyeblikket du måle det. Og noen melding å avsløre resultatet du målte må overføres i noen konkrete fysiske måte, tregere (antagelig) enn lysets hastighet.

Når dypere refleksjon, paradokset løses videre. Faktisk, la oss ta igjen tilstanden i andre system, gitt at de først har blitt målt til å være rød., Hvis vi velger å måle den andre q-på fargen, vil vi sikkert vil få rødt. Men som vi har diskutert tidligere, når du introduserer gjensidighet, hvis vi velger å måle en q-på form, når det er i «rød», det vil si, vi vil ha like stor sannsynlighet for å finne en firkant eller en sirkel. Dermed langt fra å innføre et paradoks, den EPR utfallet er logisk tvang. Det er i hovedsak bare en ompakking av gjensidighet.

Eller er det paradoksalt å finne den fjerne hendelser er korrelert., Tross alt, hvis jeg satt hvert medlem av et par hansker i bokser og sende dem til motsatt side av jorden, jeg burde ikke bli overrasket over at ved å se på innsiden en boks jeg kan bestemme handedness av hansken i den andre. På samme måte, i alle kjente tilfeller sammenhenger mellom en EPR par må være preget når dens medlemmer er nær hverandre, men selvfølgelig kan de overleve påfølgende separasjon, som om de hadde minner. Igjen, det særegne ved EPR er ikke korrelasjonen som sådan, men det er mulig innbakt i andre former.,

III.

Daniel Greenberger, Michael Horne og Anton Zeilinger oppdaget en annen briljant lysende eksempel på quantum forviklinger. Det innebærer tre av våre q-ons, tilberedt i en spesiell, viklet seg inn state (GHZ-state). Vi distribuerer de tre sp-ons til tre fjernt forskere. Hver eksperimentator velger, uavhengig og tilfeldig, om å måle form eller farge, og registrerer resultatet. Eksperimentet blir gjentatt mange ganger, alltid med de tre sp-ons starter ut i GHZ staten.,

Hver eksperimentator, separat, finner maksimalt tilfeldige resultater. Når hun måler en q-på form, hun er like stor sannsynlighet for å finne en firkant eller en sirkel, og når hun måler sin farge, rød eller blå, er like sannsynlige. Så langt, så kjedelige.

Men senere, når forskere kommer sammen og sammenligne sine målinger, litt analyse avslører et fantastisk resultat. La oss kalle en firkantet form og røde farger «bra», og runde former og blå farger «onde.,»Det eksperimentatorer oppdage at når to av dem valgte å måle form, men den tredje målt farge, fant de at nøyaktig 0 eller 2 resultater var «onde» (som er, sirkulær eller blå). Men når alle tre valgte å måle farge, fant de at nøyaktig 1 eller 3 målinger var onde. Det er hva quantum mechanics spår, og det er det som er observert.

Så: Er mengden av onde partall eller oddetall? Begge muligheter er realisert, med sikkerhet i ulike typer målinger. Vi er tvunget til å avvise spørsmålet., Det gir ingen mening å snakke om mengden av onde i vårt system, uavhengig av hvordan den er målt. Faktisk, det fører til motsetninger.

GHZ-effekten er, i fysiker Sidney Coleman ‘ s ord, «quantum mechanics i ansiktet.»Det knuser en dypt forankret fordommer, forankret i det daglige opplever at den fysiske systemer har bestemte egenskaper, uavhengig av om de egenskaper er målt. For hvis de gjorde det, så balansen mellom det gode og det onde ville være upåvirket av måling valg. Når internalisert, meldingen av GHZ effekten er uforglemmelig og mind-expanding.,

IV.

så langt vi har vurdert hvordan forviklinger kan gjøre det umulig å tilordne unike, uavhengige stater til flere q-ons. Tilsvarende betraktninger gjelder for utviklingen av en enkelt q-på i tid.

Vi sier vi har «fanget historier» når det er umulig å tilordne en bestemt tilstand i vårt system i hvert øyeblikk i tid. På samme måte til hvordan vi fikk konvensjonelle forviklinger ved å eliminere noen muligheter, vi kan lage innfløkt historie ved å gjøre målinger som samler delvis informasjon om hva som skjedde., I den enkleste viklet seg inn historier, vi har bare ett q, som vi overvåke ved to ulike tidspunkt. Vi kan tenke seg situasjoner der vi fastslå at formen av våre q-på var enten plassen på begge ganger eller at det var sirkulær på begge ganger, men at våre observasjoner la begge alternativene er i spill. Dette er et kvantesprang timelige analog av de enkleste forviklinger situasjoner illustrert ovenfor.,

ved Hjelp av en litt mer forseggjort protocol vi kan legge rynke av utfylling i dette systemet, og definerer situasjoner som bringer ut «mange verdener» aspekt av kvanteteori. Dermed vårt q-på kan være forberedt på den rød-stat, på et tidligere tidspunkt, og målt til å være i det blå-stat, på et senere tidspunkt., Som i de enkle eksemplene ovenfor, kan vi ikke kan konsekvent tildele vårt q-på eiendommen av farge på mellomtider; heller ikke har en bestemt form. Historier av denne typen realisere, i en begrenset, men kontrollert og presis måte, intuisjon som ligger til grunn for de mange verdener bilde av kvantemekanikken. En bestemt tilstand kan gren i gjensidig motstridende historiske baner som senere kommer sammen.,

Erwin Schrödinger, en av grunnleggerne av kvante-teori som var dypt skeptisk til korrekthet, understreket at utviklingen av quantum systemer naturlig fører til stater som kan bli målt til å ha svært forskjellige egenskaper. Hans «Schrödinger katt» stater, som kjent, skalere opp kvantifisere usikkerhet i spørsmål om feline dødelighet. Før målingen, som vi har sett i våre eksempler, man kan ikke overdra eiendommen i livet (eller død) til katt. Begge eller ingen av delene—eksistere i en underverden av muligheten.,

hver dag språket er dårlig egnet til å beskrive quantum gjensidighet, delvis fordi hverdag ikke vil møte den. Praktisk katter samhandle med omkringliggende luft molekyler, blant andre ting, på veldig forskjellige måter, avhengig av om de er levende eller døde, så i praksis målingen blir gjort automatisk, og katten får på med sitt liv (eller død). Men viklet seg inn historier beskrive q-ons som er i en reell forstand, Schrödinger kattunger., Full beskrivelse krever, på mellomtider, at vi tar begge to motstridende eiendom-baner i betraktning.

Den kontrollerte eksperimentelle realisering av viklet seg inn historier er delikat fordi det krever at vi samler delvis informasjon om våre q-på. Konvensjonelle quantum målinger generelt innhente komplett informasjon på en gang—for eksempel, kan de fastsette en bestemt form, eller en bestemt farge—snarere enn delvis informasjon som strekker seg over flere ganger. Men det kan gjøres—ja, uten store tekniske problemer., På denne måten kan vi gi konkrete matematiske og eksperimentell mening til spredning av «mange verdener» i kvante-teori, og demonstrere sin substantiality.

Original historie gjengitt med tillatelse fra Quanta Magazine, en redaksjonelt uavhengig publikasjon av Simons Stiftelse som har som oppgave å styrke offentlig forståelse av vitenskap som dekker forskning, utvikling og trender i matematikk og fysisk og biovitenskap.