Lefotózták azt, amit még Einstein is képtelenségnek tartott

2019.08.30. 19:47

Először fotózták le az Einstein által kísérteties távolhatásnak nevezett jelenséget. Az ezzel kapcsolatos kutatásukat a tudósok a Science Advances magazinban publikálták.

Még Einstein számára is képtelenségnek tűnt

A kvantummechanika egyik igen szokatlan jelensége az úgynevezett kvantum-összefonódás, melyet Einstein kísérteties távolhatásnak nevezett, mivel ez még a zseniális tudós számára is elfogadhatatlannak tűnt.

Einstein a lokális realizmus elvét vallotta.Forrás: Origo

Ő a lokális realizmus elvét vallotta, azaz hogy - a speciális relativitáselmélet értelmében - az információ instant, tehát a fénysebességnél gyorsabb közlése lehetetlen,

mivel az sérti a fénysebesség túlléphetetlenségének és a kauzalitásnak az elvét,

illetve, hogy a kvantumrészecskék fizikai állapota akkor is rögzített, ha éppen nem figyeljük vagy mérjük őket.

A kantummechanika az atomnál kisebb dolgok világa. Az atomok, szubatomi részecskék világában például egy részecske egyszerre két helyen is lehet, amit kísérletekkel bizonyítani tudnak a fizikusok, de megmagyarázni nem. Egy másik elképesztő viselkedése a kvantumoknak, az Einstein által kísérteties távolhatásnak nevezett jelenségForrás: FORRÁS: HTTPS://NEWSROOM.UNSW.EDU.AU

Az einsteini teória szerint a valóság objektív és független a megfigyelőtől,

ez az úgynevezett fizikai realizmus. Szerinte bármely hatás csak lokálisan érvényesülhet, mivel egy esemény következményei maximum fénysebességgel terjedhetnek tova.

A két zseni, Niels Bohr (a pamlag bal szélén ülve) és Albert Einstein másként vélekedtek a mikrovilágban érvényesülő határozatlanságrólForrás: Wikimedia Commons

Emiatt heves vitákat folytatott a másik zseniális elméleti fizikussal, Niels Bohrral, aki másként vélekedett.

 Kvantumállapot: a felfoghatatlan csoda

Ha két részecskét ugyanaz az esemény hoz létre, akkor azok kapcsolatban lesznek akkor is, ha eltávolítjuk őket egymástól.

Ha az egyikkel történik valami, a párja reagál rá, bármilyen nagy távolságra is kerülnek egymástól.

Így például, ha az egyik részecskét „meglökjük", a távolban lévő párja is ugrik egyet.

Forrás: ELTE

Az elméleti fizika nyelvén megfogalmazva, a két részecske nem-lokális vagyis nem helyhez kötött kapcsolatban áll egymással, mivel ugyanannak a kvantumállapotnak a részét alkotják. Méréskor a részecskék tetszőleges távolságra lehetnek egymástól.

Az atomszerkezet művészi ábránForrás: AFP

Amíg nem mérik meg őket, addig  úgynevezett szuperpozícióban vannak,

ami egy meghatározatlan állapot, többféle állapot valószínűségi kombinációja. Például egy elektron helyét az atomban nem tudjuk pontosan meghatározni, csak azt, hogy bizonyos valószínűséggel itt, vagy bizonyos valószínűséggel ott tartózkodik.

Az atommag körül az elektronok felhőt alkotnakForrás: Wikimedia Commons

Vagy, hogy az elektron spinje bizonyos százalékkal balra, bizonyos százalékkal jobbra forog.

Méréskor azonban a hullámfüggvény összeomlik és a részecske meghatározott állapotba kerül.

A spinje pedig vagy jobbra, vagy balra forog.

Einstein nem a távolhatásban kereste a magyarázatot

Az egyenletekből levezethető az az elméleti előrejelzés, hogy két egymáshoz közeli részecske tulajdonságai összefonódnak, és ez akkor is így marad, ha szétválasztjuk őket. Einstein elfogadta a korrelált részecskéket,

de úgy vélte, ennek más magyarázata van, nem a távolhatás.

Albert Einstein nem hitt a távolhatásbanForrás: Wikimedia Commons

Ő úgy gondolta, mindez együtt létezhet a klasszikus fizikával, ha volna egy olyan ismeretlen, rejtett változó, ami mint kvázi egy hírvivő cselekszik az összefonódott részecskepárok között, összetartva a sorsukat.

Einstein szerint a kvantumfizika jó, de nem teljes, mert van még valami, amit nem ismerünk,

ezért van ez a jelenség és ez az oka annak, hogy úgy tűnik, a valószínűség határozza meg a kvantumfizikát.

De nem volt mód, hogy teszteljék, míg nem jött John Stewart Bell   

John Stewart Bell dolgozta ki a róla elnevezett Bell-egyenlőtlenséget. Bell úgy vélte,hogy egyenleteivel módot talált a vita eldöntésére,  és ha a korreláció nem igaz, akkor a kvantummechanika nem hogy nem teljes, ahogyan Einstein gondolta, hanem egyenesen téves, és rossz.

A Bell-egyenlőtlenség akkor és csak akkor igaz, ha a lokális realizmus téves, és a kísérteties távolhatás igaz.

 

John Stewart Bell, aki kidolgozta a róla elnevezett Bell-egyenlőtlenségetForrás: Queen's University Belfast

Ahhoz, hogy a lokális realizmus elvét elvessük, olyan mérésre van szükség, ami megjósolhatatlan, és a mérést végző rendszerek nem függhetnek össze egymással semmilyen módon.

A tudós 1964-ben közzé is tette Bell's theorem című dolgozatát, de senki nem foglalkozott vele. 1967-ben John Clauser, a Columbia Egyetem fizikusa folytatta Einstein ezzel kapcsolatos munkáját, és rátalált Bell dolgozatára.

John Clauser tovább folytatta Einstein kutatásaitForrás: Wikiwand

Clauser Einstein álláspontját osztotta.

Clauser megkonstruált egy olyan gépet, amely összefonódott részecskék ezreit hozta létre, és több szempontból össze is hasonlította ezeket. Nem sokkal később Alan Aspect francia fizikus kidolgozott néhány finomabb tesztet.

Albert Einstein és Nathan Rosen. Einstein szerint a kvantumfizika jó, csak nem teljesForrás: Origo

E szerint az egyik részecske mérése csak úgy befolyásolhatja a másikat,

ha  a jel a fénysebességnél gyorsabban halad köztük, ami viszont az einsteini elmélet szerint lehetetlen.

Az 1982-ben elvégzett kísérlet Niels Bohr elméletét támasztotta alá.

 Úgy tűnik, mégsem igaz a Bell-egyenetlenség

Több Bell-tesztet is elvégeztek, amelynek az a legegyszerűbb verziója, amikor előállítanak egy összefonódott részecskepárt, és a pár két tagját térben távoli mérőállomásra küldik, ahol két független mérő pontosan egyszerre elvégez egy olyan mérést, ami nincs előre meghatározva, például megmérik a részecskék spinjét.

Fotonok művészi ábrázolásaForrás: Wikimedia Commons

Ha a lokális realizmus igaz, akkor a két mérés eredménye független lesz egymástól,

ha azonban a részecskék össze vannak fonódva és a hullámfüggvény összeomlik, - ami szimultán módon befolyásolja a mérőeszközök mérési eredményét-,  akkor a két eredmény szigorúan korrelált lesz, ami ellentmond a Bell-egyenlőtlenségnek.

Az elvégzett kísérlet fotón is megörökített eredménye megkérdőjelezi Bell elméletétForrás: Home.cem

Júliusban az University of Glasgow skót egyetem fizikusai kifinomult lézer és kristályrendszer segítségével sikeresen lefotóztak összefonódott részecskéket.

Midez pedig megkérdőjelezi a Bell egyenlőtlenségi elvet.

Miles Padgett az egyetem fizika és csillagász professzora elmondta, hogy a most elvégzett kísérlet a kvantum összefonódás egyik kulcs tesztjének számít.

Sikerült lefotózni, amint "megérkezett" az összefonódott fotonpár

Bár a gyakorlatban is használják a kvantum összefonódást, valamint a Bell egyenlőtlenséget a külünféle applikációknál, úgy mint a kvantum számítógép és a kriptográfia esetében.

A mostani volt az első eset, hogy kamerát használtak a jelenség megerősítéséhez.

A perdöntő fotó elkészítéséhez fotonokat hoztak összefonódott állapotba.

A történelmi jelentőségű felvétel a kvantum összefonódásról.Forrás: https://www.livescience.com/65969-quantum-entanglement-photo.html

Ultraviola lézert és kristályt ütköztettek és e lézer a fotonok közül néhányat kettő fotonra tört össze. Az energia- és a lendületmegmaradás törvénye miatt mindegyik fotonpár összefonódott.

Azt találták, hogy az összefonódott párok korrelációban voltak egymással,

méghozzá messze gyakrabban, mint amit várnánk, ha egy rejtett változó szerepelne benne, vagyis ez a  lencsevégre kapott pár megsértette a Bell-egyenlőtlenséget.

A kvantum-összefonódás művészi illusztrációja.Forrás: FORRÁS: SCIENCE PHOTO LIBRARY/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRA

A kutatók egy speciális kamerát használva örökítették meg a fotonokat. Egyelőre még csak egyetlen fotót sikerült elkészíteni ezzel az igen bonyolult eljárással arról a pillanatról, amikor a foton „megérkezett" az összefonódott párjával. A kutatócsoport most azon dolgozik, hogy tovább finomítsák a szerkezet képfeldolgozó teljesítményét.