Încurcarea este înfricoșătoare, dar nu acțiunea la distanță

Prima dintre două părți (încurcate). Citiți partea a doua.

Cu câteva săptămâni înainte de Halloween-ul trecut, fizicienii din Țările de Jos au tratat lumea fizicii cu dovezi experimentale a ceea ce Einstein a numit „acțiune înfricoșătoare la distanță”.

Nu este prima dată când experimentele demonstrează fenomenul înfricoșător, cunoscut sub numele de întanglement cuantic. Dar acest experiment special a închis unele lacune citate de sceptici care sperau că încurcarea se va dovedi a nu fi atât de înfricoșătoare. Verdictul este în, și înfricoșător câștigă. Măsurarea unei proprietăți a unei particule încâlcite vă poate spune ce va dezvălui măsurarea celeilalte particule. Indiferent cât de departe este cealaltă particulă.

Lui Einstein nu i-a plăcut. Dar atât natura obiecției sale, cât și ceea ce a arătat cu adevărat acest experiment au fost raportate greșit pe scară largă. Dacă ați citit despre acest rezultat în mass-media populare (cum ar fi ziare și reviste de știri care conțin cuvântul „Times” sau „Time”), s-ar putea să vă gândiți să luați una dintre acele șters de memorie Men in Black. Ai fost induși în eroare.

Povestea unei reviste de știri, de exemplu, avea un titlu care țipa „Ce a greșit Einstein cu privire la viteza luminii”. Și un ziar important a raportat că noul experiment a dovedit „că obiectele separate la distanțe mari pot afecta instantaneu comportamentul celuilalt”. De fapt, Einstein nu a greșit cu privire la viteza luminii, iar obiectele încurcate NU se afectează instantaneu unele pe altele. După cum a spus un important expert cuantic, Charles Bennett de la IBM, ceea ce Einstein a greșit a fost caracterizarea încurcăturii drept acțiune înfricoșătoare la distanță. „Este înfricoșător”, spune Bennett, „dar nu este acțiune la distanță.”

De asemenea, uneori este raportat incorect că Einstein nu credea în încurcătură sau că el credea că teoria cuantică trebuie să fie greșită din cauza asta. De fapt, Einstein nu a susținut că încurcarea nu se poate întâmpla. El credea că descrierea cuantică a naturii este corectă în ceea ce privește ceea ce putea fi observat. El credea doar că încurcarea sugerează existența unor „elemente ale realității” ascunse pe care matematica cuantică nu le ține seama. Deci, deși Einstein nu credea că mecanica cuantică este greșită, el a susținut că este incompletă – că nu spunea întreaga poveste.

Dar cele mai recente experimente de intricare cuantică arată contrariul. Nu numai experimentul din Țările de Jos, ci și alte două raportate mai recent confirmă că mecanica cuantică vă spune tot ce știe natura însăși despre particulele încurcate.

Sigur, mai este un mister aici. Fizicienii au argumentat despre încurcătură de zeci de ani; oferă tot felul de puncte de vedere diferite, explicații și argumente despre ce înseamnă și care sunt consecințele sale pentru înțelegerea naturii realității fizice. Cu toate acestea, multe dintre cele scrise despre subiect sunt doar confuze. Experții în fizică cuantică au de fapt o înțelegere bună a modului în care funcționează, chiar dacă există o dezbatere despre motivul pentru care funcționează așa cum o face. Dar, să recunoaștem, încurcarea este complicată – este, până la urmă, fizica cuantică – așa că explicarea necesită mai mult context decât cele mai multe conturi sunt de obicei capabile să ofere. Deci, să începem cu ce este încurcarea și de ce nu i-a plăcut lui Einstein.

Particulele încurcate au o descriere matematică, cunoscută sub numele de funcție de undă cuantică. Această matematică nu ajută la prezicerea rezultatului pentru anumite tipuri de măsurători ale fiecărei particule. Dar odată ce una dintre particule a fost măsurată, veți ști cu siguranță care va fi rezultatul aceleiași măsurători pentru cealaltă particule, chiar dacă se află într-un laborator departe, departe.

Particulele se pot încurca atunci când interacționează între ele sau sunt emise dintr-o sursă comună. Să presupunem că doi fotoni (particule de lumină) sunt emiși dintr-o particulă (să zicem un pion) cu moment unghiular zero. Spiriurile celor două particule trebuie să adună până la zero. Deci, dacă fizicianul A (numiți-o Alice) prinde unul dintre fotoni și îi măsoară spinul ca +1, ea știe instantaneu că dacă fizicianul B (pentru Bob) măsoară celălalt foton, spinul său va fi -1.

Până acum Einstein nu are nicio problemă. Acest experiment pare să nu fie mai misterios decât separarea unei perechi de mănuși și trimiterea uneia lui Alice și una lui Bob – dacă Alice primește o mănușă dreptaci, ea știe că a lui Bob va fi stângaci. Dar încurcarea nu este atât de simplă. Niciuna dintre particule nu are un spin definit înainte de a fi măsurată; „mănușile” nu au nicio mână în drumul lor către destinatari. Este mai degrabă ca și cum ai trimite două mănuși, iar când Alice o încearcă pe a ei cu mâna dreaptă, se transformă într-o mănușă pentru dreptaci. Dacă Bob încearcă mănușa de pe mâna stângă, aceasta se va transforma într-o mănușă pentru stângaci. Dacă l-ar încerca pe mâna dreaptă, ar rămâne o mănușă.

Einstein a insistat că mâna mănușii trebuie determinată în prealabil de o lege fizică. Era perplex de posibilitatea ca alegerea mâinii de către Alice să aibă vreo legătură cu mănușa lui Bob să se potrivească cu degetele lui.

Dar exact asta au stabilit experimentele reale.

Într-un experiment tipic real, fotonii sunt pregătiți într-o stare nedeterminată de polarizare (orientarea vibrațiilor luminii). Filtrele de polarizare (cum ar fi anumite lentile de ochelari de soare) vor permite trecerea unor unghiuri de polarizare și le vor bloca pe altele. Dacă vă gândiți la filtru ca la un gard, un foton polarizat vertical ar trece printr-un spațiu între două șipci. Dar dacă ai întoarce gardul cu 90 de grade, fotonul polarizat vertical ar fi blocat; ar trece un foton orientat orizontal.

Să presupunem că ai pregătit fotoni încâlciți și i-ai trimis lui Alice și Bob în așa fel încât, dacă Alice i-a măsurat pe ai ei ca fiind polarizați pe verticală, ea știe imediat că ai lui Bob va fi polarizat pe orizontală. În acest scenariu, Alice și-a orientat filtrul vertical, iar fotonul a trecut și detectorul din spatele filtrului și-a înregistrat sosirea cu un clic. Dacă Bob și-a orientat filtrul pe orizontală, detectorul lui ar face de asemenea clic (mănușă pentru stânga). Dacă filtrul lui Bob a fost orientat vertical, fără clic (manușă).

Dar lucrul complicat este că fotonul vertical al lui Alice ar fi putut la fel de bine să fie orizontal. Nu „decide” ce să facă până nu este măsurat. Să presupunem că Alice alege întotdeauna orientarea verticală pentru detectorul ei. Dacă ai repeta experimentul de nenumărate ori, trimițând de fiecare dată fotoni încâlciți în exact aceeași stare cuantică, detectorul lui Alice nu ar face întotdeauna clic. Uneori fotonul ar fi vertical, trece prin filtru și lovește detectorul, dar uneori nu. Fotonul nu are o orientare până când Alice îl detectează. La fel și pentru Bob. Dar odată ce Alice face o măsurătoare, rezultatul măsurătorii lui Bob este sigur.

Aici este în cazul în care o mulțime de confuzie nori încurcă comentarii. Spre deosebire de ceea ce ați putea citi într-o revistă cu „New” și „Yorker” în titlu, măsurarea lui Alice nu influențează „instantaneu” fotonul lui Bob. Nu este trimis niciun semnal, nicio influență nu este transmisă. Din câte știe Alice, Bob ar fi putut măsura primul fotonul său. De fapt, dacă măsurătorile sunt făcute aproape în același timp, s-ar putea să nu existe o modalitate obiectivă de a spune cine a făcut prima măsurătoare. (Un călător în spațiu care zboară aproape cu viteza luminii ar putea vedea mai întâi măsurarea lui Bob, în ​​timp ce un alt călător care zboară într-o direcție diferită ar vedea prima măsurătoarea lui Alice.)

Ideea este că, dacă mecanica cuantică are dreptate, nicio particulă încâlcită nu știe în ce direcție va fi orientată până când trece printr-un filtru (și este înregistrată de un detector). Dar soarta unuia dezvăluie soarta celuilalt, chiar dacă nici Alice, nici Bob nu ar putea prezice dinainte rezultatul măsurării lor.

Einstein a simțit că trebuie să lipsească ceva din matematica cuantică dacă nu poate face nicio predicție despre nicio particulă până când partenerul său îndepărtat nu a fost măsurat.

„Teoria nu poate fi conciliată cu ideea că fizica ar trebui să reprezinte realitatea în timp și spațiu, fără acțiuni înfricoșătoare la distanță”, i-a scris Einstein prietenului său Max Born în 1947.

Einstein a subliniat mai târziu că mecanica cuantică a descris în mod corect domeniul observabil al naturii. „Nu voi nega asta [quantum] teoria reprezintă un avans important, într-un anumit sens, chiar definitiv, în cunoașterea fizică”, a scris el într-un manuscris pe care l-a trimis lui Born în 1948. Einstein credea că, în cele din urmă, ar putea apărea o teorie mai profundă, care să încorporeze mecanica cuantică, care să restabilească „ reale” la toate măsurătorile posibile pe o particulă încurcată. El dorea o teorie care, în cuvintele sale, să găzduiască „existența independentă a realității fizice prezente în diferite părți ale spațiului”.

„Când mă gândesc la fenomenele fizice cunoscute de mine”, a scris el, „încă nu pot găsi niciun fapt nicăieri care să facă să pară probabil că [that] cerința va trebui abandonată.”

Dar dacă ar fi trăit încă un deceniu, s-ar fi putut răzgândi – datorită unui fizician irlandez pe nume John Bell și experimentelor pe care le-a inspirat. Va fi descris în partea 2, care se încurcă cu partea 1.

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried