Нобелевская премия по физике 2022 года присуждается за оригинальные испытания жутких действий в

Физик Корнельского университета Н. Дэвид Мермин однажды описал квантовую запутанность как «наиболее близкую к магии вещь», поскольку она означает, что возмущения в одной части Вселенной могут мгновенно повлиять на отдаленные другие части Вселенной, каким-то образом минуя космическую скорость. предел света. Альберт Эйнштейн незабываемо назвал это «жутким действием на расстоянии». Сегодня Шведская королевская академия наук удостоила трех физиков Нобелевской премии по физике 2022 года за их работу по запутанности. Ален Аспект, Джон Ф. Клаузер и Антон Цайлингер были отмечены «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».

Когда субатомные частицы взаимодействуют, они могут становиться невидимо связанными, даже если они могут быть физически разделены. Таким образом, знание об одном партнере может мгновенно раскрыть знание о его близнеце. Если вы измерите состояние одной частицы, вы узнаете состояние другой без необходимости проводить второе измерение, потому что первое измерение также определяет свойства другой частицы.

Существует множество различных способов запутывания частиц, но в любом случае обе частицы должны возникать в результате одного «материнского» процесса. Например, прохождение одного фотона через особый тип кристалла может разделить этот фотон на две новые «дочерние» частицы. Мы назовем их «зелеными» и «красными» (сокращение от более абстрактных свойств частиц, таких как вращение или скорость). Эти частицы будут запутаны. Энергия должна сохраняться, поэтому обе дочерние частицы имеют более низкую частоту и энергию, чем исходная материнская частица, но общая энергия между ними равна энергии матери. У нас нет способа узнать, какой из них зеленый, а какой красный. Мы просто знаем, что каждый дочерний фотон имеет шанс 50 на 50 быть того или иного цвета. Но если мы случайно увидим одну из частиц и заметим, что она красная, мы можем сразу заключить, что другая должна быть зеленой.

Многое из этого было изложено в основополагающей статье 1935 года Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена, представленной в качестве мысленного эксперимента, чтобы продемонстрировать, что квантовая механика не является полной физической теорией. Если результат измерения одной частицы запутанной квантовой системы может мгновенно повлиять на другую частицу, независимо от расстояния между двумя частями, это называется «нелокальным поведением». Но это, похоже, нарушает один из центральных принципов теории относительности: информация не может передаваться быстрее скорости света, потому что это нарушило бы причинно-следственную связь.

У Эйнштейна и его сотрудников была грубая идея, что скрытые переменные могут дополнить обычную квантовую механику: пока еще неизвестные локальные свойства системы, которые служат скрытыми инструкциями, «сообщающими» частицам, какой результат должен быть определен в данном эксперименте. Эйнштейн, Подольский и Розен утверждали, что это должно объяснить несоответствие, так что не будет необходимости в мгновенном пугающем действии. Но у них не было конкретной модели, которую можно было бы предложить. И сообщество физиков убедилось, что скрытые переменные невозможны.

Джон Белл, однако, поставил под сомнение этот отказ от скрытых переменных после прочтения горячих дебатов о философских последствиях квантовой механики в 1920-х и 1930-х годах. «Я не решался подумать, что это неправильно, — сказал он однажды, — но я знал это было сгнившийБелла вдохновила конструкция Дэвида Бома теории скрытых переменных, которая, казалось, отлично работает, но за это приходится платить: нарушением локальности.

Белл нашел способ различать теории, которые соответствуют экспериментальным предсказаниям квантовой механики, и те, которые не соответствуют, и доказал, что локальные теории никогда не справятся с этой задачей. Астрофизик и философ Адам Беккер дал краткое изложение значения работы Белла ранее в этом году во время передачи Pioneer Works по этой теме:

В мысленном эксперименте ЭПР была идеальная корреляция между двумя электронами, но только если их спины измерялись вдоль одной и той же оси. Если бы их спины измерялись вдоль разных осей — скажем, одна вдоль вертикальной оси, а другая — вдоль оси, находящейся на полпути между вертикальной и горизонтальной, — квантовая механика предсказывала несовершенную корреляцию между ними. И для определенных углов между этими осями корреляция была больше, чем можно было бы объяснить без мгновенной связи на большом расстоянии между ними.

Короче говоря, Белл показал, что ЭПР была верна лишь наполовину: выбор не стоял между жутким действием и неполнотой квантовой механики. Выбор был между жутким действием и квантовой механикой. неправильный. Квантовая механика предсказала мгновенные дальние корреляции. Может ли предсказание действительно подтвердиться в лаборатории?