Quantum entanglement
Nov. 29th, 2017 09:30 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
atandakil_gunzeСразу говорю, я не знаю, как следовало бы переводить на русский язык то явление, название которого вынесено в заголовок. Есть варианты "квантовое сцепление", "квантовая спутанность", "квантовая запутанность" и "квантовая перепутанность". А может, еще какие-нибудь. Словом, quantum entanglement - а дальше как угодно.
В последнее время это явление стало модной темой - частично потому, что его осмысление достаточно сложно, частично потому, что популяризаторы подчас сами не понимают, о чем пишут (вот и получаются заголовки типа "Ученые опровергли Эйнштейна и передали сигнал в сто раз быстрее скорости света!").
Итак, что такое квантовое сцепление - предельно упрощенно и в двух словах.
Вспомним, для примера, нейтрино (именно нейтрино вспоминать необязательно - явление имеет место для любых частиц - но я только что о них писал, и у меня под рукой поэтому имеется достаточно наглядная ссылка).
Итак, берем нейтрино и внимательно (с нейтрино в руках!) читаем https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/110078.html. И видим, что существует три сорта нейтрино, электронные, мюонные и таонные (e, μ и τ ), и в течение жизни нейтрино "осциллирует", то есть, каждое нейтрино существует в виде смеси этих типов. Когда нейтрино "поймано", то есть, когда оно вступает во взаимодействие, оно (нейтрино) "выбирает" одно чистое состояние (конкретный тип) и проявляется именно в нем. С той или иной вероятностью.
Теперь идем дальше. Представим для примера процесс, в котором рождается пара нейтрино и антинейтрино одного и того же типа (скажем, электронных). По законам сохранения число частиц одного типа во взаимодействии измениться не может. В нашем примере это число равно нулю, потому что если родилась пара электронных е-нейтрино, то соответствующее число для электронного нейтрино равно +1, а для е-антинейтрино оно равно -1, то есть суммарное количество рожденных во взаимодействии нейтрино электронного типа е считается нулевым (точно так же нулевым в нем является количество рожденных мюонных нейтрино μ и таонных τ, ибо они в этом процессе вообще не рождались).
Теперь рожденная пара начинает разлетаться в разные стороны. Каждый компонент пары представляет собой смесь трех типов нейтрино (осциллирует) - и это может длиться секунды, годы или миллиарды лет: до тех пор, пока один из компонентов не вступит во взаимодействие.
А теперь задумаемся. Законы сохранения продолжают действовать и секунды, и годы, и миллиарды лет. И если один из компонентов описанной пары, родившись, скажем, как е-нейтрино, вступит во взаимодействие как μ-нейтрино, закон сохранения не будет нарушенным только в том случае, если второй компонент окажется μ-антинейтрино. То есть, в момент, когда один из компонентов пары явно определит свое состояние, второй компонент пары тоже "окажется вынужденным" определить свое состояние. Причем подчеркну - в тот же момент, даже если обе частицы разделены километрами или парсеками.
Совершенно аналогичная ситуация имеет место не только с нейтрино, но и с любым ансамблем частиц, состояния которых связаны друг с другом какими-нибудь законами или правилами.
А теперь задумаемся еще раз. Если мы определили состояние одной частицы пары, и при этом состояние второй частицы пары, удаленной на немалое расстояние, тоже оказалось определенным, это означает, что "приказ", отправленный одной частицей в адрес второй и определяющий состояние второй частицы, был передан мгновенно. Через метры, километры и парсеки. И вот это явление, при котором частицы, рожденные в паре, "знают" состояние друг друга независимо от времени и взаимного удаления, именуется квантовой спутанностью, квантовым сцеплением или просто quantum entanglement.
Возникает вопрос, не нарушает ли квантовая спутанность теорию относительности, согласно которой никакое физическое взаимодействие (а также информация) не может передаваться быстрее скорости света.
Ответ: не нарушает. Квантовая спутанность не является физическим взаимодействием двух частиц. И информацию она передать, увы, не может: мы не можем с помощью квантовой спутанности мгновенно передать информацию по одной простой причине - мы не способны эту информацию определить. Состояние частиц от нас не зависит. Если, возвращаясь к приведенному примеру, первое нейтрино на наших глазах оказывается мюонным, мы знаем, что где-то в другом месте парное к нему антинейтрино тоже в этот момент становится мюонным - но выбрать за первое нейтрино, каким ему стать, мы не можем принципиально. Информация и у нас, и в точке нахождения второго нейтрино является строго случайной. (Условно говоря, выглядит это так: двум людям отдают запечатанные шкатулки, в которых находятся два одинаковых текста. Они расходятся на большое расстояние и один из них открывает шкатулку. В этот момент он узнает содержание текста, находящегося у другого. И все - передать информацию он не в состоянии).
Кстати, обратите внимание на своеобразный вывод - невозможность для наблюдателя произвольно изменять квантовомеханическое состояние наблюдаемой частицы (строго говоря, определять состояние волновой функции после коллапса) оказывается не только квантовомеханическим опытным феноменом, но и релятивистским теоретическим явлением. То есть, невозможность заранее определить состояние объекта при наблюдении в таком случае следует из теории относительности.
Зато с философской точки зрения явление квантовой спутанности является весьма интересным - оно заставляет задуматься о том, можно ли отдельную частицу считать объективно существующим объектом, или свойство объективного существования является атрибутом не частицы, а ансамбля частиц, в котором отдельная частица является лишь субъективно наблюдаемым проявлением.
Тем более, что недавние эксперименты весьма строго подтвердили, что то состояние, в котором ансамбль наблюдается, не зависит от исходного состояния и, соответственно, не является каким-либо образом заданным "изначально" (https://arxiv.org/abs/1611.06985).
А потом можно подумать еще и о том, что любой ансамбль тоже является частью другого, большего ансамбля.
И вот так, потихоньку и помаленьку можно постепенно прийти к выводу, что единственным истинно существующим объектом является Вселенная в целом. А ее частные объекты не наделены "атрибутами истинного существования".
Кстати, все это является одной из основных причин, по которой лично я считаю, что в средневековом споре между номиналистами и реалистами в большей степени правыми оказались именно последние - реально существуют лишь универсалии (общие понятия), а их отдельные проявления (конкретные частицы в нашем случае) по сути не существуют, являясь лишь воспринимаемой нами частью общего целого.
В последнее время это явление стало модной темой - частично потому, что его осмысление достаточно сложно, частично потому, что популяризаторы подчас сами не понимают, о чем пишут (вот и получаются заголовки типа "Ученые опровергли Эйнштейна и передали сигнал в сто раз быстрее скорости света!").
Итак, что такое квантовое сцепление - предельно упрощенно и в двух словах.
Вспомним, для примера, нейтрино (именно нейтрино вспоминать необязательно - явление имеет место для любых частиц - но я только что о них писал, и у меня под рукой поэтому имеется достаточно наглядная ссылка).
Итак, берем нейтрино и внимательно (с нейтрино в руках!) читаем https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/110078.html. И видим, что существует три сорта нейтрино, электронные, мюонные и таонные (e, μ и τ ), и в течение жизни нейтрино "осциллирует", то есть, каждое нейтрино существует в виде смеси этих типов. Когда нейтрино "поймано", то есть, когда оно вступает во взаимодействие, оно (нейтрино) "выбирает" одно чистое состояние (конкретный тип) и проявляется именно в нем. С той или иной вероятностью.
Теперь идем дальше. Представим для примера процесс, в котором рождается пара нейтрино и антинейтрино одного и того же типа (скажем, электронных). По законам сохранения число частиц одного типа во взаимодействии измениться не может. В нашем примере это число равно нулю, потому что если родилась пара электронных е-нейтрино, то соответствующее число для электронного нейтрино равно +1, а для е-антинейтрино оно равно -1, то есть суммарное количество рожденных во взаимодействии нейтрино электронного типа е считается нулевым (точно так же нулевым в нем является количество рожденных мюонных нейтрино μ и таонных τ, ибо они в этом процессе вообще не рождались).
Теперь рожденная пара начинает разлетаться в разные стороны. Каждый компонент пары представляет собой смесь трех типов нейтрино (осциллирует) - и это может длиться секунды, годы или миллиарды лет: до тех пор, пока один из компонентов не вступит во взаимодействие.
А теперь задумаемся. Законы сохранения продолжают действовать и секунды, и годы, и миллиарды лет. И если один из компонентов описанной пары, родившись, скажем, как е-нейтрино, вступит во взаимодействие как μ-нейтрино, закон сохранения не будет нарушенным только в том случае, если второй компонент окажется μ-антинейтрино. То есть, в момент, когда один из компонентов пары явно определит свое состояние, второй компонент пары тоже "окажется вынужденным" определить свое состояние. Причем подчеркну - в тот же момент, даже если обе частицы разделены километрами или парсеками.
Совершенно аналогичная ситуация имеет место не только с нейтрино, но и с любым ансамблем частиц, состояния которых связаны друг с другом какими-нибудь законами или правилами.
А теперь задумаемся еще раз. Если мы определили состояние одной частицы пары, и при этом состояние второй частицы пары, удаленной на немалое расстояние, тоже оказалось определенным, это означает, что "приказ", отправленный одной частицей в адрес второй и определяющий состояние второй частицы, был передан мгновенно. Через метры, километры и парсеки. И вот это явление, при котором частицы, рожденные в паре, "знают" состояние друг друга независимо от времени и взаимного удаления, именуется квантовой спутанностью, квантовым сцеплением или просто quantum entanglement.
Возникает вопрос, не нарушает ли квантовая спутанность теорию относительности, согласно которой никакое физическое взаимодействие (а также информация) не может передаваться быстрее скорости света.
Ответ: не нарушает. Квантовая спутанность не является физическим взаимодействием двух частиц. И информацию она передать, увы, не может: мы не можем с помощью квантовой спутанности мгновенно передать информацию по одной простой причине - мы не способны эту информацию определить. Состояние частиц от нас не зависит. Если, возвращаясь к приведенному примеру, первое нейтрино на наших глазах оказывается мюонным, мы знаем, что где-то в другом месте парное к нему антинейтрино тоже в этот момент становится мюонным - но выбрать за первое нейтрино, каким ему стать, мы не можем принципиально. Информация и у нас, и в точке нахождения второго нейтрино является строго случайной. (Условно говоря, выглядит это так: двум людям отдают запечатанные шкатулки, в которых находятся два одинаковых текста. Они расходятся на большое расстояние и один из них открывает шкатулку. В этот момент он узнает содержание текста, находящегося у другого. И все - передать информацию он не в состоянии).
Кстати, обратите внимание на своеобразный вывод - невозможность для наблюдателя произвольно изменять квантовомеханическое состояние наблюдаемой частицы (строго говоря, определять состояние волновой функции после коллапса) оказывается не только квантовомеханическим опытным феноменом, но и релятивистским теоретическим явлением. То есть, невозможность заранее определить состояние объекта при наблюдении в таком случае следует из теории относительности.
Зато с философской точки зрения явление квантовой спутанности является весьма интересным - оно заставляет задуматься о том, можно ли отдельную частицу считать объективно существующим объектом, или свойство объективного существования является атрибутом не частицы, а ансамбля частиц, в котором отдельная частица является лишь субъективно наблюдаемым проявлением.
Тем более, что недавние эксперименты весьма строго подтвердили, что то состояние, в котором ансамбль наблюдается, не зависит от исходного состояния и, соответственно, не является каким-либо образом заданным "изначально" (https://arxiv.org/abs/1611.06985).
А потом можно подумать еще и о том, что любой ансамбль тоже является частью другого, большего ансамбля.
И вот так, потихоньку и помаленьку можно постепенно прийти к выводу, что единственным истинно существующим объектом является Вселенная в целом. А ее частные объекты не наделены "атрибутами истинного существования".
Кстати, все это является одной из основных причин, по которой лично я считаю, что в средневековом споре между номиналистами и реалистами в большей степени правыми оказались именно последние - реально существуют лишь универсалии (общие понятия), а их отдельные проявления (конкретные частицы в нашем случае) по сути не существуют, являясь лишь воспринимаемой нами частью общего целого.
(no subject)
Date: 2017-11-29 07:48 am (UTC)Но и он, в конце концов, является сугубо эмпирическим.
Впрочем, тут есть нюанс - можно понять "причину" или, скажем так, "механизм" сохранения электрического заряда. Хотя и со ссылкой на эмпирические факты
А вот "причина" или "механизм" сохранения лептонного числа не так очевидны (или вообще неочевидны).