Квантовая физика: объяснение парадокса или Бог Эйнштейна не спросил
В прошлый раз я рассказал о парадоксе квантовой нелокальности: две компоненты "Шрёдингеровского котёнка" - электрон и протон, разведённые на разные концы Вселенной, и помещённые в чёрные ящики проявляют удивительные свойства. Во-первых, если мы захотим открыть ящик с электроном и измерить его проекцию спина, то получим результат совершенно случайный. Действительно, повторяя этот эксперимент многократно, в половине случаев мы будем обнаруживать электрон, "крутящимся вправо", в другой половине - "крутящимся влево" - т.е. вероятность обнаружения электрона в том или ином состоянии 50/50. Складывается такое ощущение, будто физический эксперимент подобен игре в кости. Это и было подмечено Эйнштейном.
Но, мало того, в момент измерения состояния электрона нам чудесным образом становится известной проекция спина протона, который, казалось бы, по-прежнему не тронутый нами, преспокойно находится на том краю Вселенной в своём чёрном ящике. В то же время, согласно постулату теории относительности, любая информация о нём может быть доставлена нам не меньше, чем через многие тысячи лет.
А всё с ней так, хотя некоторыми моментами она и тянет на магию.
Объяснение парадокса кроется в том, что, хотя две частицы и разделены огромным отрезком пространства, они друг с другом образуют единое квантовое целое, которое выражается их общей волновой функцией. И, с точки зрения квантового описания, до момента измерения (открытия одного из ящиков), нет ни протона, ни электрона по-отдельности, есть некий растянутый по всей Вселенной "электронопротон" или "протоноэлектрон", называемый квантовым перепутанным состоянием.
В этом смысле, грубо говоря, какой-то "кусочек протона (точнее, толика информации о нём)" присутствует в ящике с электроном и, наоборот, - в чёрном ящике с протоном "незримо присутствует" электрон. В этом, собственно, и состоит соль имеющегося перед нами состояния перепутанной пары - две компоненты её жёстко связаны друг с другом своими проекциями спинов (хотя и разделены в пространстве) или, как говорят, коррелированы между собой. То есть перепутанное состояние характеризуется именно взаимосвязью двух частиц, а не характеристикой каждой из них по-отдельности.
Оттого, при измерении проекции спина протона или электрона, и получается, что бог, управляя "вращением" частицы, как будто играет с нами в кости, и тот или иной результат, проводя эксперимент повторно, мы получаем с пятидесятипроцентной вероятностью. Само изначальное состояние перепутанной пары не содержит определённых проекций спинов частиц, поэтому и при нашем измерении конкретным направлениям спинов взяться неоткуда. Однако, то, чем квантовое состояние действительно обладает - жёсткую взаимосвязь двух частиц - мы будем подтверждать всякий раз, открывая оба ящика.
Также важно отметить, что взаимосвязь эта (корреляции между частицами) существует без всякого взаимодействия. Ещё как только наш зачаток Шрёдингеровского котёнка - атом водорода - испустил свой 21-сантиметровый квант, перейдя в состояние с противоположными проекциями спинов электрона и протона (см. 4-ю картинку здесь), мы уже знаем, что перепутанное состояние готово, и остаётся только разделить частицы в пространстве, что, в принципе, можно сделать, никак "не прикасаясь" к спинам частиц. А поскольку взаимодействие отсутствует, то и о нарушении принципа причинно-следственных связей говорить нет смысла.
Далее, вдумаемся, передаётся ли информация из одного конца вселенной в другой, когда мы открываем один из ящиков? Нет, не передаётся. Вся информация о протоне, которую мы узнаём, как я писал выше, уже есть в ящике с электроном. Тот же из экспериментаторов, что находится на противоположном краю мира, карауля протон, продолжает ничего о нём не знать, пока его ящик закрыт. Информацию о своей частице он сможет извлечь либо независимо от нас открыв свой ящик, либо же, спустя долгие годы, дождавшись от нас радостного известия об измеренных спинах частиц. Потому и принципы теории относительности в квантовой механике работают как часы без каких-либо противоречий.
Остаётся ещё вопрос. Что же происходит с волновой функцией нашего состояния в момент измерения, когда, в один миг, конкретные проекции спинов приобретают две частицы, доселе их не имевшие? Это место достаточно скользкое. Говорят о так называемом "коллапсе волновой функции", т.е. её исчезновении, знаменующем разрушение квантового состояния перепутанности в момент вмешательства экспериментатора. Да, функция эта, что занимала собой всю вселенную, вдруг, один миг схлопывается в точку, что выглядит весьма странно. Но вспомним, что она (см. пост про котят Шрёдингера) представляет из себя лишь объект теории и вовсе не является физической величиной. Поэтому, опять же, о незаконном превышении скорости света чем-либо нам говорить не приходится.
В заключение хочу удалиться немного в область философии и сказать ещё пару слов о принципе неопределённости. Рассказ нём, как о неотъемлемом законе природы может вызвать у кого-то приступ негодования, и многие вслед за философами-детерминистами Нового времени скажут: "Случайность - есть непознанная закономерность". Увы, в наших попытках исследовать мир с помощью физических измерений, столкновение со случайностью становится закономерным. Можно сказать, что природа - есть объект замкнутый и самодостаточно существующий без процедуры измерения. Когда же мы вмешиваемся в ход вещей с нашим желанием всё задетектировать и измерить, кто сказал, что она обязана раскрыть нам все свои карты и соответствовать от начала и до конца нашим умозрительным представлениям о ней? Впрочем, философский спор об интерпретации квантовой теории всё ещё ведётся, но это уже метафизика.
квантово распутавшийся котёнок... таки жив!
Но, мало того, в момент измерения состояния электрона нам чудесным образом становится известной проекция спина протона, который, казалось бы, по-прежнему не тронутый нами, преспокойно находится на том краю Вселенной в своём чёрном ящике. В то же время, согласно постулату теории относительности, любая информация о нём может быть доставлена нам не меньше, чем через многие тысячи лет.
А всё с ней так, хотя некоторыми моментами она и тянет на магию.
Объяснение парадокса кроется в том, что, хотя две частицы и разделены огромным отрезком пространства, они друг с другом образуют единое квантовое целое, которое выражается их общей волновой функцией. И, с точки зрения квантового описания, до момента измерения (открытия одного из ящиков), нет ни протона, ни электрона по-отдельности, есть некий растянутый по всей Вселенной "электронопротон" или "протоноэлектрон", называемый квантовым перепутанным состоянием.
В этом смысле, грубо говоря, какой-то "кусочек протона (точнее, толика информации о нём)" присутствует в ящике с электроном и, наоборот, - в чёрном ящике с протоном "незримо присутствует" электрон. В этом, собственно, и состоит соль имеющегося перед нами состояния перепутанной пары - две компоненты её жёстко связаны друг с другом своими проекциями спинов (хотя и разделены в пространстве) или, как говорят, коррелированы между собой. То есть перепутанное состояние характеризуется именно взаимосвязью двух частиц, а не характеристикой каждой из них по-отдельности.
Оттого, при измерении проекции спина протона или электрона, и получается, что бог, управляя "вращением" частицы, как будто играет с нами в кости, и тот или иной результат, проводя эксперимент повторно, мы получаем с пятидесятипроцентной вероятностью. Само изначальное состояние перепутанной пары не содержит определённых проекций спинов частиц, поэтому и при нашем измерении конкретным направлениям спинов взяться неоткуда. Однако, то, чем квантовое состояние действительно обладает - жёсткую взаимосвязь двух частиц - мы будем подтверждать всякий раз, открывая оба ящика.
Также важно отметить, что взаимосвязь эта (корреляции между частицами) существует без всякого взаимодействия. Ещё как только наш зачаток Шрёдингеровского котёнка - атом водорода - испустил свой 21-сантиметровый квант, перейдя в состояние с противоположными проекциями спинов электрона и протона (см. 4-ю картинку здесь), мы уже знаем, что перепутанное состояние готово, и остаётся только разделить частицы в пространстве, что, в принципе, можно сделать, никак "не прикасаясь" к спинам частиц. А поскольку взаимодействие отсутствует, то и о нарушении принципа причинно-следственных связей говорить нет смысла.
Далее, вдумаемся, передаётся ли информация из одного конца вселенной в другой, когда мы открываем один из ящиков? Нет, не передаётся. Вся информация о протоне, которую мы узнаём, как я писал выше, уже есть в ящике с электроном. Тот же из экспериментаторов, что находится на противоположном краю мира, карауля протон, продолжает ничего о нём не знать, пока его ящик закрыт. Информацию о своей частице он сможет извлечь либо независимо от нас открыв свой ящик, либо же, спустя долгие годы, дождавшись от нас радостного известия об измеренных спинах частиц. Потому и принципы теории относительности в квантовой механике работают как часы без каких-либо противоречий.
Остаётся ещё вопрос. Что же происходит с волновой функцией нашего состояния в момент измерения, когда, в один миг, конкретные проекции спинов приобретают две частицы, доселе их не имевшие? Это место достаточно скользкое. Говорят о так называемом "коллапсе волновой функции", т.е. её исчезновении, знаменующем разрушение квантового состояния перепутанности в момент вмешательства экспериментатора. Да, функция эта, что занимала собой всю вселенную, вдруг, один миг схлопывается в точку, что выглядит весьма странно. Но вспомним, что она (см. пост про котят Шрёдингера) представляет из себя лишь объект теории и вовсе не является физической величиной. Поэтому, опять же, о незаконном превышении скорости света чем-либо нам говорить не приходится.
В заключение хочу удалиться немного в область философии и сказать ещё пару слов о принципе неопределённости. Рассказ нём, как о неотъемлемом законе природы может вызвать у кого-то приступ негодования, и многие вслед за философами-детерминистами Нового времени скажут: "Случайность - есть непознанная закономерность". Увы, в наших попытках исследовать мир с помощью физических измерений, столкновение со случайностью становится закономерным. Можно сказать, что природа - есть объект замкнутый и самодостаточно существующий без процедуры измерения. Когда же мы вмешиваемся в ход вещей с нашим желанием всё задетектировать и измерить, кто сказал, что она обязана раскрыть нам все свои карты и соответствовать от начала и до конца нашим умозрительным представлениям о ней? Впрочем, философский спор об интерпретации квантовой теории всё ещё ведётся, но это уже метафизика.
квантово распутавшийся котёнок... таки жив!