Mokslo ir technologijų pasaulis

Kvantinių paradoksų sąrašą fizikai papildė „kvantinio Češyro katino“ paradoksu

Ži­nant kvan­ti­nės me­cha­ni­kos keis­ty­bes – nuo su­sie­tu­mo iki su­per­po­zi­ci­jos ir te­le­por­ta­ci­jos – re­gis, kvan­tų pa­sau­lis ne­la­bai kuo dar ga­li nus­te­bin­ti. Ta­čiau at­ra­di­mas, kad ob­jek­to fi­zi­nės sa­vy­bės ga­li at­sis­kir­ti nuo ob­jek­to, nė­ra iš to­kių, ku­riuos esa­me pra­tę ma­ty­ti kas­dien. Nau­ja­me dar­be fi­zi­kai teo­riš­kai pa­ro­dė, kad šis fe­no­me­nas, pa­va­din­tas kvan­ti­niu Če­šy­ro ka­ti­nu, yra kvan­tų me­cha­ni­kos sa­vy­bė ir ga­li bū­ti nau­din­ga tiks­liems kvan­ti­niams ma­ta­vi­mams, pa­ša­li­nant ne­rei­ka­lin­gas sa­vy­bes.

Yakiras Aharonovas iš Tel Avivo universiteto Tel Avive, Izraelyje ir Chapmano universiteto Orange'e, Kalifornijoje, JAV, su bendraautoriais publikavo darbą apie kvantinius Češyro katinus naujausiame New Journal of Physics numeryje.

Straipsnis pradedamas Lewiso Carrollio 1865 m. romano Alisa Stebuklų šalyje ištrauka:

– Gerai, – tarė Katinas ir šį kartą išnyko pamažėle: pirmiausia dingo iš akių uodegos galiukas, paskiausiai – šypsena: ji dar laikėsi Katinui dingus.
„Tai bent! – pamanė Alisa. – Mačiau daug nesišypsančių kačių, bet katės šypsena be katės? Kaip gyva nieko keistesnio nesu mačiusi.“

http://ebiblioteka.mkp.emokykla.lt/kuriniai/alisa_stebuklu_salyje

Kaip kad šypsena yra katino savybė, poliarizacija yra fotono savybė. Straipsnyje paaiškinama, kaip, „keistuoju kvantų mechanikos būdu, fotonų poliarizacija gali egzistuoti ten, kur jokio fotono išvis nėra.“

Trikdantys matavimai

Pasiūlytame eksperimente fizikai parodo, kad fotonas keliaus kaire interferometro atšaka su 100 % tikimybe, tačiau jo poliarizacija gali būti aptikta dešinėje atšakoje, kur fotono keliavimo tikimybė lygi 0 %. Tai yra, fotonas yra vienoje vietoje, kai tuo tarpu jo poliarizacija – kitoje.

Tačiau šiame eksperimente yra kabliukas: juo nematuojama fotono buvimo vieta ir jo poliarizacija tuo pačiu metu, o tik matuoja kai kurių fotonų buvimo vietą ir kitų poliarizaciją skirtingu metu. Tai kelia klausimą, ar įmanoma, kad poliarizacijos matavimai trikdo fotonus ir dėl to jie pakeičia kursą ir keliauja dešine atšaka.

Siekdami išspręsti šį klausimą, tyrėjai pasiūlė dvi papildomas eksperimento variacijas.

Pirmuoju atveju, fizikai teoriškai parodė, kad matuojant fotono vietą ir poliarizaciją tuo pat metu, išties pakeičiamas fotonų kursas ir jie keliauja dešine atšaka. Tai yra, pats matavimas keičia rezultatą ir panaikina paradoksą. Toks paaiškinimas matavimo sukeltu trikdymu išties yra standartinis daugelio kvantų mechanikos paradoksų sprendimas.

Paradokso atgaivinimas

Bet čia fizikai žengė toliau ir parodė, kad kvantinis Češyro katinas išties yra, pasiūlydami kitą eksperimentą, ribojantį matavimo sukeltus trikdžius. Šiame eksperimente fizikai pasinaudoja išlyga tarp trikdžio ir tikslumo, pasinaudodami vadinamuoju „silpnu“ matavimu – kuris nėra labai tikslus, bet trikdo labai silpnai.

Šiuo atveju ankstesniuose dviejuose eksperimentuose naudoti jutikliai pakeičiami CCD kamera ir optiniu elementu, – šie elementai kelia labai mažai trikdžių. Dabar, kai fotonų vieta ir poliarizacija matuojami tuo pačiu metu, rezultatai sutampa su pradinio eksperimento: fotonas kairėje atšakoje, o tuo tarpu poliarizacija – dešinėje.

Šis atradimas reiškia, kad savybių atskyrimas nuo jų objekto išties yra kvantų mechanikos savybė, ne tik fotonų. Fizikai prognozuoja, kad šis efektas taip pat tinka elektronui ir jo krūviui ar sukiniui (spinui), o taipogi atomui ir jo vidinei energijai. Nors pasiūlytas optinis eksperimentas dabartinėmis technologijomis gali būti atliktas (ir tyrėjai tikisi, kad tai greitai įvyks), elektroninė jo versija dabartinėms technologijoms nepasiekiama.

Platesnės implikacijos

Fizikai paaiškina, kad silpni matavimai gali būti naudojami ir kitų kvantų paradoksų atgaivinimui.

„Turime daug pavyzdžių, kai silpni matavimai „grąžina“ paradoksus; iš tiesų tai yra bendra strategija, kurią galima taikyti visiems paradoksams, kurie iki šiol atmetami, kaip paprastos iliuzijos, kurios išnyktų, jei būtų atliekami tikri matavimai,“ Phys.org sakė bendraautorius Sandu Popescu iš Bristolio universiteto.

Šią temą fizikai nuodugniau paaiškino straipsnyje apie Hardžio paradoksą. Tą pačią strategiją jie pritaikė tikriausiai žinomiausiam, menančiam ankstyvąsias kvantų mechanikos dienas, kvantiniam paradoksui, – neigiamos kinetinės energijos idėjai. Kinetinė energija pagal apibrėžimą yra teigiamas dydis, bet per barjerą tuneliavusioms dalelėms ji atrodo kaip neigiama.

„Tuneliavimo pavyzdys nuolat naudotas beveik visose klasikinėse kvantų mechanikos vadovėliuose, kvantų mechanikos veikimo paaiškinimui, kaip paradoksai yra ne daugiau, nei iliuzijos, kylančios iš neteisingo troškimo naudoti klasikinį mąstymą, ir kad „teisingas“ kvantų mechanikos supratimas, konkrečiai, faktas, jog matavimas sukelia trikdžius, paradoksą visiškai panaikina,“ sakė Popescu. „Mes parodėme, kad šis standartinis paradoksų atmetimo būdas kuria neteisingą intuiciją ir praleidžia tai, kas išties įdomu kvantų mechanikoje, ir kad paradoksai vėl pasirodo, jei žinoma, kaip žvelgti į problemą.“

Aptariamo paradokso atveju, kvantinio Češyro katino egzistavimas iškelia daug intriguojančių klausimų. Pavyzdžiui, kaip elektronas su atskirtu krūviu ir mase paveiks gretimus elektronus? Kaip atrodys gravitacinis laukas atome su atskirta vidine energija? Ar gali fotonai su atskirta poliarizacija paveikti ja vieną objektą, o radiaciniu spaudimu – kitą? Fizikai tikisi, kad būsimas darbas į šiuos klausimus atsakys.

Kvantiniai Češyro katinai taip pat gali panaudotas tiksliems matavimams. Pavyzdžiui, eksperimente, kuriame dalelės krūvis sukelia nepageidaujamus trikdžius, gal krūvis galėtų būti pašalintas, perkeliant jį į atskirą vietą.