Einšteino „košmaras“ egzistuoja iš tikro? Įspūdingas mokslininkų eksperimentas paneigė pasaulio lokalumą kosminiu mastu (Video)

Lokalumas — klasikinės fizikos savybė, nurodanti, kad pokyčiai viename Visatos taške negali iš karto paveikti fizinę realybę kitame: įvykiai Veneroje negali akimirksniu pakeisti pi mezonų skilimo dažnio Žemėje. Ši savybė pagrindžia klasikinį priežasties ir pasekmės ryšį ir kyla iš informacijos perdavimo spartos apribojimo šviesos greičiu vakuume – c. Kvantų mechanikoje toks lokalumas gali būti tam tikru būdu pažeistas.

Lokalumo pažeidimams priskiriamos susietų dalelių sistemos. Tokios sistemos pavyzdžiu gali būti pora fotonų, atsiradusių iš spontaninio parametrinio išsklaidymo (SPDC) — vieno kvanto virtimu dviem mažesnės energijos kvantais. Šių fotonų poliarizacijos yra viena kitai statmenos, tačiau iki išmatavimo fotonai savo poliarizacijos „nežino“. Išmatavus tik vieno arba kito fotono poliarizaciją, paaiškės, kad ji atsitiktinė. Tačiau fiksuojant fotonų porų poliarizaciją, paaiškės, kad pirmojo fotono būsenos matavimas iš karto paveikia antrojo būseną. Jis pakeičia savo būseną, „prisiderindamas“ prie pirmosios dalelės matavimo rezultatų. Šį reiškinį Einšteinas pavadino „košmariška toliaveika“ (spooky action at a distance).

Kvantinės fizikos požiūriu, pora susietų fotonų elgiasi kaip viena sistema, kad ir kokiu atstumu jie vienas nuo kito būtų. Tokį elgesį būtų galima nurašyti kokiems nors nežinomiems dalelių parametrams ar kintamiesiems, kurie dar iki matavimo momento sinchronizuoja fotonų būseną. Tačiau galima atlikti gan sudėtingą eksperimentą, kuriuo statistiškai galima atskirti nelokalumą ir slaptus parametrus daugkartiniais dalelių būsenų matavimais. Statistinius skirtumus (specialių matavimų rezultatų sutapimo dažnį) aprašo Bello nelygybės.

Daugybė eksperimentų patvirtino Bello nelygybių pažeidimus susietų dalelių sistemose. Tačiau juose visuose būdavo naudojamos tam tikros prielaidos, būtinos duomenų interpretavimui. Šios prielaidos — savotiškos „logikos spragos“, kuriomis galima imituoti lokalumo pažeidimą. Pavyzdžiui, viena tokia spraga – matuojamos ne visos susietų dalelių poros. Teoriškai galima tarti, kad aptinkamų dalelių imtis nereprezentatyvi. Neabsoliučiu fotonų aptikimu galima „atšaukti“ Bello nelygybės pažeidimus. Siekdami išvengti šios prielaidos, fizikai sukūrė eksperimentą, kur fotonai aptinkami itin efektyviai.

Naujasis darbas skirtas kitai eksperimentų rezultatų interpretavimui naudojamai prielaidai. Tradiciškai tariama, kad slaptieji parametrai turi rastis susietų dalelių poros sukūrimo momentu. Tuo tarpu Bello nelygybėje tokia prielaida nedaroma.

Tikrinant lokalumą, fotonų matavimui naudojamos atsitiktinai parenkamos bazės (pavyzdžiui, matuojant poliarizaciją, atsitiktinai pasirenkama poliarizatorių orientacija). Daroma prielaida, kad šis pasirinkimas abiems fotonams jokios įtakos nedaro. Bet šią prielaidą pašalinus, teoriškai galima gauti situaciją, kai Bello nelygybė pažeidžiama, nepaisant tebegaliojančio lokalumo. Kitaip tariant, slapti parametrai gali atsirasti dar iki poros susiejimo.

Naujojo darbo autoriai rado būdą, kaip iš esmė apriboti laiką, kada gali atsirasti slaptieji parametrai. Tai apribojo koreliacijas tarp atsitiktinių fotonų matavimo būdo parinkčių.

Eksperimentas buvo surengtas taip. Susietų fotonų šaltinis stovėjo Kvantinės optikos ir kvantinės informacijos instituto pastate (Viena). Susietų fotonų poros buvo perduodamos dviems matavimo įrenginiams: vienas stovėjo Austrijos nacionaliniame banke, kitas – Gamtos išteklių universitete. Atstumas tarp pastatų yra atitinkamai 1149 ir 557 metrai. Fotonų spinduliai fokusuoti (priimant ir perduodant) pora teleskopų. Buvo tikrinama susietų fotonų poliarizacija.

Pastatuose poliarizacija buvo nepriklausomai matuojama tam tikru kampu sustatytais poliarizatoriais. Bello nelygybės patikrinimo eksperimentuose reikia atsitiktinai parinkti bazes — poliarizatorių išdėstymą. Viename pastate reikėjo atsitiktinai pastatyti poliarizatorių 90 arba 45 laipsnių kampu, kitame — 22,5 ir 67,5.

Galimas koreliacijas, galėjusias atsirasti anksčiau, tyrėjai pašalino, kaip atsitiktinių sąlygų generatorius panaudoję žvaigždes. Pora teleskopų mokslininkai fiksavo iš dviejų skirtingų žvaigždžių atlėkusių fotonų šviesą — remiantis esamomis žinomis, išilgai vienos krypties lekiančių fotonų pasiskirstymą pagal spalvas galima laikyti atsitiktiniu.

Jei „žvaigždinio“ fotono bangos ilgis buvo artimesnis trumpųjų bangų ruožui, prietaisas matavimus atliko, naudodamas vieną bazę, o jei fotonas priklausė infraraudonųjų spindulių diapazonui — kitą.

Pasirinktos žvaigždės yra už 600 š.m ir >1000 š.m. nuo Žemės, skirtingomis kryptimis nuo stebėtojo. Remiantis priežastingumo principu, slapti kintamieji galėjo rastis ne anksčiau nei prieš 600 metų, o koreliacijas galėjęs sukurti įvykis turėjo nutikti bent jau prieš 2000 metų.

Nepaisant tokių apribojimų, autoriai eksperimento statistikoje aptiko ne mažesnius, nei 11σ standartinius nuokrypius nuo Bello nelygybės. Elementariųjų dalelių fizikoje, pavyzdžiui, dalelės atradimo patvirtinimui, pakanka 5σ standartinių nuokrypių.

Mokslininkai pabrėžia, kad eksperimentas galutinai neeliminuoja prielaidos, kad slapti kintamieji galėjo rastis praeityje. Jis tik nubrėžia ribą, kokioje laiko atkarpoje galėjo veikti lokalumo principams paklūstantys mechanizmai. Pasak autorių, tolesni eksperimentai, naudojant kvazarų ar gravitacinių bangų spinduliavimą, šią ribą gali nustumti už milijardų metų iki eksperimento, ligi pat ankstyvosios Visatos epochos.

Yra daug įvairiausių kvantinės mechanikos interpretacijų. Plačiausiai paplitusi Kopenhagos interpretacija — ja remiantis, visus procesus galima aprašyti tikimybėmis. Su tikimybine traktuote ilgai negalėjo sutikti Einšteinas — jis teigė, kad „Dievas nežaidžia kauliukais“. Ši traktuotė atitinka determinizmą ir priežastingumo principą. Be to, egzistuoja kvantinės mechanikos daugelio pasaulių interpretacija ir daug kitų, ne tokių populiarių traktuočių.

V. Koroliov
nplus1.ru