неделя, ноември 28, 2010

Изненадваща връзка между странни феномени: Принципът на несигурност на Хайзенберг поставя граници на „призрачното взаимодействие от разстояниe"



Ново изследване показва, че квантовата не-локалност, която Айнщайн нарекъл "призрачно действие от разстояние", всъщност е ограничена от принципът на несигурност на Хайзенберг. (Credit: iStockphoto)

ScienceDaily (Nov. 19, 2010) — Изследователи са разкрили фундаментална връзка между две определящи свойства в квантовата физика. Резултатът е разгласен като драматичен пробив в базовото ни разбиране на квантовата механика и предоставя нови улики на изследователите за разбирането на основите на квантовата теория. Резултата се отнася до въпроса защо квантовото поведение е така странно – а не повече от това.

Stephanie Wehner от Singapore's Centre for Quantum Technologies и National University of Singapore и Jonathan Oppenheim от United Kingdom's University of Cambridge са публикували работата си в последното издание на списание Science.

Странното поведение на квантовите частици, като атоми, електрони и фотони, е озадачавало учените близо век. Алберт Айнщайн е бил сред тези, които мислели квантовият свят за толкова странен, че най-вероятно квантовата теория би трябвало да е грешна, но експериментите потвърдиха предвижданията на теорията.

Един от странните аспекти на квантовата теория, е че е невъзможно да се знаят определени неща едновременно, също като кинетичната енергия и позицията на дадена частица. Знанието за едно от тези свойства влияе на точността, с която можем да научим за другата. Това е познато като „принципа на несигурност на Хайзенберг”.

Друг странен аспект е квантовият феномен на не-локалността, който произлиза от по-добре познатия феномен на вплитането/свързаността. Когато две квантови частици са свързани, те могат да изпълняват действия, все едно се координират една с друга по начини противоречащи на класическата интуиция за физическо разделени частици.

Преди това, изследователите са третирали не-локалността и несигурността като два отделни феномена. Сега Wehner и Oppenheim показаха, че те са свързани по сложен начин. Още повече, те показват, че тази връзка е количествена и са открили уравнение, което показва, че „количеството” не-локалност е определено от принципа на несигурността.

"Това е изненадваща и може би иронична чудатост," казва Oppenheim, колега от Royal Society University от Department of Applied Mathematics & Theoretical Physics в университета в Кеймбридж. Айнщайн и колегите му са открили не-локалността докато са търсили начин да разклатят основите на принципа на несигурността. "Сега принципа на несигурността изглежда отвръща на удара."

Не-локалността определя колко добре две отдалечени частици могат да координират действията си без да изпращат информация една на друга. Физиците вярват, че дори в квантовата механика, информацията не може да пътува по-бързо от светлината. Обаче, се оказва, че квантовата механика позволява на две частици да се координират много по-добре отколкото е възможно при законите на класическата физика. В действителност, техните действия могат да бъдат координирани по начин, който почти изглежда, че все едно те могат да говорят. Айнщайн е нарекъл този феномен „призрачно взаимодействие от разстояние.”

Квантовата не-локалност обаче, може да бъде по призрачна отколкото всъщност е. Имаме теории, които позволяват отдалечени частици да координират действията си, по-добре отколкото природата позволява, като все пак не позволяват на информацията да пътува по-бързо от светлината. Природата може да бъде по-странна, но изглежда, че не е – квантовата теория изглежда налага някаква допълнителна граница на странността.

"Квантовата теория е доста странна, но не е толкова странна, колкото би могла да бъде. Ние наистина трябва да попитаме себе си, защо квантовата механика е така ограничена? Защо природата не позволява дори по-силна не-локалност?” казва Oppenheim.

Изненадващият резултат според Wehner Oppenheim, е че принципът на несигурността ни дава отговор. Две частици могат да координират действията си само ако нарушат принципа на несигурността, което налага стриктна граница на това, колко силна може да бъде не-локалността.

"Би било страхотно ако можехме по-добре да координираме действията си на големи разстояния, позволявайки ни да разрешим ефективно много задачи свързани с обработка на информация," казва Wehner. "Физиката, обаче би била фундаментално различна. Ако нарушим принципа на несигурността, нямаме представа как би изглеждал нашия свят."

Как изследователите са открили връзка, която е стояла толкова дълго време незабелязана? Преди да влезе в академията, Wehner е работел като ‘наемен компютърен хакер’, и сега работи в квантово информационната теория, докато Oppenheim е физик. Wehner мисли, че прилагането на техники от компютърната наука към законите на теоретичната физика е било ключът към забелязването на връзката. "Мисля, че една от важните идеи беше да се зададе въпросът като кодиращ проблем," казва Wehner. "Традиционното третиране на проблема замъглява погледа и възможността да се види връзката между двете идеи."

Wehner и Oppenheim обработват квантовия феномен така, че той да бъде познат на комппютърен хакер. Те третират не-локалността като резултат от една страна, Алис, създаваща и кодираща информация и втора страна, Боб, получаваща информация от кодирането. Колко добре Алис и Боб ще кодират и получават информация зависи от несигурността. В някои ситуации, те са открили, че трето свойство, познато като „насочване” се появява в цялата картинка.

Wehner и Oppenheim сравняват откритието си като разкриването на това, какво определя, колко лесно два играча могат да победят квантова игра на дъска (шах, табла): дъската има само 2 квадратчета, на които Алис, може да сложи 2 пула с различни цветове: зелен и розов. Тя може да сложи 2 пула с еднакви цветове или различни. Боб трябва да познае, какъв цвят е сложила Алис в първото или второто квадратче. Ако предположението е правилно, Алис и Боб печелят играта. Ясно е, че Алис и Боб биха могли да спечелят играта ако могат да говорят един с друг: Алис просто ще каже на Боб, какви цветове има на двете квадратчета. Но Боб и Алис са разположени толкова далече един от друг, че светлината – и следователно сигналът носещ информация – няма време да преодолее разстоянието между тях по време на играта.

Ако те не могат да говорят, няма да могат постоянно да печелят, но измервайки квантовите частици, те могат да спечелват играта по-често, от която и да е стратегия не разчитаща на квантовата теория. Обаче, принципът на несигурността им пречи да го правят по какъвто и по-добър начин, и определя дори колко често те губят играта.

Откритието носи дълбокия въпрос на какви принципи лежи квантовата физика. Много опити за разбирането на опорите на квантовата физика са се фокусирали върху не-локалността. Wehner мисли, че може да извлечем повече полза от изучаването на детайлите на принципа на несигурността. „Обаче, ние едвам сега одраскваме повърхнотта, разбирайки връзките с несигурността,” казва тя.

Източник: ScienceDaily

Още информация: Квантовата странност на Вселената ограничава сама себе си

Не-локалност

Принципът на несигурност на Хайзенберг

Изследването на Wehner и Oppenheim можете да изтеглите оттук

Няма коментари:

Публикуване на коментар