KΒΑΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΛΕΞΗ: ΤΟ ΠΙΟ ΠΑΡΑΞΕΝΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΥ, ΠΟΥ ΘΑ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΕΙ ΚΑΘΟΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΝ ΑΝΘΡΩΠΟΤΗΤΑ ΤΟΥ 22ου ΑΙΩΝΑ. ΑΠΟΚΟΣΜΗ ΔΡΑΣΗ ΑΠΟ ΤΙΣ ΑΚΡΕΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ
Το νοητικό πείραμα σύμφωνα με τον Σρέντινγκερ:
"Μια γάτα κλειδώνεται σε ένα ατσάλινο θάλαμο, μαζί με την εξής διάταξη (η οποία βρίσκεται με ασφάλεια εκτός εμβέλειας της γάτας): σε έναν μετρητή γκάιγκερ υπάρχει μια ελάχιστη ποσότητα ραδιενεργής ουσίας, τόσο μικρής, που κατά τη διάρκεια μιας ώρας ένα από τα άτομα διασπάται, αλλά επίσης ισοπίθανα, ίσως και όχι. Αν συμβεί αυτό ο μετρητής ενεργοποιείται και μέσω ενός διακόπτη (ρελέ) απελευθερώνει ένα σφυρί που σπάει μια μικρή φιάλη με υδροκυάνιο. Αν κάποιος αφήσει αυτό το σύστημα μόνο του για μια ώρα, μπορεί να υποθέσει ότι η γάτα είναι ακόμα ζωντανή, εάν στο μεταξύ δεν έχει διασπαστεί κάποιο άτομο. Η κυματοσυνάρτηση του συστήματος μπορεί να το εκφράσει, αν υπάρχει σε αυτή και η ζωντανή και η νεκρή γάτα (συγχωρήστε μου την έκφραση) αναμεμιγμένες ή διάχυτες εξίσου".
Η γάτα του Σρέντινγκερ: Μια γάτα, μια φιάλη με δηλητήριο και μια ραδιενεργη πηγή τοποθετούνται σε σφραγισμένο κουτί. Αν ο εσωτερικός ελεγκτής ανιχνεύσει ραδιενέργεια (π.χ. μια διάσπαση ατόμου), η φιάλη θρυμματίζεται, ελευθερώνοντας το δηλητήριο που σκοτώνει τη γάτα. Η θεώρηση της Κοπεγχάγης για τη κβαντομηχανική υπονοεί ότι μετά από λίγο, η γάτα είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή. Όμως, όταν κάποιος κοιτάει στο κουτί, την βλέπει είτε ζωντανή είτε νεκρή, αλλά ποτέ και ζωντανή και νεκρή. Αυτό εγείρει το ερώτημα, πότε μια κβαντική υπέρθεση σταματάει και η πραγματικότητα καταρρέει στη μια πιθανότητα ή στην άλλη.
Κλασικά τέτοιες περιπτώσεις απροσδιοριστίας αρχικά περιορισμένες στο ατομικό επίπεδο, μετασχηματίζονται σε μακροσκοπικές απροσδιοριστίες, οι οποίες μπορούν να επιλυθούν με απευθείας παρατήρηση. Αυτό μας εμποδίζει από το να δεχτούμε έτσι αφελώς ένα "θολό μοντέλο" που αναπαριστά την πραγματικότητα. Από μόνο του δεν συμπεριλαμβάνει τίποτα ασαφές ή αντιφατικό. Υπάρχει διαφορά μεταξύ μιας κουνημένης και "out-of-focus" φωτογραφίας και μεταξύ ενός στιγμιότυπου σύννεφων και ομίχλης.
— Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (The present situation in quantum mechanics), Naturwissenschaften
Είσαι ο μοναδικός σύγχρονος φυσικός, πέραν του Λάουε, ο οποίος μπορεί να δει ότι κάποιος δε μπορεί απλά να προσπεράσει την υπόθεση της πραγματικότητας, αν θέλει είναι ειλικρινής. Οι περισσότεροι δε βλέπουν το επικίνδυνο παιχνίδι που παίζουν με την πραγματικότητα-πραγματικότητα ως κάτι ανεξάρτητο από αυτό που είναι πειραματικά καθιερωμένο. Η ερμηνεία τους, ωστόσο, αντικρούεται τόσο κομψά από το δικό σου σύστημα του ραδιενεργού ατόμου + ενισχυτή + πυρίτιδα + γάτα στο κουτί, στο οποίο η κυματοσυνάρτηση του συστήματος περιέχει και την ζωντανή γάτα και την κομματιασμένη. Κανένας δε μπορεί να αμφιβάλει ότι η παρουσία ή απουσία της γάτας, είναι κάτι ανεξάρτητο της πράξης του παρατηρητή.
Αίσθηση προκαλεί το γεγονός ότι η πυρίτιδα δεν αναφέρεται στον μηχανισμό του Σρέντινγκερ, ο οποίος χρησιμοποιεί μετρητή Γκάιγκερ ως ενισχυτή και υδροκυάνιο ως πυρίτιδα. Η πυρίτιδα αναφέρθηκε στην αρχική υπόθεση του Σρέντινγκερ 15 χρόνια νωρίτερα και προφανώς ο Αϊνστάιν το συνέχισε στην τωρινή συζήτηση. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο Αϊνστάιν όχι μόνο ποτέ δεν συμπάθησε την κβαντική μηχανική αλλά βάσει των πειραματικών αποδείξεων του θεωρήματος του Μπελ (John Stewart Bell) η άποψη του Αϊνστάιν περί κβαντικής σύμπλεξης αποδείχθηκε θεμελιωδώς λάθος.
Αντίλογος
"Πράγματι, η θέση και η ταχύτητα ενός ηλεκτρονίου δεν είναι δυνατό να καθοριστούν την ίδια χρονική στιγμή, αλλά κάτι τέτοιο σημαίνει απλώς ότι αυτές δεν είναι οι κατάλληλες ποσότητες που πρέπει να χρησιμοποιούμε για την περιγραφή του. Αυτό που χαρακτηρίζει το ηλεκτρόνιο ή οποιοδήποτε σύνολο σωματιδίων κάθε χρονική στιγμή είναι μια κυματοσυνάρτηση. Αν υπάρχει ένας άνθρωπος που παρατηρεί τα σωματίδια, τότε η κατάσταση ολόκληρου του συστήματος, συμπεριλαμβανομένου του παρατηρητή, περιγράφεται από μια ενιαία κυματοσυνάρτηση."Steven Weinberg, Όνειρα για μια Τελική Θεωρία, 1995 - κάτοπτρο (Dreams of a Final Theory, 1992 - Pantheon Books)
Το κβαντομηχανικό παράδοξο της "γάτας του Schrödinger" σύμφωνα με την πολυπραγματική ερμηνεία του Hugh Everett. Σύμφωνα με αυτήν την θεωρητική ερμηνεία, κάθε γεγονός αποτελεί κόμβο-βρόχο διακλάδωσης· η γάτα είναι συνάμα ζωντανή και νεκρή, πριν καν ανοιχθεί το κουτί, αλλά η μεν «ζωντανή» και η δε «νεκρή» γάτα βρίσκονται σε διαφορετικά αλλά εξίσου πραγματικά σύμπαντα, που όμως δεν επικοινωνούν μεταξύ τους. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην πραγματικότητα η γάτα δεν έχει συγχρονισμένες ή ελεγχόμενες κβαντικές ιδιότητες όπως ομογενώς συντονισμένη ατομική ταλάντωση, ούτε το κουτί της είναι μαγνητικά μονωμένο απ' τον γύρω κόσμο άρα το παράδειγμα δεν ισχύει υπό αυτές τις συνθήκες διότι βασίζεται στον εσφαλμένο διαχωρισμό παρατηρητή και πειράματος (σφάλμα του Niels Bohr και της κβαντομηχανικής ερμηνείας της Κοπεγχάγης - βλ. κατάρριψή του απ' τον Steven Weinberg).
Το πείραμα διαφορετικών εναλλακτικών σε σχέση με τον παρατηρητή ίσως ισχύει (δεν συμφωνούν οι περισσότεροι ότι το κουτί αλλάζει κάτι) για άτομα ή μακροσκοπικά αντικείμενα συντονισμένης ατομικής ταλάντωσης ή όταν υπάρχει απόλυτη μονώση-θωράκιση από τον γύρω χώρο όμως η σύγχρονη θεώρηση δεν διαχωρίζει τον παρατηρητή από το πείραμα ανά "επισύμπαν", άρα η χρήση κουτιού είναι εσφαλμένη και περιττή, χωρίς αυτό να αποκλείει την πολυπραγματικότητα. Άλλη εσφαλμένη θεώρηση στην οποία βασίζεται το "νοητικό πείραμα της γάτας του Schrödinger" είναι η ασαφής-αόριστη χρήση του όρου παρατήρηση αντί των όρων αλληλεπίδραση/κρούση σωματιδίου σε σωματίδιο κι άρα μεταβολή των κυματοσυναρτήσεών τους. Στην αοριστολογία αυτή βασίζονται εσφαλμένες και μεταφυσικές ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής, μαθηματικά όμως δεν προκύπτει κάτι παράδοξο, μεταφυσικό ή ανθρωποκεντρικό.
Για πρώτη φορά ορατή με γυμνό μάτι η κβαντική διεμπλοκή.
Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης έχουν επινοήσει ένα νέο είδος κβαντικού πειράματος χρησιμοποιώντας ανθρώπους ως ανιχνευτές φωτονίων, και με τον τρόπο αυτό έχουν κάνει για πρώτη φορά. το κβαντικό φαινόμενο της διεμπλοκής ορατό με γυμνό μάτι.
Για εκείνους που χρειάζονται μια εξήγηση, η διεμπλοκή είναι εκείνο το παράξενο κβαντικό φαινόμενο που συνδέει δύο σωματίδια σε απόσταση, ώστε κάθε τυχόν μέτρηση που διεξάγεται στο ένα σωματίδιο, αμέσως αλλάζει την ιδιότητα του άλλου – ακόμη και αν χωρίζονται από ολόκληρο το σύμπαν.
Ο Αϊνστάιν το χαρακτήρισε «στοιχειωμένη δράση από απόσταση». Και πράγματι είναι από τα πιο περίεργα φαινόμενα που είδαμε ποτέ.
Ο Nicolas Gisin στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης διαπίστωσε ότι Ιταλοί φυσικοί είχαν κάνει στο παρελθόν ένα ενδιαφέρον πράγμα με πεπλεγμένα φωτόνια. Αντί της διεμπλοκής όπως κάνουν οι πειραματιστές συνήθως, η ιταλική ομάδα είχε κάνει διεμπλοκή σε ένα ζευγάρι φωτονίων και στη συνέχεια ενίσχυσε σε ένα από αυτά, για να δημιουργήσει ένα χείμαρρο φωτονίων που περιείχε αμέτρητα φωτόνια, που όλα συνδέονταν με το άλλο μεμονωμένο φωτόνιο από το αρχικό ζεύγος. Δηλαδή, υπήρχε ένα μεμονωμένο «μικροσκοπικό» φωτόνιο, και ένας χείμαρρος από «μακροσκοπικά» φωτόνια, όλα συνδεδεμένα σε κβαντικό επίπεδο.
Ο Gisin συνειδητοποίησε ότι, ενώ με γυμνό μάτι δεν μπορεί να δει κανείς ένα φωτόνιο, μπορεί σίγουρα να δει χιλιάδες φωτόνια. Έτσι χρησιμοποίησε μια διάταξη παρόμοια με τους Ιταλούς, αλλά αντί να βάλει ένα ανιχνευτή φωτονίων μπροστά από τον χείμαρρο των φωτονίων έβαλε τον εαυτό του και τους συνάδελφους του. Η δέσμη των φωτονίων που παράγονται από τον ενισχυτή θα εμφανιζόταν σε μία από τις δύο θέσεις στον σκοτεινό χώρο τους, ανάλογα με την κατάσταση πόλωσης που έδιναν στο μικροσκοπικά μοναδικό φωτόνιο τους. Κι έτσι, το ανθρώπινο μάτι αντικατέστησε τους ανιχνευτές φωτονίων για πρώτη φορά.
Μπορεί η ιστορία να μοιάζει ως εξής: κάποιοι επιστήμονες κάθονται σε ένα σκοτεινό δωμάτιο κοιτάζοντας να αναβοσβήνουν τα φώτα, αλλά στην ουσία αποτελεί την πρώτη κβαντική διεμπλοκή που έχει παρατηρηθεί άμεσα με γυμνό μάτι.
Κβαντική σύμπλεξη φωτονίων που δεν υπάρχουν την ίδια χρονική στιγμή.
H κβαντική σύμπλεξη αποτελεί ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα της κβαντομηχανικής, επιτρέποντας σε δύο σωματίδια να συν-πλέκονται μεταξύ τους ακόμα και αν βρίσκονται εκατομμύρια έτη φωτός μακριά.
Η μέτρηση ενός σωματιδίου αλλάζει ταυτόχρονα την κατάσταση του κβαντικά συζευγμένου ζεύγους του, ανεξάρτητα από την απόσταση.
Τώρα, Ισραηλινοί ερευνητές έδειξαν πως δύο φωτόνια μπορούν βρίσκονται σε κβαντική σύμπλεξη ακόμα και αν δεν υφίστανται την ίδια χρονική στιγμή.
Η χρονικά ανεξάρτητη κβαντική σύμπλεξη προβλέπεται από την κβαντική θεωρία, αλλά δεν είχε πραγματοποιηθεί με επιτυχία, μέχρι να το προσπαθήσουν οι Ίλαϊ Μεγκιντίς (Eli Megidish) και Χαγκάι Άιζενμπεργκ (Hagai Eisenberg) του Εβραϊκού Πανεπιστημίου της Ιερουσαλήμ.
http://www.phys.huji.ac.il
Οι ερευνητές ξεκίνησαν χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό που ονομάζεται εναλλαγή κβαντικής σύμπλεξης. Εκθέτοντας έναν ειδικό κρύσταλλο σε ακτινοβολία λέιζερ, δημιούργησαν δύο ζευγάρια “πεπλεγμένων” φωτονίων. Στην αρχή, τα φωτόνια 1 και 4 δεν βρίσκονται σε κατάσταση σύμπλεξης, αλλά μπορούν να βρεθούν εάν οι επιστήμονες πραγματοποιήσουν την κατάλληλη μέτρηση στα φωτόνια 2 και 3.
Για να επιτύχουν την ανεξαρτησία από το χρόνο, οι Μεγκιντίς και Άιζενμπεργκ δημιούργησαν πρώτα το ζευγάρι με τα φωτόνια 1 και 2, και μέτρησαν κατευθείαν την πόλωση του φωτονίου 1, πριν δημιουργήσουν το ζευγάρι με τα φωτόνια 3 και 4. Στη συνέχεια πραγματοποίησαν τη μέτρηση στα φωτόνια 2 και 3, και τελικά μέτρησαν την πόλωση του φωτονίου 4. Παρ’όλο που τα φωτόνια 1 και 4 δε συνυπήρξαν ποτέ, οι μετρήσεις έδειξαν ότι οι πολώσεις τους κατέληξαν να συμπλέκονται κβαντικά.
Σύμφωνα με τον Άιζενμπεργκ, το πείραμα δείχνει ότι δεν είναι απολύτως λογικό να σκεφτόμαστε την εμπλοκή ως μία απτή φυσική ιδιότητα.
«Δεν υπάρχει καμία χρονική στιγμή κατά την οποία τα δύο φωτόνια συνυπάρχουν», δήλωσε. «Συνεπώς δεν μπορούμε να πούμε ότι το σύστημα είναι πεπλεγμένο σε εκείνη ή την άλλη χρονική στιγμή», πρόσθεσε.
Ωστόσο, το φαινόμενο υπάρχει σίγουρα και το πείραμα αποδεικνύει πόσο διαφορετικές είναι οι έννοιες της κβαντικής μηχανικής. Τα κβαντικά γεγονότα είναι έξω από τις καθημερινές μας έννοιες του χώρου και του χρόνου και για αυτό εμφανίζουν διαφορετικές αντικειμενικές δυσκολίες στην πειραματική τους προσέγγιση και κατανόηση.
Οι επιστήμονες ελπίζουν πως το πείραμά τους θα βοηθήσει στη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών και δικτύων, στα οποία θα χρησιμοποιείται η κβαντική σύμπλεξη ως πρωτόκολλο για τη δημιουργία κβαντικών συνδέσεων μεταξύ απομακρυσμένων χρηστών, για την ασφαλή και ιδιαίτερα γρήγορη μεταφορά κωδικοποιημένων πληροφοριών.
Σκουληκότρυπες και κβαντική σύμπλεξη.
H κβαντική σύμπλεξη είναι ένα από τα πιο περίεργα φαινόμενα που μελετά η κβαντική μηχανική – τόσο παράξενο που ανάγκασε τον Einstein να αναφέρεται σ’ αυτό ως η «στοιχειωμένη δράση από απόσταση».
Όταν δύο σωματίδια βρίσκονται σε κβαντική σύμπλεξη, συν-πλέκονται μεταξύ τους ακόμα και αν βρίσκονται εκατομμύρια έτη φωτός μακριά.
Η μέτρηση ενός σωματιδίου αλλάζει ταυτόχρονα την κατάσταση του κβαντικά συζευγμένου ζεύγους του, ανεξάρτητα από την απόσταση.
Ας υποθέσουμε ότι ένα σωματίδιο με σπιν μηδέν διασπάται σε δυο σωματίδια.
Τότε το σύστημα των νέων δυο σωματιδίων υποχρεωτικά θα έχει συνολικό σπιν μηδέν και εξαιτίας των νόμων διατήρησης θα πρέπει συνεχώς να είναι μηδέν.
Συνεπώς αν το ένα σωματίδιο έχει σπιν «πάνω» ως προς μια τυχούσα κατεύθυνση, τότε υποχρεωτικά το σπιν του δεύτερου σωματιδίου θα πρέπει να είναι «κάτω», ας το έχουμε μεταφέρει έτη φωτός μακριά από το ταίρι του.
Για την κβαντομηχανική το σπιν του κάθε σωματιδίου είναι απροσδιόριστο.
Όμως όταν το σπιν του ενός σωματιδίου σε μια τυχούσα κατεύθυνση μετρηθεί και βρεθεί να έχει την μία από τις δυνατές τιμές του, τότε το σπιν του άλλου σωματιδίου – που ενδεχομένως βρίσκεται έτη φωτός μακριά – θα «αποκτήσει» ακαριαία την αντίθετη κατεύθυνση κατά μήκος του ίδιου άξονα. Και αυτός είναι ο λόγος που ο Einstein μιλούσε για «στοιχειωμένη δράση από απόσταση».
Αλλά τι είναι αυτό που επιτρέπει τα σωματίδια να «επικοινωνούν» ακαριαία σε τόσο μεγάλες αποστάσεις;
Πριν από κάποιους μήνες οι Juan Maldacena και Leonard Susskind στην εργασία τους με τίτλο «Cool horizons for entangled black holes» εξέταζαν τις λύσεις, που προκύπτουν από την γενική σχετικότητα, στις οποίες δυο απομακρυσμένες μαύρες τρύπες συνδέονται διαμέσου μιας σκουληκότρυπας ή γέφυρας Einstein-Rosen.
Τώρα έρχονται ο Julian Sonner από το ΜΙΤ, και ανεξάρτητα οι Kristan Jensen και Andreas Karch [Holographic Dual of an Einstein-Podolsky-Rosen Pair has a Wormhole], oι οποίοι μέσα από το πρίσμα της θεωρίας χορδών εξετάζουν μια παρόμοια ιδέα, τον σχηματισμό σκουληκότρυπας μεταξύ δυο κουαρκ που βρίσκονται σε κβαντική σύμπλεξη.
Δυο κουάρκ (τα στοιχειώδη σωματίδια από τα οποία συνίστανται τα πρωτόνια και τα νετρόνια), μπορούν να αναδυθούν από το κενό σύμφωνα με το φαινόμενο Schwinger. Το φαινόμενο αυτό που αποκαλείται επίσης και «δημιουργία ζεύγους» , περιγράφει την δημιουργία δυο σωματιδίων από το τίποτα ή ενός συνόλου φευγαλέων σωματιδίων.
Σύμφωνα με τον Sonner, χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί κανείς να «συλλάβει ένα ζεύγος» τέτοιων σωματιδίων πριν εξαφανιστούν πίσω στο κενό.
Άπαξ και διατηρηθούν, αυτά τα σωματίδια θεωρούνται συν-πλεγμένα. Χρησιμοποιώντας τις πολλές διαστάσεις και τις έννοιες, όπως η ολογραφική δυαδικότητα, που εμφανίζονται στην θεωρία των χορδών, φαίνεται ότι τα κουάρκ που βρίσκονται σε σύμπλεξη συνδέονται διαμέσου μιας σκουληκότρυπας.
Βάσει αυτής της θεώρησης η βαρύτητα αναδύεται από την κβαντική σύμπλεξη. Η γεωμετρία που περιγράφει την συγκεκριμένη κατάσταση, αντιμετωπίζει με έναν τελείως διαφορετικό τρόπο τη βαρύτητα και θα μπορούσε ίσως να οδηγήσει σε μια νέα θεωρία ενοποίησης, αλλά σύμφωνα με τον Sonner υπάρχει πολύς δρόμος ακόμα να διανυθεί (ως συνήθως)….
Το απόλυτο παγκόσμιο ρολόι και η κβαντική σύμπλεξη.
Ένα δίκτυο ατομικών ρολογιών εξαιρετικής ακρίβειας, που συνδέονται μεταξύ τους με το εκπληκτικό φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης, θα μπορούσαν να δημιουργήσουν το απόλυτο παγκόσμιο ρολόι.
Ένα τέτοιο επίτευγμα θα επέτρεπε όλες τις χώρες να συμφωνήσουν σε μια ακριβή μέτρηση του χρόνου, δημιουργώντας παράλληλα έναν τεράστιο κβαντικό αισθητήρα που επιπλέον θα βοηθούσε στην διερεύνηση κοσμικών μυστηρίων.
Τα ατομικά ρολόγια μετρούν την μικροκυματική ή οπτική συχνότητα που απαιτείται ώστε τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου να μεταβαίνουν από ένα ενεργειακό επίπεδο σε ένα άλλο. Το πρότυπο ατομικό ρολόι χρησιμοποιεί άτομα καισίου, που εκπέμπουν μικροκύματα μήκους κύματος περίπου 3,26 cm και συχνότητας 9 192 631 770 Hz (ακριβώς!).
Το Διεθνές Σύστημα Μονάδων ορίζει ως μονάδα μέτρησης του χρόνου, το δευτερόλεπτο ως εξής: ένα δευτερόλεπτο είναι η διάρκεια 9 192 631 770 περιόδων της ακτινοβολίας που αντιστοιχούν στην μετάβαση μεταξύ των δυο υπερ-λεπτων ενεργειακών σταθμών της θεμελιώδους κατάστασης του ατόμου του Καισίου 133.
Ένα τέτοιο ρολόι είναι εξαιρετικής ακρίβειας και μπορεί να χάνει ή να προπορεύεται κατά 1 δευτερόλεπτο κάθε 300 εκατομμύρια χρόνια!
Μπορεί στην καθημερινή μας ζωή ένα δευτερόλεπτο πίσω ή μπροστά να μην έχει μεγάλη σημασία, όμως δεν ισχύει το ίδιο στην σύγχρονη οικονομία και σε διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού (GPS), που για τον προσδιορισμό της ακριβούς θέσης απαιτείται η ακριβής γνώση του χρόνου που χρειάζεται για να φτάσουν στη συγκεκριμένη θέση τα σήματα των δορυφόρων GPS.
Εκείνο που έχει σημασία στη διεθνή χρονομέτρηση δεν είναι το ένα και μοναδικό εξαιρετικά ακριβές ρολόι, αλλά ένα παγκόσμιο δίκτυο ρολογιών. Ο ονομαζόμενος Παγκόσμιος Συντονισμένος Χρόνος (Coordinated Universal Time – UTC), βάσει του οποίου ρυθμίζονται όλα τα ρολόγια των κρατών στον κόσμο, εξαρτάται όχι μόνο από την ακρίβεια της μέτρησης του χρόνου, αλλά και από την ακρίβεια σύγκρισης των χρόνων που δίνουν τα κέντρα μέτρησης του χρόνου σε όλο τον κόσμο.
Αν κοιτάξεις ένα ρολόι δεν ξέρεις αν πηγαίνει καλά ή όχι. Αν έχεις δύο ρολόγια και δεν συμφωνούν και πάλι δεν ξέρεις ποιο είναι σωστό. Με τρία ρολόγια μπορείς να απορρίψεις το ένα που απέχει περισσότερο από τα άλλα δύο και να υπολογίσεις τον χρόνο με βάση κάποιον αλγόριθμο που θα λαμβάνει υπόψη την ακρίβεια και την σταθερότητα των δύο «σωστών» ρολογιών.
Διάφορα ερευνητικά κέντρα έχουν το δικό τους ρολόι καισίου και συνεργάζονται με το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στο Παρίσι, το οποίο υπολογίζει τον μέσο όρο τους και τον δημοσιεύει σε ένα μηνιαίο ενημερωτικό δελτίο που καθορίζει τον Παγκόσμιο Χρόνο (UTC). Αλλά αυτό σημαίνει πως δεν υπάρχει άμεση μέτρηση ενός καθολικά αποδεκτού πρότυπου χρόνου. Ο Παγκόσμιος Συντονισμένος Χρόνος έχει καθυστέρηση ενός μήνα.
H κβαντική σύμπλεξη αποτελεί ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα της κβαντομηχανικής, επιτρέποντας σε δύο σωματίδια να συν-πλέκονται μεταξύ τους ακόμα και αν βρίσκονται εκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Η μέτρηση ενός σωματιδίου αλλάζει ταυτόχρονα την κατάσταση του κβαντικά συζευγμένου ζεύγους του, ανεξάρτητα από την απόσταση.
Αν θεωρήσουμε τα ρολόγια ως εκκρεμή, τότε η σύμπλεξη των διαφορετικών ρολογιών κάνει τα ρολόγια να ταλαντώνονται με τέλεια συμφωνία.
Η εκτίμηση της ερευνητικής ομάδας είναι ότι ένα παγκόσμιο δίκτυο κβαντικού ρολογιού θα είναι περίπου 100 φορές πιο ακριβές από οποιοδήποτε ατομικό ρολόι. Επίσης, θα είναι προστατευμένο με φυσικό τρόπο από τους χάκερ, δεδομένου ότι κάθε εξωτερική παρέμβαση σύμφωνα με την κβαντομηχανική, γίνεται άμεσα αντιληπτή.
Όμως η κβαντική σύμπλεξη είναι μια πολύ ευαίσθητη κατάσταση, και ένα τόσο μεγάλο κβαντικό δίκτυο είναι πολύ δύσκολο να παραμείνει συνδεδεμένο κβαντικά.
Σύμφωνα με τον Kessler υπάρχει ακόμα πολύς δρόμος να διανυθεί διότι απαιτούνται σημαντικές τεχνολογικές εξελίξεις, αν και όλα τα βήματα έχουν επιτευχθεί σε μικρή κλίμακα.
Η Ruxandra Bondarescu, από το Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης, μας υπενθυμίζει ότι το κβαντικό δίκτυο ρολογιών θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε πειράματα θεμελιώδους φυσικής, για μετρήσεις των ελάχιστων μεταβολών του βαρυτικού πεδίου της Γης ή στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων.
Η γάτα του Σρέντινγκερ σε κβαντικό «ενσταντανέ»
Το διασημότερο αιλουροειδές της Φυσικής απαθανατίστηκε σε μοναδικό «ενσταντανέ» με τη βοήθεια ενός από τα πιο παράξενα φαινόμενα της Κβαντομηχανικής,, του κβαντικού συσχετισμού ή διεμπλοκής. Επιστήμονες από την Αυστρία πέτυχαν να πάρουν φωτογραφίες της «Γάτας του Σρέντινγκερ» χωρίς ουσιαστικά να τη φωτογραφίσουν πραγματικά: συνέλαβαν με την κάμερά τους όχι τα ίδια τα φωτόνια που είχαν ανακλαστεί από τη σιλουέτα της γάτας, όπως γίνεται στις κοινές φωτογραφίες, αλλά τα φωτόνια που ήταν συσχετισμένα μαζί τους και δεν είχαν αλληλεπιδράσει με το συγκεκριμένο αντικείμενο.
Ο κβαντικός συσχετισμός ή διεμπλοκή παρατηρείται όταν δυο σωμάτια που έχουν δημιουργηθεί μαζί παραμένουν συνδεδεμένα σε «κατάσταση διεμπλοκής» ανεξάρτητα από την απόσταση που υπάρχει μεταξύ τους: ακόμη και αν βρεθούν χιλιόμετρα μακριά (ή και στην άλλη άκρη του Σύμπαντος) το ένα από το άλλο, όταν το ένα δέχεται μια επίδραση το άλλο αντιδρά επίσης ακαριαία. Αυτό σημαίνει ότι οι μετρήσεις τους είναι συσχετισμένες και ότι μοιράζονται την ίδια κβαντική κατάσταση.
Η Γκαμπριέλα Μπαρέτο Λέμος από την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών στη Βιέννη και οι συνεργάτες της σκέφτηκαν να χρησιμοποιήσουν τον κβαντικό συσχετισμό μεταξύ φωτονίων για να δημιουργήσουν εικόνες όχι με τα φωτόνια που είχαν αλληλεπιδράσει με το αντικείμενο που θα φωτογράφιζαν αλλά με τα μακρινά τους «δίδυμα» που βρίσκονταν σε κατάσταση διεμπλοκής μαζί τους.
Όπως περιγράφουν στη μελέτη τους που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature»
http://www.nature.com/nature/journal/v512/n7515/full/nature13586.html
οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ως «μοντέλο» ένα στένσιλ που απεικόνιζε τη «Γάτα του Σρέντινγκερ» και δημιούργησαν διεμπλεκόμενα ζεύγη από κίτρινα και κόκκινα φωτόνια. Στη συνέχεια έστειλαν τα κίτρινα φωτόνια να ανακλαστούν στο στένσιλ, το οποίο ήταν φτιαγμένο από σιλικόνη διαπερατή από το ερυθρό φως, και τα κόκκινα στην κάμερα, η οποία μπορούσε να ανιχνεύσει μόνο το ερυθρό φως..Εξαιτίας του συσχετισμού τους τα κόκκινα φωτόνια που έφθασαν στην κάμερα και ποτέ δεν είχαν «αγγίξει» το στένσιλ σχημάτισα την εικόνα της γάτας.
Το επίτευγμα αποδεικνύει ότι είναι δυνατόν να απεικονίσουμε αντικείμενα τα οποία είναι αόρατα στο φως που μπορούμε να ανιχνεύσουμε – με άλλα λόγια ότι μπορούμε να απεικονίσουμε ένα αντικείμενο χρησιμοποιώντας φως διαφορετικού μήκους κύματος (χρώματος) από το φως το οποίο αλληλεπιδρά με το αντικείμενο.
Ένα ντοκιμαντέρ για την κβαντική σύμπλεξη.
Πρόκειται για ένα ντοκιμαντέρ που γυρίστηκε το 1985 (!) σχετικό με την κβαντική φυσική και την κβαντική σύμπλεξη. Ακούγονται μερικά από τα μεγαλύτερα μυαλά του 20ου αιώνα, όπως ο John Archibald Wheeler, John Stewart Bell, Alain Aspect και David Bohm. Το ντοκιμαντέρ αναφέρεται και στη διαφωνία μεταξύ Bohr και Einstein όσον αφορά την ισχύ της κβαντικής μηχανικής.
https://www.youtube.com/watch?v=wIubJ8IGcRA
Μαύρη μέρα για τον Άλμπερτ Αϊνστάιν.
Δυστυχώς κύριε Αϊνστάιν, το Σύμπαν είναι πιο αλλόκοτο από ό,τι μπορούσατε να φανταστείτε: πείραμα στην Ολλανδία δείχνει να επιβεβαιώνει οριστικά το φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής, στο οποίο και μόνο η πράξη της παρατήρησης ενός σωματιδίου επηρεάζει ένα άλλο σωματίδιο στην άλλη άκρη του Σύμπαντος, και μάλιστα ακαριαία.
Μελέτη που δημοσιεύεται στο κορυφαίο περιοδικό Nature
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature15759.html
αναφέρει πώς δύο ηλεκτρόνια που απείχαν 1,3 χιλιόμετρα σε διαφορετικά εργαστήρια του Πανεπιστημίου της Ντελφτ συμπεριφέρονταν σαν να ήταν συνεννοημένα από πριν.
Στον παράξενο κόσμο της κβαντομηχανικής, με την οποία ο Αϊνστάιν ουδέποτε κατάφερε να συμφιλιωθεί, προβλέπει ότι ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε διαφορετικές θέσεις ταυτόχρονα, και «κλειδώνει» τελικά σε μια συγκεκριμένη θέση μόνο αν κάποιος μπει στον κόπο να το παρατηρήσει.
Η κβαντική θεωρία προβλέπει επίσης ότι δύο ή περισσότερα σωματίδια μπορούν κάτω από ορισμένες συνθήκες να διεμπλακούν: αυτό σημαίνει ότι οποιαδήποτε μεταβολή στο ένα από τα συνδεδεμένα σωματίδια προκαλεί αντίστοιχες, ακαριαίες μεταβολές και στα υπόλοιπα συνδεδεμένα σωματίδια.
Όπως εξηγούσε σε ένα διαβόητο άρθρο του το 1935, ο Αϊνστάιν απέρριπτε την ιδέα της κβαντικής διεμπλοκής, για την οποία χρησιμοποιούσε τον αφοριστικό χαρακτηρισμό «στοιχειωμένη δράση από απόσταση» (spooky action at a distance). Περισσότερο τον ενοχλούσε η ιδέα της ακαριαίας αλληλεπίδρασης από μεγάλες αποστάσεις, μια ιδέα που έδειχνε να έρχεται σε αντίθεση με τη βεβαιότητα ότι τίποτα δεν ταξιδεύει ταχύτερα από το φως; Πώς θα ήταν δυνατόν ένα σωματίδιο να ενημερώνει ακαριαία το απομακρυσμένο αδελφάκι του ότι κάτι έχει αλλάξει;
Ο πατέρας της Σχετικότητας πίστευε ότι τα σωματίδια έχουν άγνωστες ιδιότητες, οι οποίες με κάποιο μας ξεγελούν ώστε να νομίζουμε ότι η αλληλεπίδραση είναι ακαριαία, ενώ στην πραγματικότητα είναι προαποφασισμένη.
Κι όμως, πολυάριθμα πειράματα τις τελευταίες δεκαετίες έχουν διαψεύσει τον Αϊνστάιν. Το πρόβλημα όμως ήταν ότι υπήρχαν δύο θεωρητικά «παραθυράκια», τα οποία καθιστούσαν αδύνατη την οριστική απόδειξη της κβαντικής εμπλοκής.
Το πρώτο παραθυράκι αφορά το γεγονός ότι μόνο ένα μέρος των σωματιδίων του πειράματος είναι δυνατό να ανιχνευθούν -οι ερευνητές πρέπει επομένως να αρκούνται στην υπόθεση ότι τα σωματίδια που ανίχνευσαν είναι ενδεικτικά του συνόλου, κάτι που δεν ισχύει απαραίτητα στον παράξενο κόσμο της κβαντομηχανικής.
Για να λύσουν το πρόβλημα, πολλές ερευνητικές ομάδες δεν χρησιμοποίησαν υποατομικά σωματίδια αλλά ολόκληρα άτομα, τα οποία είναι πιο εύκολο να ανιχνευθούν. Αυτό όμως ανοίγει ένα δεύτερο παραθυράκι, καθώς είναι δύσκολο να διατηρήσει κανείς τη διεμπλοκή ατόμων τα οποία απέχουν μεγάλες αποστάσεις. Αν όμως η απόσταση του πειράματος είναι μικρή, τότε το ένα σωματίδιο μπορεί θεωρητικά να ενημερώσει το άλλο χωρίς να παραβιαστεί η ταχύτητα του φωτός.
Η νέα μελέτη κλείνει τα δύο παραθυράκια και δείχνει να βάζει το τελευταίο καρφί στο φέρετρο του Αϊνστάιν. Ο Ρόναλντ Χάνσον και οι συνεργάτες του ακολούθησαν με μια ιδιοφυή προσέγγιση, στην οποία δύο ηλεκτρόνια συνδέθηκαν με δύο φωτόνια τα οποία στη συνέχεια συνδέθηκαν μεταξύ τους. Αυτό τελικά δημιούργησε διεμπλοκή ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόνια από σε απόσταση 1,3 χιλιομέτρων.
Για τεχνικούς λόγους, η μεθοδολογία αυτή αποκλείει τα δύο παραθυράκια και δείχνει να τερματίζει, πιθανώς τελεσίδικα, μια επιστημονική διαμάχη 80 ετών.
«Δεν θα μου προκαλούσε έκπληξη αν δούμε έναν από τους συγγραφείς αυτής της δημοσίευσης, μαζί με τους ερευνητές κάποιων παλαιότερων πειραμάτων, να κερδίζει το βραβείο Νόμπελ. Τόσο συναρπαστικό είναι» είχε σχολιάσει στο Nature ο Μάθιου Λέιφερ, φυσικός του διάσημου Perimeter Institute στον Καναδά. Οι δηλώσεις του είχαν γίνει τον Αύγουστο, μετά την υποβολή της μελέτης αλλά πριν από την τελική έγκρισή της από το Nature.
Τα νέα, όμως, δεν είναι κακά μόνο για τον Αϊνστάιν -λόγο να δυσαρεστούνται έχουν και οι χάκερ.
Όπως επισημαίνουν οι ερευνητές, τα ευρήματα έχουν σημασία για τη λεγόμενη κβαντική κρυπτογράφηση, η οποία βασίζεται στη διεμπλοκή φωτονίων. Τα δύο εν λόγω παραθυράκια θα μπορούσαν θεωρητικά να αξιοποιηθούν από χάκερ προκειμένου να παραβιάσουν την κρυπτογράφηση.
Οι τεχνικές που εφαρμόστηκαν στο τελευταίο πείραμα υπόσχονται τώρα να κλείσουν την πόρτα στους ωτακουστές.
Είναι μια κακή μέρα για τον Αϊνστάιν, μια κακή μέρα για τους κατασκόπους.
http://news.in.gr/science-technology/article/?aid=1500034451
Κβαντική σύμπλεξη, μια «θεμελιώδης» έννοια της φυσικής.
Στο ένθετο που ακολουθεί περιέχονται οι διαφάνειες από διάλεξη του Στέφανου Τραχανά με τίτλο «Κβαντική σύμπλεξη. Η νέα θεμελιώδης έννοια της φυσικής» .
Στο πρώτο μέρος δίνονται απαντήσεις στα ερωτήματα: Τι είναι η κβαντική σύμπλεξη, ποια είναι η σχέση της με την δράση από απόσταση και την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης, ενώ εξετάζεται επίσης και το πως θα ήταν καλύτερα να αποδίδεται ο όρος «quantum entanglement» στα ελληνικά.
Μπορείτε να κατεβάσετε τις διαφάνειες σε μορφή pdf πατώντας ΕΔΩ.
Όλα τα παραπάνω ήρθαν ξανά στην επικαιρότητα, εξαιτίας του άρθρου που δημοσιεύθηκε πριν από μερικές μέρες στο περιοδικό Νature, στο οποίο εξεταζόταν η ισχύς ή όχι μιας παραλλαγής της ανισότητας του Bell. [Η προδημοσίευση των Hensen et al είχε γίνει πριν από από δυο μήνες Experimental loophole-free violation of a Bell inequality using entangled electron spins separated by 1.3 km].
Σύμφωνα με τους Hensen et al, τα προηγούμενα πειράματα που χρησιμοποίησαν συν-πλεγμένα φωτόνια, όπως αυτό του Aspect, είχαν το μειονέκτημα να μην ανιχνεύουν όλα τα φωτόνια που παράγονταν και μερικές φορές χάνονταν μέχρι και το 80% από αυτά. Έτσι οι πειραματιστές υπέθεταν ότι οι ιδιότητες των φωτονίων που ανίχνευαν αντιπροσώπευαν ολόκληρο το σύνολο.
Για να αποφύγουν τέτοιου είδους υποθέσεις οι φυσικοί χρησιμοποιούν συχνά στα πειράματά τους άτομα αντί για φωτόνια, που είναι πιο εύκολο να παρακολουθηθούν. Όμως είναι δύσκολο να απομακρυνθούν σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς να καταστραφεί η σύμπλεξή τους. Αν όμως τα συμπλεγμένα άτομα βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους τότε θα μπορούσε κανείς να ισχυριστεί ότι επικοινωνούν μεταξύ τους χωρίς να παραβιάζουν το όριο της ταχύτητας του φωτός.
Οι ερευνητές Hensenl et al χρησιμοποίησαν μια διαφορετική τεχνική για να αποφύγουν το παραπάνω πρόβλημα. Άρχιζαν με δυο ηλεκτρόνια μη – συμπλεγμένα μεταξύ τους, που βρίσκονταν σε κρυστάλλους διαμαντιού, σε διαφορετικά εργαστήρια 1,3 χιλιόμετρα μακριά. Κάθε ηλεκτρόνιο βρίσκονταν σε σύμπλεξη με ένα φωτόνιο και στη συνέχεια τα δυο φωτόνια κατευθύνονταν σε μια τρίτη θέση όπου συμπλέκονταν μεταξύ τους.
Αυτό είχε ως αποτέλεσμα και τα ηλεκτρόνια – σύντροφοί τους να βρεθούν επίσης σε σύμπλεξη μεταξύ τους. Έτσι, κατάφεραν να δημιουργήσουν 245 ζεύγη ηλεκτρονίων σε σύμπλεξη μέσα σε εννιά ημέρες. Οι μετρήσεις τους έδειξαν για άλλη μια φορά ότι παραβιάζεται η ανισότητα Bell ή πιο απλά ότι «ο Θεός παίζει ζάρια με τον κόσμο».
Πρώτες ενδείξεις για παράξενη κβαντική ιδιότητα του κενού χώρου.
Έχουν περάσει 80 και πλέον χρόνια από τότε που το φαινόμενο προβλέφθηκε από γίγαντες της κβαντομηχανικής όπως ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ. Έπειτα από δεκαετίες αναζήτησης, διεθνής ομάδα αστρονόμων παρουσιάζει τώρα τις πρώτες ενδείξεις για το φαινόμενο της «κβαντικής διπλής διάθλασης» γύρω από ένα άστρο νετρονίων.
Το αμυδρό φως του άστρου, αναφέρουν οι ερευνητές στην επιθεώρηση Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, δείχνει να έχει αλλοιωθεί λόγω αλληλεπίδρασης με τα λεγόμενα «εικονικά σωματίδια» της κβαντικής φυσικής, τα οποία εμφανίζονται αυθόρμητα στο απόλυτο κενό και αμέσως μετά επιστρέφουν στην ανυπαρξία.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε το μεγάλο ευρωπαϊκό τηλεσκόπιο VLT στη Χιλή για να εξετάσει στο ορατό τμήμα του φάσματος ένα αμυδρό άστρο νετρονίων (κατάλοιπο ενός άστρου που εξερράγη σε σουπερνόβα), σε απόσταση 400 ετών φωτός από τη Γη.
Το φως είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται στον χώρο. Σε κανονικές συνθήκες, τα κύματα αυτά ταλαντώνονται σε πολλά επίπεδα (ας πούμε κατακόρυφα και οριζόντια). Το φως όμως μπορεί σε πολλές περιπτώσεις να είναι «πολωμένο», κάτι που σημαίνει ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταλαντώνονται σε ένα μόνο επίπεδο (ας πούμε μόνο οριζόντια).
Το φως που ανακλάται στην επιφάνεια μιας λιμνούλας, για παράδειγμα, φτάνει στο μάτι πολωμένο.
Αυτό που αποκάλυψαν οι παρατηρήσεις είναι ότι το ορατό φως του άστρου νετρονίων φτάνει στη Γη πολωμένο κατά 16,4%.
Υπάρχουν βέβαια διάφοροι «πεζοί» παράγοντες που θα μπορούσαν να πολώνουν την ακτινοβολία, όπως για παράδειγμα η παρουσία σκόνης, ωστόσο οι ερευνητές εκτιμούν ότι η πιθανότερη εξήγηση είναι η κβαντική διάθλαση.
Πηγή της ανωμαλίας δεν μπορεί παρά να είναι το μαγνητικό πεδίο του άστρου νετρονίων, δισεκατομμύρια ή τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου.
Όπως προβλέφθηκε τη δεκαετία του 1930 βάσει των αρχών της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, η οποία περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις των φωτονίων με φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, τα μαγνητικά πεδία αυτής της ισχύος μπορούν να επηρεάσουν της ιδιότητες του ίδιου του χώρου.
Στην κβαντική μηχανική, ο κενός χώρος μόνο κενός δεν είναι: ακόμα και στην ερημιά του διαστρικού χώρου, εικονικά σωματίδια εμφανίζονται συνέχεια από το πουθενά ανά ζεύγη, αλληλοεξουδετερώνονται και εξαφανίζονται εκεί από όπου ήρθαν.
Όπως προέβλεψε ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ και ο συνεργάτης του Χανς Χάινριχ Όιλερ, τα εικονικά αυτά σωματίδια μπορούν να ταξιδεύουν πιο εύκολα κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου παρά κάθετα σε αυτές. Ως αποτέλεσμα, το φως που έχει πολωθεί παράλληλα με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου επιβραδύνεται σε σχέση με το φως που έχει πολωθεί κάθετα στις γραμμές.
Λόγω αυτής της επιλεκτικής αλληλεπίδρασης, το φως ουσιαστικά χωρίζεται σε δύο δέσμες με διαφορετική πόλωση.
«Σύμφωνα με τις αρχές της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, ένα ισχυρά μαγνητισμένο κενό συμπεριφέρεται σαν πρίσμα για τη διάδοση του φωτός, ένα φαινόμενο γνωστό ως κβαντική διπλή διάθλαση (vacuum birefringence)» εξηγεί ο Ρομπέρτο Μινιάνι του INAF Μιλάνου, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης.
«Η ισχυρή γραμμική πόλωση που μετρήσαμε δεν μπορεί να εξηγηθεί εύκολα από τα μοντέλα μας παρά μόνο αν ληφθούν υπόψη τα φαινόμενα διπλής διάθλασης που προβλέπει η κβαντική ηλεκτροδυναμική» συνεχίζει.
Ωστόσο η ερευνητική ομάδα παρουσιάζει τα ευρήματα ως απλή ένδειξη, και όχι ως απόδειξη, του παράξενου κβαντικού φαινομένου.
Η επιβεβαίωση θα μπορούσε να έρθει τα επόμενα χρόνια από διαστημικά τηλεσκόπια ακτίνων Χ, στο φάσμα όπου η ακτινοβολία του άστρου νετρονίων είναι πιο ισχυρή.
Στην περίπτωση των ακτίνων Χ, η πόλωση του φωτός που φτάνει στη Γη θα έφτανε το 100%, λένε οι ερευνητές.
Μια τέτοια παρατήρηση όχι μόνο θα επιβεβαίωνε το φαινόμενο, αλλά θα προσέφερε παράλληλα μια νέα μέθοδο για τη μελέτη του ίδιου του άστρου νετρονίων.
Για τους αστρονόμους και τους κβαντικούς φυσικούς, θα ήταν δυο τρυγόνια με ένα σμπάρο.
Αστρικό φως επιβεβαιώνει πως «ο Θεός παίζει ζάρια»
Ακόμη ισχυρότερη επιβεβαίωση ενός φαινομένου που αποτελεί θεμελιώδη απόρροια της κβαντικής φυσικής, πέτυχε μία διεθνής ομάδα επιστημόνων, χρησιμοποιώντας φως από αστέρες που βρίσκονται 600 έτη φωτός μακριά από τον πλανήτη μας.
Το φαινόμενο αφορά τη «μυστηριώδη δράση από απόσταση» και προτάθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, στην προσπάθειά του να δείξει πως η κβαντική φυσική δεν αποτελεί μία πλήρη περιγραφή της πραγματικότητας.
Ο διάσημος φυσικός δεν αποδεχόταν ότι η αβεβαιότητα είναι μία εγγενής ιδιότητα της φύσης, όπως πρεσβεύει η κβαντική, λέγοντας χαρακτηριστικά «πως ο Θεός δεν παίζει ζάρια με τον κόσμο».
Η «μυστηριώδης δράση από απόσταση» ονομάστηκε στην πορεία κβαντική διεμπλοκή ή κβαντικός συσχετισμός (quantum entanglement). Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, δύο υποατομικά σωματίδια που «συσχετίζονται» μπορούν να αλληλεπιδρούν από απόσταση, ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλη είναι αυτή. Έτσι, για παράδειγμα, μετρώντας κάποια ιδιότητα του ενός σωματιδίου, θα μεταβληθεί ανάλογα η αντίστοιχη ιδιότητα και του δεύτερου.
Μέχρι σήμερα, η κβαντική διεμπλοκή έχει παρατηρηθεί αρκετές φορές, δείχνοντας επομένως ότι μπορεί κάλλιστα «ο Θεός να παίζει ζάρια» Ωστόσο, οι μετρήσεις που πρόεκυψαν από αυτές τις παρατηρήσεις θα ήταν δυνατόν να εξηγηθούν επίσης στο πλαίσιο μίας εναλλακτικής θεωρίας, που αν ίσχυε η φύση θα «έσωζε» την ντετερμινιστικότητα.
Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, οι μετρήσεις των επιστημόνων ενδεχομένως επηρεάζονται από κρυμμένες μεταβλητές – δηλαδή από άγνωστες μεταβλητές που κάνουν τα δύο σωματίδια να μοιάζουν «συσχετισμένα», παρόλο που δεν είναι.
Μία πιθανότητα που μπορεί να εξετασθεί από το «τεστ του Μπελ», ένα πρωτόκολλο που επινόησε ο φυσικός Τζον Μπελ τη δεκαετία του 1960, για να ελεγχθεί κατά πόσο υπάρχουν ή όχι τέτοιες κρυμμένες μεταβλητές.
Τις προηγούμενες τέσσερις δεκαετίες, αρκετοί ερευνητές έχουν εξετάσει διάφορες εκδοχές του «τεστ του Μπελ», για να αποκλείσουν διάφορα πιθανά σενάρια εξήγησης της παρατηρούμενης συμπεριφοράς των σωματιδίων, χωρίς τη χρήση της κβαντικής φυσικής.
Τώρα, η διεθνής ομάδα επιστημόνων μείωσε την πιθανότητα να ισχύει ένα ακόμη τέτοιο σενάριο, προσδίδοντας έτσι ακόμη μεγαλύτερη ισχύ στην κβαντομηχανική.
«Πρόκειται για ένα πολύ όμορφο πείραμα», λέει στο περιοδικό Nature ο Κρίστερ Σαλμ, ειδικός στην κβαντική φυσική από το αμερικανικό Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST).
Παρόλο που ελάχιστοι φυσικοί εκτιμούν πως υπάρχει πιθανότητα να καταρριφθεί η κβαντική διεμπλοκή, «τέτοια πειράματα κάνουν τις όποιες εναλλακτικές θεωρίες να μοιάζουν ολοένα πιο παράλογες».
Σύμφωνα με το σενάριο που εξετάστηκε, η κβαντική διεμπλοκή μπορεί να είναι μία ψευδαίσθηση από κάποια άγνωστη ιδιότητα του σύμπαντος, η οποία περιορίζει τις επιλογές που έχουν οι επιστήμονες αναφορικά με τις ιδιότητες που ελέγχουν στα σωματίδια. Επομένως, μήπως οι ερευνητές που μετρούν τις ιδιότητες των σωματιδίων διαθέτουν περιορισμένες δυνατότητες επιλογών;
Ένας τρόπος να αποκλειστεί αυτό το ενδεχόμενο είναι οι ιδιότητες να επιλεγούν με βάση ένα μη προβλέψιμο φαινόμενο, και μάλιστα λίγα δευτερόλεπτα πριν τα «συσχετισμένα» σωματίδια φτάσουν στους ανιχνευτές.
Επίσης, αν αυτό το μη προβλέψιμο φαινόμενο ανάγεται πολύ πίσω στον χρόνο, τότε θα έπρεπε να έχει τεθεί από τότε σε λειτουργία αυτός ο κρυμμένος μηχανισμός που προκαλεί την ψευδαίσθηση της κβαντικής διεμπλοκής.
Αυτό ακριβώς έκανε η ερευνητική ομάδα, παράγοντας κατʼ αρχάς ζεύγη «συσχετισμένων» φωτονίων στην οροφή του πανεπιστημίου της Βιέννης, τα οποία κινούνταν προς αντίθετες κατευθύνσεις και έφταναν σε δύο ανιχνευτές, εγκατεστημένους μερικά οικοδομικά τετράγωνα μακριά.
Παράλληλα, για να διασφαλίσουν πως η επιλογή της ιδιότητας που μετρούν είναι πραγματικά τυχαία, χρησιμοποίησαν ως «οδηγό» το φως από αστέρες που βρίσκονται 600 έτη φωτός μακριά από τον πλανήτη μας.
Τα αποτελέσματά τους επαλήθευσαν το «τεστ του Μπελ», επιβεβαιώνοντας την κβαντική διεμπλοκή και κάνοντας ακόμη πιο εξωπραγματική την εναλλακτική εξήγηση. Κι αυτό γιατί ο κρυμμένος μηχανισμός θα έπρεπε να έχει ενεργοποιηθεί πριν από 600 χρόνια, όταν δηλαδή δημιουργήθηκε το αστρικό φως που χρησιμοποίησαν ως οδηγό.
Μάλιστα, στα σχέδιά τους είναι να επαναλάβουν το πείραμα με ακόμη μακρινότερες αστρικές πηγές, που να απέχουν από τον πλανήτη μας δισεκατομμύρια έτη.
Ένα τραγούδι για τον γάτο του Schrödinger
Το πρώτο τραγούδι για τον γάτο του Schrödinger – αλλά και για την κβαντική σύμπλεξη, τους εγκεφάλους Boltzmann και το πολυσύμπαν. Μια συνεργασία της φυσικού Sabine Hossenfelder
http://fias.uni-frankfurt.de/~hossi
με τον Απόστολο Βασιλειάδη (επίσης φυσικός) και τον Timo Alho. Στο βίντεο έχουν ενσωματωθεί οι στίχοι – ενεργοποιήστε τους υπότιτλους:
ΖΗΝΩΝ ΠΑΠΑΖΑΧΟΣ
"Μια γάτα κλειδώνεται σε ένα ατσάλινο θάλαμο, μαζί με την εξής διάταξη (η οποία βρίσκεται με ασφάλεια εκτός εμβέλειας της γάτας): σε έναν μετρητή γκάιγκερ υπάρχει μια ελάχιστη ποσότητα ραδιενεργής ουσίας, τόσο μικρής, που κατά τη διάρκεια μιας ώρας ένα από τα άτομα διασπάται, αλλά επίσης ισοπίθανα, ίσως και όχι. Αν συμβεί αυτό ο μετρητής ενεργοποιείται και μέσω ενός διακόπτη (ρελέ) απελευθερώνει ένα σφυρί που σπάει μια μικρή φιάλη με υδροκυάνιο. Αν κάποιος αφήσει αυτό το σύστημα μόνο του για μια ώρα, μπορεί να υποθέσει ότι η γάτα είναι ακόμα ζωντανή, εάν στο μεταξύ δεν έχει διασπαστεί κάποιο άτομο. Η κυματοσυνάρτηση του συστήματος μπορεί να το εκφράσει, αν υπάρχει σε αυτή και η ζωντανή και η νεκρή γάτα (συγχωρήστε μου την έκφραση) αναμεμιγμένες ή διάχυτες εξίσου".
Η γάτα του Σρέντινγκερ: Μια γάτα, μια φιάλη με δηλητήριο και μια ραδιενεργη πηγή τοποθετούνται σε σφραγισμένο κουτί. Αν ο εσωτερικός ελεγκτής ανιχνεύσει ραδιενέργεια (π.χ. μια διάσπαση ατόμου), η φιάλη θρυμματίζεται, ελευθερώνοντας το δηλητήριο που σκοτώνει τη γάτα. Η θεώρηση της Κοπεγχάγης για τη κβαντομηχανική υπονοεί ότι μετά από λίγο, η γάτα είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή. Όμως, όταν κάποιος κοιτάει στο κουτί, την βλέπει είτε ζωντανή είτε νεκρή, αλλά ποτέ και ζωντανή και νεκρή. Αυτό εγείρει το ερώτημα, πότε μια κβαντική υπέρθεση σταματάει και η πραγματικότητα καταρρέει στη μια πιθανότητα ή στην άλλη.
Κλασικά τέτοιες περιπτώσεις απροσδιοριστίας αρχικά περιορισμένες στο ατομικό επίπεδο, μετασχηματίζονται σε μακροσκοπικές απροσδιοριστίες, οι οποίες μπορούν να επιλυθούν με απευθείας παρατήρηση. Αυτό μας εμποδίζει από το να δεχτούμε έτσι αφελώς ένα "θολό μοντέλο" που αναπαριστά την πραγματικότητα. Από μόνο του δεν συμπεριλαμβάνει τίποτα ασαφές ή αντιφατικό. Υπάρχει διαφορά μεταξύ μιας κουνημένης και "out-of-focus" φωτογραφίας και μεταξύ ενός στιγμιότυπου σύννεφων και ομίχλης.
— Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (The present situation in quantum mechanics), Naturwissenschaften
(translated by John D. Trimmer in Proceedings of the American Philosophical Society)
Είσαι ο μοναδικός σύγχρονος φυσικός, πέραν του Λάουε, ο οποίος μπορεί να δει ότι κάποιος δε μπορεί απλά να προσπεράσει την υπόθεση της πραγματικότητας, αν θέλει είναι ειλικρινής. Οι περισσότεροι δε βλέπουν το επικίνδυνο παιχνίδι που παίζουν με την πραγματικότητα-πραγματικότητα ως κάτι ανεξάρτητο από αυτό που είναι πειραματικά καθιερωμένο. Η ερμηνεία τους, ωστόσο, αντικρούεται τόσο κομψά από το δικό σου σύστημα του ραδιενεργού ατόμου + ενισχυτή + πυρίτιδα + γάτα στο κουτί, στο οποίο η κυματοσυνάρτηση του συστήματος περιέχει και την ζωντανή γάτα και την κομματιασμένη. Κανένας δε μπορεί να αμφιβάλει ότι η παρουσία ή απουσία της γάτας, είναι κάτι ανεξάρτητο της πράξης του παρατηρητή.
Αίσθηση προκαλεί το γεγονός ότι η πυρίτιδα δεν αναφέρεται στον μηχανισμό του Σρέντινγκερ, ο οποίος χρησιμοποιεί μετρητή Γκάιγκερ ως ενισχυτή και υδροκυάνιο ως πυρίτιδα. Η πυρίτιδα αναφέρθηκε στην αρχική υπόθεση του Σρέντινγκερ 15 χρόνια νωρίτερα και προφανώς ο Αϊνστάιν το συνέχισε στην τωρινή συζήτηση. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο Αϊνστάιν όχι μόνο ποτέ δεν συμπάθησε την κβαντική μηχανική αλλά βάσει των πειραματικών αποδείξεων του θεωρήματος του Μπελ (John Stewart Bell) η άποψη του Αϊνστάιν περί κβαντικής σύμπλεξης αποδείχθηκε θεμελιωδώς λάθος.
Αντίλογος
"Πράγματι, η θέση και η ταχύτητα ενός ηλεκτρονίου δεν είναι δυνατό να καθοριστούν την ίδια χρονική στιγμή, αλλά κάτι τέτοιο σημαίνει απλώς ότι αυτές δεν είναι οι κατάλληλες ποσότητες που πρέπει να χρησιμοποιούμε για την περιγραφή του. Αυτό που χαρακτηρίζει το ηλεκτρόνιο ή οποιοδήποτε σύνολο σωματιδίων κάθε χρονική στιγμή είναι μια κυματοσυνάρτηση. Αν υπάρχει ένας άνθρωπος που παρατηρεί τα σωματίδια, τότε η κατάσταση ολόκληρου του συστήματος, συμπεριλαμβανομένου του παρατηρητή, περιγράφεται από μια ενιαία κυματοσυνάρτηση."Steven Weinberg, Όνειρα για μια Τελική Θεωρία, 1995 - κάτοπτρο (Dreams of a Final Theory, 1992 - Pantheon Books)
Το κβαντομηχανικό παράδοξο της "γάτας του Schrödinger" σύμφωνα με την πολυπραγματική ερμηνεία του Hugh Everett. Σύμφωνα με αυτήν την θεωρητική ερμηνεία, κάθε γεγονός αποτελεί κόμβο-βρόχο διακλάδωσης· η γάτα είναι συνάμα ζωντανή και νεκρή, πριν καν ανοιχθεί το κουτί, αλλά η μεν «ζωντανή» και η δε «νεκρή» γάτα βρίσκονται σε διαφορετικά αλλά εξίσου πραγματικά σύμπαντα, που όμως δεν επικοινωνούν μεταξύ τους. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην πραγματικότητα η γάτα δεν έχει συγχρονισμένες ή ελεγχόμενες κβαντικές ιδιότητες όπως ομογενώς συντονισμένη ατομική ταλάντωση, ούτε το κουτί της είναι μαγνητικά μονωμένο απ' τον γύρω κόσμο άρα το παράδειγμα δεν ισχύει υπό αυτές τις συνθήκες διότι βασίζεται στον εσφαλμένο διαχωρισμό παρατηρητή και πειράματος (σφάλμα του Niels Bohr και της κβαντομηχανικής ερμηνείας της Κοπεγχάγης - βλ. κατάρριψή του απ' τον Steven Weinberg).
Το πείραμα διαφορετικών εναλλακτικών σε σχέση με τον παρατηρητή ίσως ισχύει (δεν συμφωνούν οι περισσότεροι ότι το κουτί αλλάζει κάτι) για άτομα ή μακροσκοπικά αντικείμενα συντονισμένης ατομικής ταλάντωσης ή όταν υπάρχει απόλυτη μονώση-θωράκιση από τον γύρω χώρο όμως η σύγχρονη θεώρηση δεν διαχωρίζει τον παρατηρητή από το πείραμα ανά "επισύμπαν", άρα η χρήση κουτιού είναι εσφαλμένη και περιττή, χωρίς αυτό να αποκλείει την πολυπραγματικότητα. Άλλη εσφαλμένη θεώρηση στην οποία βασίζεται το "νοητικό πείραμα της γάτας του Schrödinger" είναι η ασαφής-αόριστη χρήση του όρου παρατήρηση αντί των όρων αλληλεπίδραση/κρούση σωματιδίου σε σωματίδιο κι άρα μεταβολή των κυματοσυναρτήσεών τους. Στην αοριστολογία αυτή βασίζονται εσφαλμένες και μεταφυσικές ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής, μαθηματικά όμως δεν προκύπτει κάτι παράδοξο, μεταφυσικό ή ανθρωποκεντρικό.
Για πρώτη φορά ορατή με γυμνό μάτι η κβαντική διεμπλοκή.
Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης έχουν επινοήσει ένα νέο είδος κβαντικού πειράματος χρησιμοποιώντας ανθρώπους ως ανιχνευτές φωτονίων, και με τον τρόπο αυτό έχουν κάνει για πρώτη φορά. το κβαντικό φαινόμενο της διεμπλοκής ορατό με γυμνό μάτι.
Για εκείνους που χρειάζονται μια εξήγηση, η διεμπλοκή είναι εκείνο το παράξενο κβαντικό φαινόμενο που συνδέει δύο σωματίδια σε απόσταση, ώστε κάθε τυχόν μέτρηση που διεξάγεται στο ένα σωματίδιο, αμέσως αλλάζει την ιδιότητα του άλλου – ακόμη και αν χωρίζονται από ολόκληρο το σύμπαν.
Ο Αϊνστάιν το χαρακτήρισε «στοιχειωμένη δράση από απόσταση». Και πράγματι είναι από τα πιο περίεργα φαινόμενα που είδαμε ποτέ.
Ο Nicolas Gisin στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης διαπίστωσε ότι Ιταλοί φυσικοί είχαν κάνει στο παρελθόν ένα ενδιαφέρον πράγμα με πεπλεγμένα φωτόνια. Αντί της διεμπλοκής όπως κάνουν οι πειραματιστές συνήθως, η ιταλική ομάδα είχε κάνει διεμπλοκή σε ένα ζευγάρι φωτονίων και στη συνέχεια ενίσχυσε σε ένα από αυτά, για να δημιουργήσει ένα χείμαρρο φωτονίων που περιείχε αμέτρητα φωτόνια, που όλα συνδέονταν με το άλλο μεμονωμένο φωτόνιο από το αρχικό ζεύγος. Δηλαδή, υπήρχε ένα μεμονωμένο «μικροσκοπικό» φωτόνιο, και ένας χείμαρρος από «μακροσκοπικά» φωτόνια, όλα συνδεδεμένα σε κβαντικό επίπεδο.
Ο Gisin συνειδητοποίησε ότι, ενώ με γυμνό μάτι δεν μπορεί να δει κανείς ένα φωτόνιο, μπορεί σίγουρα να δει χιλιάδες φωτόνια. Έτσι χρησιμοποίησε μια διάταξη παρόμοια με τους Ιταλούς, αλλά αντί να βάλει ένα ανιχνευτή φωτονίων μπροστά από τον χείμαρρο των φωτονίων έβαλε τον εαυτό του και τους συνάδελφους του. Η δέσμη των φωτονίων που παράγονται από τον ενισχυτή θα εμφανιζόταν σε μία από τις δύο θέσεις στον σκοτεινό χώρο τους, ανάλογα με την κατάσταση πόλωσης που έδιναν στο μικροσκοπικά μοναδικό φωτόνιο τους. Κι έτσι, το ανθρώπινο μάτι αντικατέστησε τους ανιχνευτές φωτονίων για πρώτη φορά.
Μπορεί η ιστορία να μοιάζει ως εξής: κάποιοι επιστήμονες κάθονται σε ένα σκοτεινό δωμάτιο κοιτάζοντας να αναβοσβήνουν τα φώτα, αλλά στην ουσία αποτελεί την πρώτη κβαντική διεμπλοκή που έχει παρατηρηθεί άμεσα με γυμνό μάτι.
Η ελβετική ομάδα δηλαδή σύνδεσε ένα μικρο-φαινόμενο (την κβαντική διεμπλοκή) με ένα μακρο-φαινόμενο, την ανίχνευση του από ένα "ανθρώπινο ανιχνευτή".
H κβαντική σύμπλεξη αποτελεί ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα της κβαντομηχανικής, επιτρέποντας σε δύο σωματίδια να συν-πλέκονται μεταξύ τους ακόμα και αν βρίσκονται εκατομμύρια έτη φωτός μακριά.
Η μέτρηση ενός σωματιδίου αλλάζει ταυτόχρονα την κατάσταση του κβαντικά συζευγμένου ζεύγους του, ανεξάρτητα από την απόσταση.
Τώρα, Ισραηλινοί ερευνητές έδειξαν πως δύο φωτόνια μπορούν βρίσκονται σε κβαντική σύμπλεξη ακόμα και αν δεν υφίστανται την ίδια χρονική στιγμή.
Η χρονικά ανεξάρτητη κβαντική σύμπλεξη προβλέπεται από την κβαντική θεωρία, αλλά δεν είχε πραγματοποιηθεί με επιτυχία, μέχρι να το προσπαθήσουν οι Ίλαϊ Μεγκιντίς (Eli Megidish) και Χαγκάι Άιζενμπεργκ (Hagai Eisenberg) του Εβραϊκού Πανεπιστημίου της Ιερουσαλήμ.
http://www.phys.huji.ac.il
Οι ερευνητές ξεκίνησαν χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό που ονομάζεται εναλλαγή κβαντικής σύμπλεξης. Εκθέτοντας έναν ειδικό κρύσταλλο σε ακτινοβολία λέιζερ, δημιούργησαν δύο ζευγάρια “πεπλεγμένων” φωτονίων. Στην αρχή, τα φωτόνια 1 και 4 δεν βρίσκονται σε κατάσταση σύμπλεξης, αλλά μπορούν να βρεθούν εάν οι επιστήμονες πραγματοποιήσουν την κατάλληλη μέτρηση στα φωτόνια 2 και 3.
Για να επιτύχουν την ανεξαρτησία από το χρόνο, οι Μεγκιντίς και Άιζενμπεργκ δημιούργησαν πρώτα το ζευγάρι με τα φωτόνια 1 και 2, και μέτρησαν κατευθείαν την πόλωση του φωτονίου 1, πριν δημιουργήσουν το ζευγάρι με τα φωτόνια 3 και 4. Στη συνέχεια πραγματοποίησαν τη μέτρηση στα φωτόνια 2 και 3, και τελικά μέτρησαν την πόλωση του φωτονίου 4. Παρ’όλο που τα φωτόνια 1 και 4 δε συνυπήρξαν ποτέ, οι μετρήσεις έδειξαν ότι οι πολώσεις τους κατέληξαν να συμπλέκονται κβαντικά.
Σύμφωνα με τον Άιζενμπεργκ, το πείραμα δείχνει ότι δεν είναι απολύτως λογικό να σκεφτόμαστε την εμπλοκή ως μία απτή φυσική ιδιότητα.
«Δεν υπάρχει καμία χρονική στιγμή κατά την οποία τα δύο φωτόνια συνυπάρχουν», δήλωσε. «Συνεπώς δεν μπορούμε να πούμε ότι το σύστημα είναι πεπλεγμένο σε εκείνη ή την άλλη χρονική στιγμή», πρόσθεσε.
Ωστόσο, το φαινόμενο υπάρχει σίγουρα και το πείραμα αποδεικνύει πόσο διαφορετικές είναι οι έννοιες της κβαντικής μηχανικής. Τα κβαντικά γεγονότα είναι έξω από τις καθημερινές μας έννοιες του χώρου και του χρόνου και για αυτό εμφανίζουν διαφορετικές αντικειμενικές δυσκολίες στην πειραματική τους προσέγγιση και κατανόηση.
Οι επιστήμονες ελπίζουν πως το πείραμά τους θα βοηθήσει στη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών και δικτύων, στα οποία θα χρησιμοποιείται η κβαντική σύμπλεξη ως πρωτόκολλο για τη δημιουργία κβαντικών συνδέσεων μεταξύ απομακρυσμένων χρηστών, για την ασφαλή και ιδιαίτερα γρήγορη μεταφορά κωδικοποιημένων πληροφοριών.
Σκουληκότρυπες και κβαντική σύμπλεξη.
H κβαντική σύμπλεξη είναι ένα από τα πιο περίεργα φαινόμενα που μελετά η κβαντική μηχανική – τόσο παράξενο που ανάγκασε τον Einstein να αναφέρεται σ’ αυτό ως η «στοιχειωμένη δράση από απόσταση».
Όταν δύο σωματίδια βρίσκονται σε κβαντική σύμπλεξη, συν-πλέκονται μεταξύ τους ακόμα και αν βρίσκονται εκατομμύρια έτη φωτός μακριά.
Η μέτρηση ενός σωματιδίου αλλάζει ταυτόχρονα την κατάσταση του κβαντικά συζευγμένου ζεύγους του, ανεξάρτητα από την απόσταση.
Ας υποθέσουμε ότι ένα σωματίδιο με σπιν μηδέν διασπάται σε δυο σωματίδια.
Τότε το σύστημα των νέων δυο σωματιδίων υποχρεωτικά θα έχει συνολικό σπιν μηδέν και εξαιτίας των νόμων διατήρησης θα πρέπει συνεχώς να είναι μηδέν.
Συνεπώς αν το ένα σωματίδιο έχει σπιν «πάνω» ως προς μια τυχούσα κατεύθυνση, τότε υποχρεωτικά το σπιν του δεύτερου σωματιδίου θα πρέπει να είναι «κάτω», ας το έχουμε μεταφέρει έτη φωτός μακριά από το ταίρι του.
Για την κβαντομηχανική το σπιν του κάθε σωματιδίου είναι απροσδιόριστο.
Όμως όταν το σπιν του ενός σωματιδίου σε μια τυχούσα κατεύθυνση μετρηθεί και βρεθεί να έχει την μία από τις δυνατές τιμές του, τότε το σπιν του άλλου σωματιδίου – που ενδεχομένως βρίσκεται έτη φωτός μακριά – θα «αποκτήσει» ακαριαία την αντίθετη κατεύθυνση κατά μήκος του ίδιου άξονα. Και αυτός είναι ο λόγος που ο Einstein μιλούσε για «στοιχειωμένη δράση από απόσταση».
Αλλά τι είναι αυτό που επιτρέπει τα σωματίδια να «επικοινωνούν» ακαριαία σε τόσο μεγάλες αποστάσεις;
Πριν από κάποιους μήνες οι Juan Maldacena και Leonard Susskind στην εργασία τους με τίτλο «Cool horizons for entangled black holes» εξέταζαν τις λύσεις, που προκύπτουν από την γενική σχετικότητα, στις οποίες δυο απομακρυσμένες μαύρες τρύπες συνδέονται διαμέσου μιας σκουληκότρυπας ή γέφυρας Einstein-Rosen.
Τώρα έρχονται ο Julian Sonner από το ΜΙΤ, και ανεξάρτητα οι Kristan Jensen και Andreas Karch [Holographic Dual of an Einstein-Podolsky-Rosen Pair has a Wormhole], oι οποίοι μέσα από το πρίσμα της θεωρίας χορδών εξετάζουν μια παρόμοια ιδέα, τον σχηματισμό σκουληκότρυπας μεταξύ δυο κουαρκ που βρίσκονται σε κβαντική σύμπλεξη.
Δυο κουάρκ (τα στοιχειώδη σωματίδια από τα οποία συνίστανται τα πρωτόνια και τα νετρόνια), μπορούν να αναδυθούν από το κενό σύμφωνα με το φαινόμενο Schwinger. Το φαινόμενο αυτό που αποκαλείται επίσης και «δημιουργία ζεύγους» , περιγράφει την δημιουργία δυο σωματιδίων από το τίποτα ή ενός συνόλου φευγαλέων σωματιδίων.
Σύμφωνα με τον Sonner, χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί κανείς να «συλλάβει ένα ζεύγος» τέτοιων σωματιδίων πριν εξαφανιστούν πίσω στο κενό.
Άπαξ και διατηρηθούν, αυτά τα σωματίδια θεωρούνται συν-πλεγμένα. Χρησιμοποιώντας τις πολλές διαστάσεις και τις έννοιες, όπως η ολογραφική δυαδικότητα, που εμφανίζονται στην θεωρία των χορδών, φαίνεται ότι τα κουάρκ που βρίσκονται σε σύμπλεξη συνδέονται διαμέσου μιας σκουληκότρυπας.
Βάσει αυτής της θεώρησης η βαρύτητα αναδύεται από την κβαντική σύμπλεξη. Η γεωμετρία που περιγράφει την συγκεκριμένη κατάσταση, αντιμετωπίζει με έναν τελείως διαφορετικό τρόπο τη βαρύτητα και θα μπορούσε ίσως να οδηγήσει σε μια νέα θεωρία ενοποίησης, αλλά σύμφωνα με τον Sonner υπάρχει πολύς δρόμος ακόμα να διανυθεί (ως συνήθως)….
Το απόλυτο παγκόσμιο ρολόι και η κβαντική σύμπλεξη.
Ένα δίκτυο ατομικών ρολογιών εξαιρετικής ακρίβειας, που συνδέονται μεταξύ τους με το εκπληκτικό φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης, θα μπορούσαν να δημιουργήσουν το απόλυτο παγκόσμιο ρολόι.
Ένα τέτοιο επίτευγμα θα επέτρεπε όλες τις χώρες να συμφωνήσουν σε μια ακριβή μέτρηση του χρόνου, δημιουργώντας παράλληλα έναν τεράστιο κβαντικό αισθητήρα που επιπλέον θα βοηθούσε στην διερεύνηση κοσμικών μυστηρίων.
Τα ατομικά ρολόγια μετρούν την μικροκυματική ή οπτική συχνότητα που απαιτείται ώστε τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου να μεταβαίνουν από ένα ενεργειακό επίπεδο σε ένα άλλο. Το πρότυπο ατομικό ρολόι χρησιμοποιεί άτομα καισίου, που εκπέμπουν μικροκύματα μήκους κύματος περίπου 3,26 cm και συχνότητας 9 192 631 770 Hz (ακριβώς!).
Το Διεθνές Σύστημα Μονάδων ορίζει ως μονάδα μέτρησης του χρόνου, το δευτερόλεπτο ως εξής: ένα δευτερόλεπτο είναι η διάρκεια 9 192 631 770 περιόδων της ακτινοβολίας που αντιστοιχούν στην μετάβαση μεταξύ των δυο υπερ-λεπτων ενεργειακών σταθμών της θεμελιώδους κατάστασης του ατόμου του Καισίου 133.
Ένα τέτοιο ρολόι είναι εξαιρετικής ακρίβειας και μπορεί να χάνει ή να προπορεύεται κατά 1 δευτερόλεπτο κάθε 300 εκατομμύρια χρόνια!
Μπορεί στην καθημερινή μας ζωή ένα δευτερόλεπτο πίσω ή μπροστά να μην έχει μεγάλη σημασία, όμως δεν ισχύει το ίδιο στην σύγχρονη οικονομία και σε διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού (GPS), που για τον προσδιορισμό της ακριβούς θέσης απαιτείται η ακριβής γνώση του χρόνου που χρειάζεται για να φτάσουν στη συγκεκριμένη θέση τα σήματα των δορυφόρων GPS.
Εκείνο που έχει σημασία στη διεθνή χρονομέτρηση δεν είναι το ένα και μοναδικό εξαιρετικά ακριβές ρολόι, αλλά ένα παγκόσμιο δίκτυο ρολογιών. Ο ονομαζόμενος Παγκόσμιος Συντονισμένος Χρόνος (Coordinated Universal Time – UTC), βάσει του οποίου ρυθμίζονται όλα τα ρολόγια των κρατών στον κόσμο, εξαρτάται όχι μόνο από την ακρίβεια της μέτρησης του χρόνου, αλλά και από την ακρίβεια σύγκρισης των χρόνων που δίνουν τα κέντρα μέτρησης του χρόνου σε όλο τον κόσμο.
Αν κοιτάξεις ένα ρολόι δεν ξέρεις αν πηγαίνει καλά ή όχι. Αν έχεις δύο ρολόγια και δεν συμφωνούν και πάλι δεν ξέρεις ποιο είναι σωστό. Με τρία ρολόγια μπορείς να απορρίψεις το ένα που απέχει περισσότερο από τα άλλα δύο και να υπολογίσεις τον χρόνο με βάση κάποιον αλγόριθμο που θα λαμβάνει υπόψη την ακρίβεια και την σταθερότητα των δύο «σωστών» ρολογιών.
Διάφορα ερευνητικά κέντρα έχουν το δικό τους ρολόι καισίου και συνεργάζονται με το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στο Παρίσι, το οποίο υπολογίζει τον μέσο όρο τους και τον δημοσιεύει σε ένα μηνιαίο ενημερωτικό δελτίο που καθορίζει τον Παγκόσμιο Χρόνο (UTC). Αλλά αυτό σημαίνει πως δεν υπάρχει άμεση μέτρηση ενός καθολικά αποδεκτού πρότυπου χρόνου. Ο Παγκόσμιος Συντονισμένος Χρόνος έχει καθυστέρηση ενός μήνα.
Ο Eric Kessler από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και οι συνεργάτες του πιστεύουν ότι η κβαντική σύμπλεξη θα μπορούσε να δώσει μια λύση. Όταν τα κβαντικά αντικείμενα, όπως τα άτομα είναι συν-πλεκόμενα, μια μέτρηση στο ένα από αυτά θα έχει μια ακαριαία και προβλέψιμη επίδραση στο άλλο. Εάν διαθέταμε ατομικά ρολόγια σε σύμπλεξη σε διάφορα μέρη του πλανήτη και στους δορυφόρους, θα μπορούσαμε να τα συγκρίνουμε (ταυτόχρονα) άπαξ μεταξύ τους, σύμφωνα με τον Kessler.
Αν θεωρήσουμε τα ρολόγια ως εκκρεμή, τότε η σύμπλεξη των διαφορετικών ρολογιών κάνει τα ρολόγια να ταλαντώνονται με τέλεια συμφωνία.
Η εκτίμηση της ερευνητικής ομάδας είναι ότι ένα παγκόσμιο δίκτυο κβαντικού ρολογιού θα είναι περίπου 100 φορές πιο ακριβές από οποιοδήποτε ατομικό ρολόι. Επίσης, θα είναι προστατευμένο με φυσικό τρόπο από τους χάκερ, δεδομένου ότι κάθε εξωτερική παρέμβαση σύμφωνα με την κβαντομηχανική, γίνεται άμεσα αντιληπτή.
Όμως η κβαντική σύμπλεξη είναι μια πολύ ευαίσθητη κατάσταση, και ένα τόσο μεγάλο κβαντικό δίκτυο είναι πολύ δύσκολο να παραμείνει συνδεδεμένο κβαντικά.
Σύμφωνα με τον Kessler υπάρχει ακόμα πολύς δρόμος να διανυθεί διότι απαιτούνται σημαντικές τεχνολογικές εξελίξεις, αν και όλα τα βήματα έχουν επιτευχθεί σε μικρή κλίμακα.
Η Ruxandra Bondarescu, από το Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης, μας υπενθυμίζει ότι το κβαντικό δίκτυο ρολογιών θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε πειράματα θεμελιώδους φυσικής, για μετρήσεις των ελάχιστων μεταβολών του βαρυτικού πεδίου της Γης ή στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων.
Η γάτα του Σρέντινγκερ σε κβαντικό «ενσταντανέ»
Το διασημότερο αιλουροειδές της Φυσικής απαθανατίστηκε σε μοναδικό «ενσταντανέ» με τη βοήθεια ενός από τα πιο παράξενα φαινόμενα της Κβαντομηχανικής,, του κβαντικού συσχετισμού ή διεμπλοκής. Επιστήμονες από την Αυστρία πέτυχαν να πάρουν φωτογραφίες της «Γάτας του Σρέντινγκερ» χωρίς ουσιαστικά να τη φωτογραφίσουν πραγματικά: συνέλαβαν με την κάμερά τους όχι τα ίδια τα φωτόνια που είχαν ανακλαστεί από τη σιλουέτα της γάτας, όπως γίνεται στις κοινές φωτογραφίες, αλλά τα φωτόνια που ήταν συσχετισμένα μαζί τους και δεν είχαν αλληλεπιδράσει με το συγκεκριμένο αντικείμενο.
Ο κβαντικός συσχετισμός ή διεμπλοκή παρατηρείται όταν δυο σωμάτια που έχουν δημιουργηθεί μαζί παραμένουν συνδεδεμένα σε «κατάσταση διεμπλοκής» ανεξάρτητα από την απόσταση που υπάρχει μεταξύ τους: ακόμη και αν βρεθούν χιλιόμετρα μακριά (ή και στην άλλη άκρη του Σύμπαντος) το ένα από το άλλο, όταν το ένα δέχεται μια επίδραση το άλλο αντιδρά επίσης ακαριαία. Αυτό σημαίνει ότι οι μετρήσεις τους είναι συσχετισμένες και ότι μοιράζονται την ίδια κβαντική κατάσταση.
Η Γκαμπριέλα Μπαρέτο Λέμος από την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών στη Βιέννη και οι συνεργάτες της σκέφτηκαν να χρησιμοποιήσουν τον κβαντικό συσχετισμό μεταξύ φωτονίων για να δημιουργήσουν εικόνες όχι με τα φωτόνια που είχαν αλληλεπιδράσει με το αντικείμενο που θα φωτογράφιζαν αλλά με τα μακρινά τους «δίδυμα» που βρίσκονταν σε κατάσταση διεμπλοκής μαζί τους.
Όπως περιγράφουν στη μελέτη τους που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature»
http://www.nature.com/nature/journal/v512/n7515/full/nature13586.html
οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ως «μοντέλο» ένα στένσιλ που απεικόνιζε τη «Γάτα του Σρέντινγκερ» και δημιούργησαν διεμπλεκόμενα ζεύγη από κίτρινα και κόκκινα φωτόνια. Στη συνέχεια έστειλαν τα κίτρινα φωτόνια να ανακλαστούν στο στένσιλ, το οποίο ήταν φτιαγμένο από σιλικόνη διαπερατή από το ερυθρό φως, και τα κόκκινα στην κάμερα, η οποία μπορούσε να ανιχνεύσει μόνο το ερυθρό φως..Εξαιτίας του συσχετισμού τους τα κόκκινα φωτόνια που έφθασαν στην κάμερα και ποτέ δεν είχαν «αγγίξει» το στένσιλ σχημάτισα την εικόνα της γάτας.
Το επίτευγμα αποδεικνύει ότι είναι δυνατόν να απεικονίσουμε αντικείμενα τα οποία είναι αόρατα στο φως που μπορούμε να ανιχνεύσουμε – με άλλα λόγια ότι μπορούμε να απεικονίσουμε ένα αντικείμενο χρησιμοποιώντας φως διαφορετικού μήκους κύματος (χρώματος) από το φως το οποίο αλληλεπιδρά με το αντικείμενο.
Ένα ντοκιμαντέρ για την κβαντική σύμπλεξη.
Πρόκειται για ένα ντοκιμαντέρ που γυρίστηκε το 1985 (!) σχετικό με την κβαντική φυσική και την κβαντική σύμπλεξη. Ακούγονται μερικά από τα μεγαλύτερα μυαλά του 20ου αιώνα, όπως ο John Archibald Wheeler, John Stewart Bell, Alain Aspect και David Bohm. Το ντοκιμαντέρ αναφέρεται και στη διαφωνία μεταξύ Bohr και Einstein όσον αφορά την ισχύ της κβαντικής μηχανικής.
https://www.youtube.com/watch?v=wIubJ8IGcRA
Μαύρη μέρα για τον Άλμπερτ Αϊνστάιν.
Δυστυχώς κύριε Αϊνστάιν, το Σύμπαν είναι πιο αλλόκοτο από ό,τι μπορούσατε να φανταστείτε: πείραμα στην Ολλανδία δείχνει να επιβεβαιώνει οριστικά το φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής, στο οποίο και μόνο η πράξη της παρατήρησης ενός σωματιδίου επηρεάζει ένα άλλο σωματίδιο στην άλλη άκρη του Σύμπαντος, και μάλιστα ακαριαία.
Μελέτη που δημοσιεύεται στο κορυφαίο περιοδικό Nature
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature15759.html
αναφέρει πώς δύο ηλεκτρόνια που απείχαν 1,3 χιλιόμετρα σε διαφορετικά εργαστήρια του Πανεπιστημίου της Ντελφτ συμπεριφέρονταν σαν να ήταν συνεννοημένα από πριν.
Στον παράξενο κόσμο της κβαντομηχανικής, με την οποία ο Αϊνστάιν ουδέποτε κατάφερε να συμφιλιωθεί, προβλέπει ότι ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε διαφορετικές θέσεις ταυτόχρονα, και «κλειδώνει» τελικά σε μια συγκεκριμένη θέση μόνο αν κάποιος μπει στον κόπο να το παρατηρήσει.
Η κβαντική θεωρία προβλέπει επίσης ότι δύο ή περισσότερα σωματίδια μπορούν κάτω από ορισμένες συνθήκες να διεμπλακούν: αυτό σημαίνει ότι οποιαδήποτε μεταβολή στο ένα από τα συνδεδεμένα σωματίδια προκαλεί αντίστοιχες, ακαριαίες μεταβολές και στα υπόλοιπα συνδεδεμένα σωματίδια.
Όπως εξηγούσε σε ένα διαβόητο άρθρο του το 1935, ο Αϊνστάιν απέρριπτε την ιδέα της κβαντικής διεμπλοκής, για την οποία χρησιμοποιούσε τον αφοριστικό χαρακτηρισμό «στοιχειωμένη δράση από απόσταση» (spooky action at a distance). Περισσότερο τον ενοχλούσε η ιδέα της ακαριαίας αλληλεπίδρασης από μεγάλες αποστάσεις, μια ιδέα που έδειχνε να έρχεται σε αντίθεση με τη βεβαιότητα ότι τίποτα δεν ταξιδεύει ταχύτερα από το φως; Πώς θα ήταν δυνατόν ένα σωματίδιο να ενημερώνει ακαριαία το απομακρυσμένο αδελφάκι του ότι κάτι έχει αλλάξει;
Ο πατέρας της Σχετικότητας πίστευε ότι τα σωματίδια έχουν άγνωστες ιδιότητες, οι οποίες με κάποιο μας ξεγελούν ώστε να νομίζουμε ότι η αλληλεπίδραση είναι ακαριαία, ενώ στην πραγματικότητα είναι προαποφασισμένη.
Κι όμως, πολυάριθμα πειράματα τις τελευταίες δεκαετίες έχουν διαψεύσει τον Αϊνστάιν. Το πρόβλημα όμως ήταν ότι υπήρχαν δύο θεωρητικά «παραθυράκια», τα οποία καθιστούσαν αδύνατη την οριστική απόδειξη της κβαντικής εμπλοκής.
Το πρώτο παραθυράκι αφορά το γεγονός ότι μόνο ένα μέρος των σωματιδίων του πειράματος είναι δυνατό να ανιχνευθούν -οι ερευνητές πρέπει επομένως να αρκούνται στην υπόθεση ότι τα σωματίδια που ανίχνευσαν είναι ενδεικτικά του συνόλου, κάτι που δεν ισχύει απαραίτητα στον παράξενο κόσμο της κβαντομηχανικής.
Για να λύσουν το πρόβλημα, πολλές ερευνητικές ομάδες δεν χρησιμοποίησαν υποατομικά σωματίδια αλλά ολόκληρα άτομα, τα οποία είναι πιο εύκολο να ανιχνευθούν. Αυτό όμως ανοίγει ένα δεύτερο παραθυράκι, καθώς είναι δύσκολο να διατηρήσει κανείς τη διεμπλοκή ατόμων τα οποία απέχουν μεγάλες αποστάσεις. Αν όμως η απόσταση του πειράματος είναι μικρή, τότε το ένα σωματίδιο μπορεί θεωρητικά να ενημερώσει το άλλο χωρίς να παραβιαστεί η ταχύτητα του φωτός.
Η νέα μελέτη κλείνει τα δύο παραθυράκια και δείχνει να βάζει το τελευταίο καρφί στο φέρετρο του Αϊνστάιν. Ο Ρόναλντ Χάνσον και οι συνεργάτες του ακολούθησαν με μια ιδιοφυή προσέγγιση, στην οποία δύο ηλεκτρόνια συνδέθηκαν με δύο φωτόνια τα οποία στη συνέχεια συνδέθηκαν μεταξύ τους. Αυτό τελικά δημιούργησε διεμπλοκή ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόνια από σε απόσταση 1,3 χιλιομέτρων.
Για τεχνικούς λόγους, η μεθοδολογία αυτή αποκλείει τα δύο παραθυράκια και δείχνει να τερματίζει, πιθανώς τελεσίδικα, μια επιστημονική διαμάχη 80 ετών.
«Δεν θα μου προκαλούσε έκπληξη αν δούμε έναν από τους συγγραφείς αυτής της δημοσίευσης, μαζί με τους ερευνητές κάποιων παλαιότερων πειραμάτων, να κερδίζει το βραβείο Νόμπελ. Τόσο συναρπαστικό είναι» είχε σχολιάσει στο Nature ο Μάθιου Λέιφερ, φυσικός του διάσημου Perimeter Institute στον Καναδά. Οι δηλώσεις του είχαν γίνει τον Αύγουστο, μετά την υποβολή της μελέτης αλλά πριν από την τελική έγκρισή της από το Nature.
Τα νέα, όμως, δεν είναι κακά μόνο για τον Αϊνστάιν -λόγο να δυσαρεστούνται έχουν και οι χάκερ.
Όπως επισημαίνουν οι ερευνητές, τα ευρήματα έχουν σημασία για τη λεγόμενη κβαντική κρυπτογράφηση, η οποία βασίζεται στη διεμπλοκή φωτονίων. Τα δύο εν λόγω παραθυράκια θα μπορούσαν θεωρητικά να αξιοποιηθούν από χάκερ προκειμένου να παραβιάσουν την κρυπτογράφηση.
Οι τεχνικές που εφαρμόστηκαν στο τελευταίο πείραμα υπόσχονται τώρα να κλείσουν την πόρτα στους ωτακουστές.
Είναι μια κακή μέρα για τον Αϊνστάιν, μια κακή μέρα για τους κατασκόπους.
http://news.in.gr/science-technology/article/?aid=1500034451
Κβαντική σύμπλεξη, μια «θεμελιώδης» έννοια της φυσικής.
Στο ένθετο που ακολουθεί περιέχονται οι διαφάνειες από διάλεξη του Στέφανου Τραχανά με τίτλο «Κβαντική σύμπλεξη. Η νέα θεμελιώδης έννοια της φυσικής» .
Στο πρώτο μέρος δίνονται απαντήσεις στα ερωτήματα: Τι είναι η κβαντική σύμπλεξη, ποια είναι η σχέση της με την δράση από απόσταση και την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης, ενώ εξετάζεται επίσης και το πως θα ήταν καλύτερα να αποδίδεται ο όρος «quantum entanglement» στα ελληνικά.
Στο δεύτερο μέρος αναφέρεται στη διαμάχη γύρω από το παράδοξο EPR, στην υποθετική συμπληρωματική θεωρία των κρυμμένων μεταβλητών, στην καταλυτική παρέμβαση του John Stewart Bell to 1964 με την διάσημη ανισότητά του και το πείραμα του Aspect, που απέδειξαν ότι τελικά «ο θεός παίζει ζάρια με τον κόσμο».
Σύμφωνα με τους Hensen et al, τα προηγούμενα πειράματα που χρησιμοποίησαν συν-πλεγμένα φωτόνια, όπως αυτό του Aspect, είχαν το μειονέκτημα να μην ανιχνεύουν όλα τα φωτόνια που παράγονταν και μερικές φορές χάνονταν μέχρι και το 80% από αυτά. Έτσι οι πειραματιστές υπέθεταν ότι οι ιδιότητες των φωτονίων που ανίχνευαν αντιπροσώπευαν ολόκληρο το σύνολο.
Για να αποφύγουν τέτοιου είδους υποθέσεις οι φυσικοί χρησιμοποιούν συχνά στα πειράματά τους άτομα αντί για φωτόνια, που είναι πιο εύκολο να παρακολουθηθούν. Όμως είναι δύσκολο να απομακρυνθούν σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς να καταστραφεί η σύμπλεξή τους. Αν όμως τα συμπλεγμένα άτομα βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους τότε θα μπορούσε κανείς να ισχυριστεί ότι επικοινωνούν μεταξύ τους χωρίς να παραβιάζουν το όριο της ταχύτητας του φωτός.
Οι ερευνητές Hensenl et al χρησιμοποίησαν μια διαφορετική τεχνική για να αποφύγουν το παραπάνω πρόβλημα. Άρχιζαν με δυο ηλεκτρόνια μη – συμπλεγμένα μεταξύ τους, που βρίσκονταν σε κρυστάλλους διαμαντιού, σε διαφορετικά εργαστήρια 1,3 χιλιόμετρα μακριά. Κάθε ηλεκτρόνιο βρίσκονταν σε σύμπλεξη με ένα φωτόνιο και στη συνέχεια τα δυο φωτόνια κατευθύνονταν σε μια τρίτη θέση όπου συμπλέκονταν μεταξύ τους.
Αυτό είχε ως αποτέλεσμα και τα ηλεκτρόνια – σύντροφοί τους να βρεθούν επίσης σε σύμπλεξη μεταξύ τους. Έτσι, κατάφεραν να δημιουργήσουν 245 ζεύγη ηλεκτρονίων σε σύμπλεξη μέσα σε εννιά ημέρες. Οι μετρήσεις τους έδειξαν για άλλη μια φορά ότι παραβιάζεται η ανισότητα Bell ή πιο απλά ότι «ο Θεός παίζει ζάρια με τον κόσμο».
Πρώτες ενδείξεις για παράξενη κβαντική ιδιότητα του κενού χώρου.
Έχουν περάσει 80 και πλέον χρόνια από τότε που το φαινόμενο προβλέφθηκε από γίγαντες της κβαντομηχανικής όπως ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ. Έπειτα από δεκαετίες αναζήτησης, διεθνής ομάδα αστρονόμων παρουσιάζει τώρα τις πρώτες ενδείξεις για το φαινόμενο της «κβαντικής διπλής διάθλασης» γύρω από ένα άστρο νετρονίων.
Το αμυδρό φως του άστρου, αναφέρουν οι ερευνητές στην επιθεώρηση Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, δείχνει να έχει αλλοιωθεί λόγω αλληλεπίδρασης με τα λεγόμενα «εικονικά σωματίδια» της κβαντικής φυσικής, τα οποία εμφανίζονται αυθόρμητα στο απόλυτο κενό και αμέσως μετά επιστρέφουν στην ανυπαρξία.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε το μεγάλο ευρωπαϊκό τηλεσκόπιο VLT στη Χιλή για να εξετάσει στο ορατό τμήμα του φάσματος ένα αμυδρό άστρο νετρονίων (κατάλοιπο ενός άστρου που εξερράγη σε σουπερνόβα), σε απόσταση 400 ετών φωτός από τη Γη.
Το φως είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται στον χώρο. Σε κανονικές συνθήκες, τα κύματα αυτά ταλαντώνονται σε πολλά επίπεδα (ας πούμε κατακόρυφα και οριζόντια). Το φως όμως μπορεί σε πολλές περιπτώσεις να είναι «πολωμένο», κάτι που σημαίνει ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταλαντώνονται σε ένα μόνο επίπεδο (ας πούμε μόνο οριζόντια).
Το φως που ανακλάται στην επιφάνεια μιας λιμνούλας, για παράδειγμα, φτάνει στο μάτι πολωμένο.
Αυτό που αποκάλυψαν οι παρατηρήσεις είναι ότι το ορατό φως του άστρου νετρονίων φτάνει στη Γη πολωμένο κατά 16,4%.
Υπάρχουν βέβαια διάφοροι «πεζοί» παράγοντες που θα μπορούσαν να πολώνουν την ακτινοβολία, όπως για παράδειγμα η παρουσία σκόνης, ωστόσο οι ερευνητές εκτιμούν ότι η πιθανότερη εξήγηση είναι η κβαντική διάθλαση.
Πηγή της ανωμαλίας δεν μπορεί παρά να είναι το μαγνητικό πεδίο του άστρου νετρονίων, δισεκατομμύρια ή τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου.
Όπως προβλέφθηκε τη δεκαετία του 1930 βάσει των αρχών της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, η οποία περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις των φωτονίων με φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, τα μαγνητικά πεδία αυτής της ισχύος μπορούν να επηρεάσουν της ιδιότητες του ίδιου του χώρου.
Στην κβαντική μηχανική, ο κενός χώρος μόνο κενός δεν είναι: ακόμα και στην ερημιά του διαστρικού χώρου, εικονικά σωματίδια εμφανίζονται συνέχεια από το πουθενά ανά ζεύγη, αλληλοεξουδετερώνονται και εξαφανίζονται εκεί από όπου ήρθαν.
Όπως προέβλεψε ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ και ο συνεργάτης του Χανς Χάινριχ Όιλερ, τα εικονικά αυτά σωματίδια μπορούν να ταξιδεύουν πιο εύκολα κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου παρά κάθετα σε αυτές. Ως αποτέλεσμα, το φως που έχει πολωθεί παράλληλα με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου επιβραδύνεται σε σχέση με το φως που έχει πολωθεί κάθετα στις γραμμές.
Λόγω αυτής της επιλεκτικής αλληλεπίδρασης, το φως ουσιαστικά χωρίζεται σε δύο δέσμες με διαφορετική πόλωση.
«Σύμφωνα με τις αρχές της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, ένα ισχυρά μαγνητισμένο κενό συμπεριφέρεται σαν πρίσμα για τη διάδοση του φωτός, ένα φαινόμενο γνωστό ως κβαντική διπλή διάθλαση (vacuum birefringence)» εξηγεί ο Ρομπέρτο Μινιάνι του INAF Μιλάνου, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης.
«Η ισχυρή γραμμική πόλωση που μετρήσαμε δεν μπορεί να εξηγηθεί εύκολα από τα μοντέλα μας παρά μόνο αν ληφθούν υπόψη τα φαινόμενα διπλής διάθλασης που προβλέπει η κβαντική ηλεκτροδυναμική» συνεχίζει.
Ωστόσο η ερευνητική ομάδα παρουσιάζει τα ευρήματα ως απλή ένδειξη, και όχι ως απόδειξη, του παράξενου κβαντικού φαινομένου.
Η επιβεβαίωση θα μπορούσε να έρθει τα επόμενα χρόνια από διαστημικά τηλεσκόπια ακτίνων Χ, στο φάσμα όπου η ακτινοβολία του άστρου νετρονίων είναι πιο ισχυρή.
Στην περίπτωση των ακτίνων Χ, η πόλωση του φωτός που φτάνει στη Γη θα έφτανε το 100%, λένε οι ερευνητές.
Μια τέτοια παρατήρηση όχι μόνο θα επιβεβαίωνε το φαινόμενο, αλλά θα προσέφερε παράλληλα μια νέα μέθοδο για τη μελέτη του ίδιου του άστρου νετρονίων.
Για τους αστρονόμους και τους κβαντικούς φυσικούς, θα ήταν δυο τρυγόνια με ένα σμπάρο.
Αστρικό φως επιβεβαιώνει πως «ο Θεός παίζει ζάρια»
Ακόμη ισχυρότερη επιβεβαίωση ενός φαινομένου που αποτελεί θεμελιώδη απόρροια της κβαντικής φυσικής, πέτυχε μία διεθνής ομάδα επιστημόνων, χρησιμοποιώντας φως από αστέρες που βρίσκονται 600 έτη φωτός μακριά από τον πλανήτη μας.
Το φαινόμενο αφορά τη «μυστηριώδη δράση από απόσταση» και προτάθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, στην προσπάθειά του να δείξει πως η κβαντική φυσική δεν αποτελεί μία πλήρη περιγραφή της πραγματικότητας.
Ο διάσημος φυσικός δεν αποδεχόταν ότι η αβεβαιότητα είναι μία εγγενής ιδιότητα της φύσης, όπως πρεσβεύει η κβαντική, λέγοντας χαρακτηριστικά «πως ο Θεός δεν παίζει ζάρια με τον κόσμο».
Η «μυστηριώδης δράση από απόσταση» ονομάστηκε στην πορεία κβαντική διεμπλοκή ή κβαντικός συσχετισμός (quantum entanglement). Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, δύο υποατομικά σωματίδια που «συσχετίζονται» μπορούν να αλληλεπιδρούν από απόσταση, ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλη είναι αυτή. Έτσι, για παράδειγμα, μετρώντας κάποια ιδιότητα του ενός σωματιδίου, θα μεταβληθεί ανάλογα η αντίστοιχη ιδιότητα και του δεύτερου.
Μέχρι σήμερα, η κβαντική διεμπλοκή έχει παρατηρηθεί αρκετές φορές, δείχνοντας επομένως ότι μπορεί κάλλιστα «ο Θεός να παίζει ζάρια» Ωστόσο, οι μετρήσεις που πρόεκυψαν από αυτές τις παρατηρήσεις θα ήταν δυνατόν να εξηγηθούν επίσης στο πλαίσιο μίας εναλλακτικής θεωρίας, που αν ίσχυε η φύση θα «έσωζε» την ντετερμινιστικότητα.
Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, οι μετρήσεις των επιστημόνων ενδεχομένως επηρεάζονται από κρυμμένες μεταβλητές – δηλαδή από άγνωστες μεταβλητές που κάνουν τα δύο σωματίδια να μοιάζουν «συσχετισμένα», παρόλο που δεν είναι.
Μία πιθανότητα που μπορεί να εξετασθεί από το «τεστ του Μπελ», ένα πρωτόκολλο που επινόησε ο φυσικός Τζον Μπελ τη δεκαετία του 1960, για να ελεγχθεί κατά πόσο υπάρχουν ή όχι τέτοιες κρυμμένες μεταβλητές.
Τις προηγούμενες τέσσερις δεκαετίες, αρκετοί ερευνητές έχουν εξετάσει διάφορες εκδοχές του «τεστ του Μπελ», για να αποκλείσουν διάφορα πιθανά σενάρια εξήγησης της παρατηρούμενης συμπεριφοράς των σωματιδίων, χωρίς τη χρήση της κβαντικής φυσικής.
Τώρα, η διεθνής ομάδα επιστημόνων μείωσε την πιθανότητα να ισχύει ένα ακόμη τέτοιο σενάριο, προσδίδοντας έτσι ακόμη μεγαλύτερη ισχύ στην κβαντομηχανική.
«Πρόκειται για ένα πολύ όμορφο πείραμα», λέει στο περιοδικό Nature ο Κρίστερ Σαλμ, ειδικός στην κβαντική φυσική από το αμερικανικό Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST).
Παρόλο που ελάχιστοι φυσικοί εκτιμούν πως υπάρχει πιθανότητα να καταρριφθεί η κβαντική διεμπλοκή, «τέτοια πειράματα κάνουν τις όποιες εναλλακτικές θεωρίες να μοιάζουν ολοένα πιο παράλογες».
Σύμφωνα με το σενάριο που εξετάστηκε, η κβαντική διεμπλοκή μπορεί να είναι μία ψευδαίσθηση από κάποια άγνωστη ιδιότητα του σύμπαντος, η οποία περιορίζει τις επιλογές που έχουν οι επιστήμονες αναφορικά με τις ιδιότητες που ελέγχουν στα σωματίδια. Επομένως, μήπως οι ερευνητές που μετρούν τις ιδιότητες των σωματιδίων διαθέτουν περιορισμένες δυνατότητες επιλογών;
Ένας τρόπος να αποκλειστεί αυτό το ενδεχόμενο είναι οι ιδιότητες να επιλεγούν με βάση ένα μη προβλέψιμο φαινόμενο, και μάλιστα λίγα δευτερόλεπτα πριν τα «συσχετισμένα» σωματίδια φτάσουν στους ανιχνευτές.
Επίσης, αν αυτό το μη προβλέψιμο φαινόμενο ανάγεται πολύ πίσω στον χρόνο, τότε θα έπρεπε να έχει τεθεί από τότε σε λειτουργία αυτός ο κρυμμένος μηχανισμός που προκαλεί την ψευδαίσθηση της κβαντικής διεμπλοκής.
Αυτό ακριβώς έκανε η ερευνητική ομάδα, παράγοντας κατʼ αρχάς ζεύγη «συσχετισμένων» φωτονίων στην οροφή του πανεπιστημίου της Βιέννης, τα οποία κινούνταν προς αντίθετες κατευθύνσεις και έφταναν σε δύο ανιχνευτές, εγκατεστημένους μερικά οικοδομικά τετράγωνα μακριά.
Παράλληλα, για να διασφαλίσουν πως η επιλογή της ιδιότητας που μετρούν είναι πραγματικά τυχαία, χρησιμοποίησαν ως «οδηγό» το φως από αστέρες που βρίσκονται 600 έτη φωτός μακριά από τον πλανήτη μας.
Τα αποτελέσματά τους επαλήθευσαν το «τεστ του Μπελ», επιβεβαιώνοντας την κβαντική διεμπλοκή και κάνοντας ακόμη πιο εξωπραγματική την εναλλακτική εξήγηση. Κι αυτό γιατί ο κρυμμένος μηχανισμός θα έπρεπε να έχει ενεργοποιηθεί πριν από 600 χρόνια, όταν δηλαδή δημιουργήθηκε το αστρικό φως που χρησιμοποίησαν ως οδηγό.
Μάλιστα, στα σχέδιά τους είναι να επαναλάβουν το πείραμα με ακόμη μακρινότερες αστρικές πηγές, που να απέχουν από τον πλανήτη μας δισεκατομμύρια έτη.
Ένα τραγούδι για τον γάτο του Schrödinger
Το πρώτο τραγούδι για τον γάτο του Schrödinger – αλλά και για την κβαντική σύμπλεξη, τους εγκεφάλους Boltzmann και το πολυσύμπαν. Μια συνεργασία της φυσικού Sabine Hossenfelder
http://fias.uni-frankfurt.de/~hossi
με τον Απόστολο Βασιλειάδη (επίσης φυσικός) και τον Timo Alho. Στο βίντεο έχουν ενσωματωθεί οι στίχοι – ενεργοποιήστε τους υπότιτλους:
ΖΗΝΩΝ ΠΑΠΑΖΑΧΟΣ
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου