Квантовая запутанность - королева парадоксов
Мир вокруг велик и разнообразен – разнообразен настолько, что на одних масштабах проявляются законы, совершенно немыслимые для других. Законы политики и битломания никак не следуют из устройства атома – для их описания требуются свои «формулы» и свои принципы. Трудно представить, чтобы яблоко – макроскопический объект, поведение которого обычно следует законам ньютоновской механики, – взяло и исчезло, слилось с другим яблоком, превратившись в ананас. А между тем именно такие парадоксальные феномены проявляются на уровне элементарных частиц. Узнав, что это яблоко красное, вряд ли мы сделаем зеленым другое, находящееся где-нибудь на орбите. А между тем именно так действует явление квантовой запутанности, и именно это продемонстрировали китайские физики, с работы которых мы начали наш разговор. Попробуем разобраться, что же это такое и чем может помочь человечеству.
Мир вокруг локален – иначе говоря, для того чтобы какой-то далекий объект изменился, он должен провзаимодействовать с другим объектом. При этом никакое взаимодействие не может распространяться со скоростью быстрее световой: это и делает физическую реальность локальной. Яблоко не может шлепнуть Ньютона по голове, не добравшись до нее физически. Вспышка на Солнце не может мгновенно сказаться на работе спутников: заряженным частицам придется преодолеть расстояние до Земли и провзаимодействовать с электроникой и частицами атмосферы. Но вот в квантовом мире локальность нарушается.
Самым знаменитым из парадоксов мира элементарных частиц можно назвать принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому невозможно точно определить величину обеих «парных» характеристик квантовой системы. Положение в пространстве (координата) или скорость и направление движения (импульс), ток или напряжение, величина электрической или магнитной компоненты поля – все это «взаимодополняющие» параметры, и чем точнее мы измерим один из них, тем менее определенным станет второй.
Когда-то именно принцип неопределенности вызвал непонимание Эйнштейна и его знаменитое скептическое возражение «Бог не играет в кости». Однако, похоже, играет: все известные эксперименты, косвенные и прямые наблюдения и расчеты указывают, что принцип неопределенности является следствием фундаментальной недетерменированности нашего мира. И снова мы приходим к несочетанию масштабов и уровней реальности: там, где существуем мы, все вполне определенно: если разжать пальцы и отпустить яблоко, оно упадет, притянутое гравитацией Земли. Но на уровне более глубинном причин и следствий попросту нет, а существует лишь пляска вероятностей.
Парадоксальность квантово запутанного состояния частиц в том и состоит, что «удар по голове» может произойти ровно одновременно с отрывом яблока от ветки. Запутанность нелокальна, и изменение объекта в одном месте мгновенно – и без всякого очевидного взаимодействия – меняет другой объект совершенно в другом. Теоретически мы можем отнести одну из запутанных частиц хоть на другой конец Вселенной, но все равно стоит нам «коснуться» ее партнера, оставшегося на Земле, и вторая частица откликнется моментально. Самому Эйнштейну поверить в это было непросто, и спор его с Нильсом Бором и коллегами из «лагеря» квантовой механики стал одним из самых увлекательных сюжетов в современной истории науки. «Реальность определенна, – как бы говорили Эйнштейн и его сторонники, – несовершенны лишь наши модели, уравнения и инструменты». «Модели могут быть какими угодно, но сама реальность в основе нашего мира никогда не определена до конца», – возражали адепты квантовой механики.
Выступая против ее парадоксов, в 1935 г. Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном сформулировал свой парадокс. «Ну хорошо, – рассуждали они, – допустим, узнать одновременно координату и импульс частицы невозможно. Но что, если у нас есть две частицы общего происхождения, состояния которых идентичны? Тогда мы можем измерить импульс одной, что даст нам косвенным образом сведения об импульсе другой, и координату другой, что даст знание координаты первой». Такие частицы были чисто умозрительной конструкцией, мысленным экспериментом – возможно, поэтому достойный ответ Нильсу Бору (а точнее, его последователям) удалось найти только 30 лет спустя.
Пожалуй, первый призрак квантово-механических парадоксов наблюдал еще Генрих Герц, заметивший, что если электроды разрядника осветить ультрафиолетом, то прохождение искры заметно облегчается. Эксперименты Столетова, Томсона и других великих физиков позволили понять, что происходит это благодаря тому, что под действием излучения вещество испускает электроны. Однако происходит это совершенно не так, как подсказывает логика; например, энергия высвободившихся электронов не будет выше, если мы увеличим интенсивность излучения, зато возрастет, если мы уменьшим его частоту. Увеличивая же эту частоту, мы придем к границе, за которой никакого фотоэффекта вещество не проявляет – этот уровень у разных веществ разный.
Объяснить эти феномены удалось Эйнштейну, за что он и был удостоен Нобелевской премии. Связаны они с квантованием энергии – с тем, что она может передаваться лишь определенными «микропорциями», квантами. Каждый фотон излучения несет определенную энергию, и если ее достаточно, то электрон поглотившего его атома вылетит на свободу. Энергия фотонов обратно пропорциональна длине волны, и при достижении границы фотоэффекта ее уже недостаточно даже для сообщения электрону минимально нужной для выхода энергии. Сегодня это явление встречается нам повсеместно – в виде солнечных батарей, фотоэлементы которых работают именно на основе этого эффекта.
В середине 1960-х Джон Белл заинтересовался проблемой нелокальности в квантовой механике. Ему удалось предложить математическую основу для вполне осуществимого эксперимента, который должен заканчиваться одним из альтернативных результатов. Первый итог «срабатывал», если принцип локальности действительно нарушается, второй – если все-таки он действует всегда и нам придется искать какую-то другую теорию для описания мира частиц. Уже в начале 1970-х такие эксперименты были поставлены Стюартом Фридманом и Джоном Клаузером, а затем – Аленом Аспэном. Упрощенно говоря, задача состояла в создании пар спутанных фотонов и измерении их спинов, одного за другим. Статистические наблюдения показали, что спины оказываются не свободными, а скоррелированными друг с другом. Такие опыты проводятся с тех пор почти непрерывно, все более точные и совершенные – и результат один и тот же.
Стоит добавить, что механизм, объясняющий квантовую запутанность, неясен до сих пор, существует лишь явление – и различные интерпретации дают свои объяснения. Так, в многомировой интерпретации квантовой механики запутанные частицы – это лишь проекции возможных состояний одной-единственной частицы в других параллельных вселенных. В транзакционной интерпретации эти частицы связывают стоячие волны времени. Для «квантовых мистиков» феномен запутанности – еще один повод рассматривать парадоксальный базис мира как способ объяснения всему непонятному, от самих элементарных частиц до человеческого сознания. Мистиков можно понять: если вдуматься, то от последствий кружится голова.
Простой опыт Клаузера–Фридмана указывает на то, что локальность физического мира в масштабе элементарных частиц может нарушаться, и сама основа реальности оказывается – к ужасу Эйнштейна – расплывчатой и неопределенной. Это не значит, что взаимодействие или информация могут передаваться мгновенно, за счет запутанности. Разнесение запутанных частиц в пространстве идет с обычной скоростью, результаты измерения случайны, и пока мы не измерим одну частицу, вторая не будет содержать никакой информации о будущем результате. С точки зрения получателя второй частицы, результат совершенно случаен. Почему же все это нас интересует?
Кажется, при разговоре о принципе неопределенности мы уронили яблоко? Поднимите его и бросьте об стену – разумеется, оно разобьется, ведь в макромире не работает еще один квантово-механический парадокс – туннелирование. При туннелировании частица способна преодолевать энергетический барьер более высокий, чем ее собственная энергия. Аналогия с яблоком и стеной, конечно, очень приблизительная, зато наглядная: туннельный эффект позволяет фотонам проникать внутрь отражающей среды, а электронам – «не замечать» тонкой пленки оксида алюминия, которая покрывает провода и вообще-то является диэлектриком.
Наша бытовая логика и законы классической физики к квантовым парадоксам не слишком-то приложимы, но они все равно работают и широко применяются в технике. Физики как будто (временно) решили: пусть мы пока не знаем до конца, как это работает, но пользу из этого можно извлечь уже сегодня. Туннельный эффект лежит в основе работы некоторых современных микрочипов – в виде туннельных диодов и транзисторов, туннельных переходов и т. д. И, конечно, нельзя забывать о сканирующих туннельных микроскопах, в которых туннелирование частиц обеспечивает наблюдение за отдельными молекулами и атомами – и даже манипуляцию ими.
В самом деле, давайте представим, что мы «квантово запутали» два яблока: если первое яблоко окажется красным, то второе обязательно зеленым, и наоборот. Мы можем отправить одно из Петербурга в Москву, сохранив их спутанное состояние, но это, казалось бы, все. Только когда в Петербурге яблоко будет измерено как красное, второе станет зеленым в Москве. До момента измерения возможности предсказать состояние яблока нет, потому что (все те же парадоксы!) самого определенного состояния они не имеют. Какой же в этом запутывании толк?.. А толк нашелся уже в 2000?х, когда Эндрю Джордан и Александр Коротков, опираясь на идеи советских физиков, нашли способ как бы «не до конца» измерять, а значит, и фиксировать состояния частиц.
Используя «слабые квантовые измерения», можно как бы взглянуть на яблоко вполглаза, мельком, стараясь угадать его цвет. Можно проделывать такое снова и снова, фактически не посмотрев на яблоко как следует, но вполне уверенно определиться с тем, что оно, например, красное, а значит, спутанное с ним яблоко в Москве будет зеленым. Это позволяет использовать спутанные частицы снова и снова, а предложенные около 10 лет назад методы позволяют хранить их, запустив бегать по кругу неопределенно долгое время. Остается унести одну из частиц подальше – и получить исключительно полезную систему.
Откровенно говоря, создается ощущение, что пользы в запутанных частицах куда больше, чем принято думать, просто наша скудная фантазия, скованная все тем же макроскопическим масштабом реальности, не позволяет придумать им настоящие применения. Впрочем, и уже существующие предложения вполне фантастичны. Так, на основе спутанных частиц можно организовать канал для квантовой телепортации, полного «считывания» квантового состояния одного объекта и «записи» его в другой, как если бы первый просто перенесся на соответствующее расстояние. Более реалистичны перспективы квантовой криптографии, алгоритмы которой обещают почти «невзламываемые» каналы связи: любое вмешательство в их работу скажется на состоянии запутанных частиц и будет тут же замечено владельцем. Тут-то на сцену и выходит китайский эксперимент QESS (Quantum Experiments at Space Scale – «Квантовые эксперименты в космическом масштабе»).
Проблема в том, что на Земле трудно создать надежную связь для разнесенных на большое расстояние запутанных частиц. Даже в самом совершенном оптоволокне, по которому идет передача фотонов, сигнал постепенно затухает, а требования к нему здесь особенно высокие. Китайские ученые даже подсчитали, что если создавать запутанные фотоны и рассылать их в две стороны с плечами длиной около 600 км – по половине расстояния от центра квантовой науки в Дэлинхе до центров в Шэньчжэне и Лицзяне, – то можно рассчитывать поймать по спутанной паре примерно за 30 тыс. лет. Иное дело космос, в глубоком вакууме которого фотоны пролетают такое расстояние, не встречая каких-либо преград. И тут на сцену выходит экспериментальный спутник Mozi («Мо-Цзы»).
На космическом орбитальном аппарате установили источник (лазер и нелинейный кристалл), каждую секунду выдававший несколько миллионов пар запутанных фотонов. С дистанции от 500 до 1700 км одни эти фотоны направлялись в наземную обсерваторию в Дэлинхе на Тибете, а вторые – в Шэньчжэне и Лицзяне на юге Китая. Как и можно было ожидать, основные потери частиц происходили в нижних слоях атмосферы, однако это лишь около 10 км пути каждого пучка фотонов. В результате же канал запутанных частиц покрыл расстояние от Тибета до юга страны – около 1200 км, а в ноябре этого года была открыта новая линия, которая соединяет провинцию Аньхой на востоке с центральной провинцией Хубэй. Пока что каналу не хватает надежности, но это уже дело техники.
В ближайшее время китайцы планируют запуск более совершенных спутников для организации таких каналов и обещают, что уже скоро мы увидим действующую квантовую связь между Пекином и Брюсселем, фактически с одного конца континента до другого. Очередной «невозможный» парадокс квантовой механики обещает очередной скачок в технологиях.
Источник
Подписка на новостой RSS-канал сайта
Получать новости сайта по почте
Контактный адрес для любых сообщений
МЕНЮ
Архив материалов
Подписка на новости
Новости криптозоологии
Хроники природных катастроф
ПОСЛЕДНИЕ НОВОСТИ
18.03.2018 - 02.05.2018 (990)
03.05.2018 - 11.06.2018 (1000)
12.06.2018 - 18.07.2018 (990)
19.07.2018 - 24.08.2018 (1000)
25.08.2018 - 02.10.2018 (1000)
03.10.2018 - 07.11.2018 (990)
08.11.2018 - 13.12.2018 (990)
14.12.2018 - 23.01.2019 (1000)
24.01.2019 - 02.03.2019 (1000)
03.03.2019 - 12.04.2019 (1010)
13.04.2019 - 23.05.2019 (990)
Последние аномальные новости

Аркаим - колыбель арийской культуры

База для отслеживания НЛО возводится в горах Армении

В нашей галактике очень мало землеподобных экзопланет

В Саблинских пещерах нет привидений

Вулкан Попокатепетль привлек пару НЛО

Голубое небо, озера и леса Марса

Девочке с 14 пальцами отрезали лишнее

Жуткие звуки с неба пугают жителей Гаити

Загадка семерых юношей, проспавших 200 лет в пещере

Загадочные случаи из жизни

Земля - поляна для галактических пикников

История черной птицы Чернобыля

Как узнать обитаемую экзопланету

Какими будут солдаты Нового Мирового Порядка

Кастинг Битвы экстрасенсов прошел в Воронеже

Корабль инопланетян разбился на Марсе

Метеорит пролетел над Австралией

Найдены остатки полярных шапок Марса

Небесного червя видели над Флоридой

Нью-Йорк и Лондон уйдут под воду в 2100 году

Оборотень или психически больной Билл Рэмзи

Открыли сразу три экзокометы

Пентагон продолжает вести наблюдение за НЛО

Почему Плутон больше никогда не станет планетой

Странные звуки с неба пугают жителей Румынии и Индии

Странные звуки с неба пугают жителей Сиднея

США создает оружие, управляемое силой мысли

Тайна прародины Солнечной системы

Уникальный феномен зафиксировали на Марсе

Уфологи заявили о страшном заговоре инопланетян

Алгоритм нашел 18 землеподобных экзопланет в данных Кеплера

Армагеддон произойдет в 2025 году. Третья мировая начнется в этом

Будущие колонисты Марса не смогут контактировать с землянами

В США разрешили пускать умерших людей на удобрения

Возле Солнца снова замечен куб Боргов

Впервые открыли две гравитационных волны за один день

Девушка, мечтающая стать лошадью, бегает на четвереньках

Женщина пошутила о миллионном выигрыше и сорвала джекпот

Женщина расплатилась за автомобиль 66 мешками с мелочью

Земля беременна

Калгари - игровая площадка дьявола

Комета 67P - артефакт инопланетян

Мальчик упал с 23-го этажа и отделался синяками

Молодая Венера была комфортной и влажной планетой

Мужчина выстрелил себе в сердце и выжил

Обезьяна-убийца девять дней терроризировала индийский город

Призраки на качелях

Редчайший черный носорог родился в Чикаго

Следы взорвавшихся вулканов нашли на Марсе

Столетняя женщина раскрыла секрет долголетия

В больнице Бостона одновременно забеременели 14 медсестер

Высокотехнологичная обработка стен в пещере Лунъю

Египетская реинкарнация ирландской девочки Дороти Иди

Жуткая история Оливии Мейбл

Загадка появления аномалий на обратной стороне Луны

Загадка семейного фото

Куда исчезает вода из атмосферы Марса

Лунатизм - это расстройство не сна, а бодрствования

Любой человек может отправить на Марс табличку со своим именем

Паранормальная смерть Чарльза Уолтона

Преданный кот преодолел 300 км и вернулся в родной монастырь

Призрачная фигура попала на камеру наблюдения

Пророчество Ванги о пришельцах-мутантах сбывается

Процессом старения управляет некая генетическая программа

Суровый материк Антарктида исчез на глазах

Сферический НЛО проникает под землю

Тоскующая по умершему хозяину собака неделями ждала его у работы

У древних индейцев нашли современные технологии

Удивительные подводные леса Арктики

Фюреру Третьего рейха удалось бежать

Аненербе не оставило следов в Антарктиде

Военные США заметили группу НЛО над Тихим океаном

Женщина впервые родила шестерняшек

Загадочный столб света запечатлели в Неваде

Какой загадочный объект пробил брешь в Млечном пути

Лекция о дольменах пройдет в библиотеке Дом Алексея Лосева

Лицо рептилоида возникло в небе США

Луна скоро треснет и ее осколки начнут падать нам на голову

Мужчина зашел в бар и пропал

Мужчина нашел рекордный золотой самородок

Небо в Йемене окрасилось в красный цвет

Открыли невозможную звезду в созвездии Кассиопеи

Охота за обитаемыми мирами. Как найти внеземной разум

Планы колонизации Марса оказались пустышкой

Почему океан Плутона до сих пор не замерз

Почему Пентагон интересуется НЛО

Призрак обезьяны-убийцы в древнем замке Уэльса

Рукопись Войнича. Самая загадочная книга может быть расшифрована

Флотилия НЛО пролетела над ночной Москвой

Это трагедия. В районе Мачу-Пикчу строят аэропорт

Ангелы Войны были освобождены 18 мая

Бледное существо в шахте

Вспышки света и звуковые удары пугают жителей Кливленда

Встречи со злыми феями

Друг по имени Джамби

Загадка Бермудского треугольника раскрыта

Загадка заснятого в Сибири мамонтенка

Загадка каменной стены на Алтае

Загадочная статуя из шумерского Урука

Загадочный Галактический диск

Иллюминаты показали всему миру дату начала Третьей мировой войны

Космодромы инопланетян на Юпитере

Малыш в больнице

Медитация. С точки зрения науки

Над Йеллоустоном пролетел НЛО

Просыпался с синяками и царапинами

Случаи болезней после встречи с необычными существами

Страх перед куклами

Чей-то голос

Экзорцист избил пенсионерку в московском храме

Бристольский университет удалил заявление о разгадке манускрипта Войнича

Вблизи протозвезды обнаружили монооксид алюминия

Возможны ли путешествия во времени

Десять фактов о смерти

Доказали возможность путешествий во времени

Жуткая традиция засушенных человеческих голов

Кто, как и зачем создал тысячи гранитных кувшинов

Петроглифы камня Кочно остаются неразгаданными

Почему Пентагон возобновил программу слежки за НЛО

Призрак в доме наркобарона Пабло Эскобара

Пророчества Айзека Азимова сбываются одно за другим

Путешественники во времени. Гении или лжецы

Путешественники во времени. Что не так

Раскрыли тайное общество каннибалов

Расшифровано пророчество Нострадамуса на 2019 год

Речное чудище сняли в канадском парке Банфе

Рукопись Войнича. Как ученые делают сенсации из ничего

Случаи ловли необычных рыб

Сотрудник НАСА заявил, что Земля - плоская

Умер мужчина из старейшей в мире супружеской пары

Самодельная сушилка для овощей

Кошачий уголок или что можно сделать своими руками для кота

Как сделать интерьерную куклу своими руками

Особенности правильного выбора лупы для анализа мелких объектов

Завивка волос дома с помощью подручных средств

Как научится всё успевать

Самостоятельно клеим обои

Как правильно клеить гипсокартон на стену

Что такое скрапбукинг

Канцтовары. Офисные принадлежности на ходу

Что взять с собой в поезд в дальнюю поездку

Принт на чашке - оригинальный подарок на любое событие

Более 100 древних храмов нашли в Камбодже

Вселенная как мегаполис

Где растёт дуб-часовня

Гигантский паук Джейба Фофи

Детально засняли формирующуюся планетную систему

Женщина обнаружила на пляже рыбу с человеческими зубами

Инопланетяне вышли на связь со своими из Швеции

Когда жители мегаполисов пересядут на летающие такси

Кто поможет раскрыть главную тайну Вселенной

Лазерное оружие определит потенциал российской армии

Море вокруг Ирана сделалось красным

Наблюдения необычных НЛО. Треугольники и парящие шары

НЛО пролетел над Смоленском

Огненный шар завис над Алжиром

Подросток обнаружил экзопланету с двумя Солнцами

Причина гибели цивилизации Наска

С начала года в Подмосковье родились 60 двойняшек

Световые феномены в небе подозрительно участились

Темные оккультные практики

Чупакабра пугает жителей поселка Крылова

В лесах Лаоса нашли древние кувшины мертвых

Женщина сняла призрака в эстонском замке

Загадочный армянский Караундж

Когда нужно идти к экстрасенсу

Конец света наступит очень скоро

НЛО сняли над Йошкар-Олой

Опровергнута популярная теория об эволюции человека

Первые итоги изучения плоской планеты Ультима Туле

Полтергейст или ахинея

Поляризация света протопланетных дисков укажет на аксионы

Понять содержание манускрипта Войнича невозможно

Предрекли исчезновение миллионов рабочих мест из-за роботов

Раскрыта загадка египетской пустыни

Создан первый полностью искусственный живой организм

Странное существо заметили на Суздальских озерах

Тайны древних камней

У людей не нашли ни одного инстинкта

Учителя литературы уволили из-за заклятия Ктулху

Эзотерика была, есть и будет

Является ли человечество космическим экспериментом

Как привлечь любовь с помощью фен-шуй

Армия США заказала разработку боевого лазера

Ведьмовские пруды в Румынии и США

Девушка плачет кровавыми слезами

Подписка на новости сайта
Наверх
Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика