Ne tik sen, fiziķi parādīja pirmos QUESS misijas rezultātus, un tās ietvaros orbītā tika palaists Mozi satelīts, nodrošinot vairāk nekā 1200 km attālumā kvantos iespiestu fotonu rekordu. Nākotnē tas var izraisīt kvantu sakaru līnijas izveidi starp Pekinu un Eiropu.
Apkārtējā pasaule ir liela un daudzveidīga - tik daudzveidīga, ka dažos mērogos parādās likumi, kas citiem ir pilnīgi neiedomājami. Politikas un Bītlmānijas likumi nekādā veidā neizriet no atoma struktūras - to aprakstam ir vajadzīgas savas "formulas" un savi principi. Grūti iedomāties, ka ābols - makroskopisks objekts, kura uzvedība parasti notiek pēc Ņūtona mehānikas likumiem - ņēma un pazuda, saplūda ar citu ābolu, pārvēršoties ananāsā. Un tomēr tieši šādas paradoksālas parādības izpaužas elementāru daļiņu līmenī. Uzzinot, ka šis ābols ir sarkans, maz ticams, ka mēs kļūsim zaļš cits, kas atrodas kaut kur orbītā. Tikmēr tieši tā darbojas kvantu saķeres fenomens, un tieši to ir parādījuši ķīniešu fiziķi, ar kuru darbu mēs sākām sarunu. Mēģināsim to izdomātkas tas ir un kā tas var palīdzēt cilvēcei.
Bohrs, Einšteins un citi
Apkārtējā pasaule ir lokāla - citiem vārdiem sakot, lai kāds attālināts objekts mainītos, tam ir jādarbojas mijiedarbībā ar citu objektu. Turklāt neviena mijiedarbība nevar izplatīties ātrāk par gaismu: tas padara fizisko realitāti par lokālu. Ābols nevar iepļaukāt Ņūtonu uz galvas, fiziski to nesasniedzot. Saules uzliesmojums nevar uzreiz ietekmēt satelītu darbību: uzlādētajām daļiņām būs jānoiet attālums līdz Zemei un jādarbojas mijiedarbībā ar elektroniku un atmosfēras daļiņām. Bet kvantu pasaulē lokalitāte tiek pārkāpta.
Visslavenākais no elementāro daļiņu pasaules paradoksiem ir Heizenberga nenoteiktības princips, saskaņā ar kuru nav iespējams precīzi noteikt kvantu sistēmas abu "pāra" īpašību vērtību. Pozīcija telpā (koordināta) vai kustības ātrums un virziens (impulss), strāva vai spriegums, lauka elektriskā vai magnētiskā komponenta lielums - tie visi ir "papildinošie" parametri, un, jo precīzāk mēs izmērām vienu no tiem, jo mazāk pārliecināts, ka otrais kļūs.
Savulaik tieši nenoteiktības princips izraisīja Einšteina neizpratni un viņa slaveno skeptisko iebildumu "Dievs nespēlē kauliņus". Tomēr šķiet, ka tā spēlē: visi zināmie eksperimenti, netiešie un tiešie novērojumi un aprēķini norāda, ka nenoteiktības princips ir mūsu pasaules pamatnoteikumu sekas. Un atkal mēs nonākam pie neatbilstības starp realitātes mērogiem un līmeņiem: tur, kur mēs esam, viss ir diezgan droši: ja jūs atlocīsit pirkstus un atlaidīsit ābolu, tas nokristīs, piesaistīts Zemes gravitācijai. Bet dziļākā līmenī vienkārši nav cēloņu un seku, ir tikai varbūtību deja.
Reklāmas video:
Daļiņu kvantu iespīlētā stāvokļa paradokss slēpjas faktā, ka "trieciens galvai" var notikt tieši vienlaikus ar ābola atdalīšanu no zariņa. Sapīšanās nav lokāla, un objekta maiņa vienā vietā uzreiz - un bez acīmredzamas mijiedarbības - citu objektu pilnībā maina citā. Teorētiski mēs varam pārvadāt vienu no sapinušajām daļiņām vismaz uz otru Visuma galu, bet jebkurā gadījumā, ja mēs "pieskaramies" tā partnerim, kurš palika uz Zemes, un otrā daļiņa nekavējoties reaģēs. Einšteinam tam nebija viegli ticēt, un viņa arguments ar Nīlu Bohu un kolēģiem no kvantu mehānikas "nometnes" kļuva par vienu no aizraujošākajiem priekšmetiem mūsdienu zinātnes vēsturē. "Realitāte ir pārliecināta," kā teiktu Einšteins un viņa atbalstītāji, "nepilnīgi ir tikai mūsu modeļi, vienādojumi un rīki". “Modeļi var būt jebkas,bet pati realitāte, kas atrodas mūsu pasaules pamatā, nekad nav bijusi pilnībā noteikta,”iebilda kvantu mehānikas piekritēji.
Pretstatot savus paradoksus, 1935. gadā Einšteins kopā ar Borisu Podolski un Nathan Rosen formulēja savu paradoksu. "Labi," viņi sprieda, "pieņemsim, ka nav iespējams vienlaikus uzzināt daļiņas koordinātu un impulsu. Bet kā būtu, ja mums būtu divas kopīgas izcelsmes daļiņas, kuru stāvokļi ir identiski? Tad mēs varam izmērīt viena impulsu, kas mums netieši sniegs informāciju par otra impulsu, un otra koordinātu, kas dos zināšanas par pirmā koordinātu. " Šādas daļiņas bija tīri spekulatīvs uzbūve, domu eksperiments - iespējams, tieši tāpēc Nīlam Bohram (vai drīzāk viņa sekotājiem) izdevās rast pienācīgu atbildi tikai 30 gadus vēlāk.
Varbūt pirmo kvantu mehānisko paradoksu spektru novēroja Heinrihs Hercs, kurš ievēroja, ka, ja dzirksteles spraugas elektrodi tika apgaismoti ar ultravioleto gaismu, dzirksteles caurstrāvošana bija ievērojami vieglāka. Štoletova, Thomsona un citu lielisku fiziķu eksperimenti ļāva saprast, ka tas notiek tāpēc, ka radiācijas ietekmē matērija izstaro elektronus. Tomēr tas ir pilnīgi atšķirīgs no tā, ko norāda loģika; piemēram, atbrīvoto elektronu enerģija nebūs augstāka, ja palielināsim starojuma intensitāti, bet tā palielināsies, ja samazināsim tā frekvenci. Palielinot šo biežumu, mēs nonākam pie robežas, aiz kuras vielai nav fotoefekta - dažādām vielām šis līmenis ir atšķirīgs.
Einšteins spēja izskaidrot šīs parādības, par kurām viņam tika piešķirta Nobela prēmija. Tie ir saistīti ar enerģijas kvantēšanu - ar to, ka to var pārraidīt tikai noteiktas "mikrodaļas", kvantas. Katrs starojuma fotons nes noteiktu enerģiju, un, ja ar to pietiek, atoma elektrons, kas to absorbēja, izlidos brīvībā. Fotonu enerģija ir apgriezti proporcionāla viļņa garumam, un, kad tiek sasniegta fotoelektriskā efekta robeža, vairs nepietiek pat ar elektronu ievadīšanu ar minimālo enerģiju, kas nepieciešama atbrīvošanai. Mūsdienās šī parādība ir sastopama visur - saules paneļu veidā, kuru fotoelementi darbojas tieši uz šī efekta pamata.
Eksperimenti, interpretācijas, mistika
Sešdesmito gadu vidū Džons Bells sāka interesēties par nelocālisma problēmu kvantu mehānikā. Viņš varēja piedāvāt matemātisko bāzi pilnīgi iespējamam eksperimentam, kura beigām vajadzētu būt vienam no alternatīvajiem rezultātiem. Pirmais rezultāts "darbojās", ja patiešām tiek pārkāpts lokalitātes princips, otrais - ja galu galā tas vienmēr darbojas, un mums jāmeklē kāda cita teorija, lai aprakstītu daļiņu pasauli. Jau 70. gadu sākumā šādus eksperimentus veica Stjuarts Frīdmens un Džons Klausers, pēc tam Alains Aspans. Vienkārši sakot, uzdevums bija izveidot sapītu fotonu pārus un izmērīt to griezienus pa vienam. Statistikas novērojumi parādīja, ka griezieni nav brīvi, bet savstarpēji korelē. Kopš tā laika šādi eksperimenti ir veikti gandrīz nepārtraukti,precīzāk un pilnīgāk - un rezultāts ir tāds pats.
Jāpiebilst, ka joprojām nav skaidrs mehānisms, kas izskaidro kvantu iesaisti, ir tikai parādība - un skaidrojumi sniedz dažādas interpretācijas. Tādējādi daudzu pasaules kvantu mehānikas interpretācijā sapinušās daļiņas ir tikai vienas daļiņas iespējamo stāvokļu projekcijas citos paralēlajos Visumos. Darījuma interpretācijā šīs daļiņas ir saistītas ar laika viļņiem. "Kvantu mistiķiem" sapīšanās fenomens ir vēl viens iemesls uzskatīt pasaules paradoksālo pamatu kā veidu, kā izskaidrot visu nesaprotamo, sākot no pašām elementārajām daļiņām un beidzot ar cilvēka apziņu. Mistiķi var saprast: ja jūs par to domājat, tad sekas ir reibinošas.
Klausītāja-Frīdmena vienkāršais eksperiments norāda, ka var tikt pārkāpta fiziskās pasaules lokalitāte elementāro daļiņu mērogā, un pats realitātes pamats - līdz Einšteina šausmām - izrādās neskaidrs un nenoteikts. Tas nenozīmē, ka mijiedarbību vai informāciju var pārraidīt uzreiz, uz sapīšanās rēķina. Iesaistīto daļiņu atdalīšana telpā notiek ar normālu ātrumu, mērījumu rezultāti ir nejauši, un, kamēr mēs neizmērīsim vienu daļiņu, otra nesatur nekādu informāciju par turpmāko rezultātu. No otrās daļiņas saņēmēja viedokļa rezultāts ir pilnīgi nejaušs. Kāpēc tas viss mūs interesē?
Kā sapīties daļiņās: uzņemiet kristālu ar nelineārām optiskajām īpašībām - tas ir, tādu, kura gaismas mijiedarbība ir atkarīga no šīs gaismas intensitātes. Piemēram, litija triborāts, bārija beta borāts, kālija niobāts. Apstarojiet to ar piemērota viļņa garuma lāzeru, un lāzera starojuma augstas enerģijas fotoni dažreiz sadalīsies zemāku enerģijas sapinumu fotonu pāros (šo fenomenu sauc par "spontāno parametru izkliedi") un polarizējas perpendikulārās plaknēs. Atliek tikai saglabāt iesietās daļiņas neskartas un izkliedēt tās pēc iespējas tālāk.
Liekas, ka mēs nometām ābolu, runājot par nenoteiktības principu? Paceliet to un iemetiet to pret sienu - tas, protams, salūzīs, jo makrokosmā cits kvantu mehāniskais paradokss - tunelēšana - nedarbojas. Tunelēšanas laikā daļiņa spēj pārvarēt enerģijas barjeru, kas ir augstāka par pašas enerģijas daudzumu. Analoģija ar ābolu un sienu, protams, ir ļoti aptuvena, taču skaidra: tunelēšanas efekts ļauj fotoniem iekļūt atstarojošajā vidē, bet elektroniem - “ignorēt” tievo alumīnija oksīda plēvi, kas pārklāj vadus un faktiski ir dielektrisks.
Mūsu ikdienas loģika un klasiskās fizikas likumi nav ļoti piemērojami kvantu paradoksiem, taču tie joprojām darbojas un tiek plaši izmantoti tehnoloģijās. Šķiet, ka fiziķi (uz laiku) ir izlēmuši: pat ja mēs vēl pilnībā nezinām, kā tā darbojas, ieguvumus no tā var gūt jau šodien. Tuneļošanas efekts ir pamatā dažu modernu mikroshēmu darbībai - tuneļu diožu un tranzistoru, tuneļu krustojumu utt. Veidā. Un, protams, mēs nedrīkstam aizmirst par skenējošiem tuneļu mikroskopiem, kuros daļiņu tunelēšana nodrošina atsevišķu molekulu un atomu novērošanu - un pat manipulācijas. viņiem.
Sakari, teleportācija un satelīts
Patiešām, iedomāsimies, ka mēs esam “kvantu sapinuši” divus ābolus: ja pirmais ābols izrādās sarkans, tad otrais obligāti ir zaļš, un otrādi. Mēs varam nosūtīt vienu no Pēterburgas uz Maskavu, saglabājot viņu neskaidru stāvokli, bet tas, šķiet, bija viss. Tikai tad, kad Sanktpēterburgā ābolu mēra sarkanu, otrais Maskavā kļūs zaļš. Līdz mērīšanas brīdim nav iespējas paredzēt ābola stāvokli, jo (visi tie paši paradoksi!) Viņiem nav ļoti specifiska stāvokļa. Kāda ir šī saķeršanās pielietošana?.. Un jēga tika atrasta jau 2000. gados, kad Endrjū Jordāns un Aleksandrs Korotkovs, paļaujoties uz padomju fiziķu idejām, atrada veidu, kā izmērīt, it kā “līdz galam”, un tāpēc fiksēt daļiņu stāvokļus.
Izmantojot "vājo kvantu mērījumus", jūs it kā varat uzlūkot ābolu ar pusi acs, uztverot skatienu, mēģinot uzminēt tā krāsu. To var izdarīt atkal un atkal, faktiski neskatoties uz ābolu pareizi, bet diezgan pārliecinoši izlemiet, ka tas ir, piemēram, sarkans, kas nozīmē, ka Maskavā esošais ābols, kas sajaukts ar to, būs zaļš. Tas ļauj iepītās daļiņas izmantot atkal un atkal, un pirms apmēram 10 gadiem piedāvātās metodes ļauj tās uzglabāt, skrienot pa apli uz nenoteiktu laiku. Atliek nēsāt vienu no daļiņām prom - un iegūt ārkārtīgi noderīgu sistēmu.
Atklāti sakot, šķiet, ka sapinušās daļiņas ir daudz noderīgākas, nekā parasti domā, tikai mūsu niecīgā iztēle, kuru ierobežo viena un tā pati makroskopiskā realitātes skala, neļauj mums nākt klajā ar reālu to pielietojumu. Tomēr jau esošie priekšlikumi ir diezgan fantastiski. Tādējādi, pamatojoties uz sapinušajām daļiņām, ir iespējams organizēt kanālu kvantu teleportēšanai, pilnīgu viena objekta kvantu stāvokļa “nolasīšanu” un “ierakstīšanu” citā, it kā pirmie tiktu vienkārši pārnesti uz atbilstošu attālumu. Kvantu kriptogrāfijas izredzes ir reālākas, kuru algoritmi sola gandrīz "nesalaužamus" saziņas kanālus: jebkura iejaukšanās viņu darbā ietekmēs iepinušos daļiņu stāvokli un to tūlīt pamanīs īpašnieks. Šeit spēlē ķīniešu eksperiments QESS (Quantum Experiments at Space Scale).
Datori un satelīti
Problēma ir tā, ka uz Zemes ir grūti izveidot uzticamu savienojumu savijušām daļiņām, kas atrodas tālu viena no otras. Pat vismodernākajā optiskajā šķiedrā, caur kuru tiek pārraidīti fotoni, signāls pakāpeniski izgaist, un prasības pret to šeit ir īpaši augstas. Ķīniešu zinātnieki pat aprēķināja, ka, ja jūs izveidojat sapinušos fotonus un nosūta tos divos virzienos ar aptuveni 600 km gariem pleciem - pusi no attāluma no Dalinghe kvantu zinātnes centra līdz Šenženas un Lidžangas centriem -, tad jūs varat sagaidīt, ka noķertos sapinušos pāri varēs iegūt apmēram 30 tūkstoš gadus. Kosmoss ir cits jautājums, kura dziļajā vakuumā fotoni lido tik tālu, nesaskaroties ar šķēršļiem. Un tad uz skatuves nonāk eksperimentālais satelīts Mozi ("Mo-Tzu").
Uz kosmosa kuģa tika uzstādīts avots (lāzers un nelineārs kristāls), kurš katru sekundi ražoja vairākus miljonus sapītu fotonu pāri. Daži no šiem fotoniem no 500 līdz 1700 km attāluma tika nosūtīti uz zemes novērošanas centru Dalingē Tibetā, bet otrais - Šenženā un Lidžangā Ķīnas dienvidos. Kā varētu gaidīt, lielākais daļiņu zudums notika atmosfēras apakšējos slāņos, taču tas ir tikai apmēram 10 km no katra fotonu staru ceļa. Rezultātā sapinušos daļiņu kanāls sedza attālumu no Tibetas līdz valsts dienvidiem - apmēram 1200 km, un šā gada novembrī tika atvērta jauna līnija, kas savieno Anhui provinci austrumos ar centrālo Hubei provinci. Līdz šim kanālam trūkst uzticamības, taču tas jau ir jautājums par tehnoloģiju.
Tuvākajā laikā ķīnieši plāno palaist progresīvākus satelītus šādu kanālu organizēšanai un sola, ka drīz mēs redzēsim funkcionējošu kvantu savienojumu starp Pekinu un Briseli, faktiski, no viena kontinenta gala uz otru. Vēl viens "neiespējams" kvantu mehānikas paradokss sola kārtējo tehnoloģiju lēcienu.
Sergejs Vasiļjevs