Jedną z najdziwniejszych koncepcji w mechanice kwantowej jest pojęcie “uwikłania”, lub “splątania”, w języku angielskim: Quantum entanglement, Quanglement [1].
Istnieje w mechanice kwantowej taki formalizm matematyczny związany z funkcją falową “psi” i jej równaniem podanym przez Erwina Schroedingera w roku 1935,którego interpretacja po dziś dzień – mimo istniejących eksperymentów pomiarowych- jest dyskusyjna i wywołuje poważne spory specjalistów.
Najpierw przedstawię ideę splątania kwantowego w wersji językowej dla humanistów.
Wyobraźmy sobie dwa obiekty kwantowe A i B [dwa fotony, dwa elektrony..]oddziaływujące ze sobą w jakimś układzie fizycznym. Następnie jeden z nich np. B oddalamy od A ,na tak dużą odległość ,żeby wolno nam było powiedzieć ,iż teraz te oddalone od siebie obiekty nie tworzą układu fizycznego.
Następnie wykonujemy jakąś operację fizyczną nad obiektem A ,zmieniając jego stan.
Okazuje się ,że stan obiektu kwantowego B uległ zmianie ! Wygląda na to, że kwantowy obiekt B jest w jakiś sposób nadal skorelowany z oddalonym fotonem A. Przy czym odnosi się wrażenie ,że reakcja B w postaci zmiany stanu jest natychmiastowa ,jednoczesna ze zmianą stanu A.
Mówimy ,iż mamy do czynienia ze “splątaniem kwantowym”.
Można na to dziwne zjawisko spojrzeć “okiem “ bardziej fachowym, zrozumiałym dla tych ,którzy specjalnie interesują się fizyką.
Termin “splątanie kwantowe” wprowadził do fizyki jako pierwszy - Ewin Schroedinger i go analitycznie opisał w pracach[2,3].
Erwin Schroedinger [ 1887 - 1961 ]
Jeżeli mamy układ dwóch co najmniej obiektów kwantowych (cząstek lub fotonów), to musimy równanie Schroedingera tak zmienić, by funkcja falowa “psi” opisywała cały układ, a nie każdy składnik z osobna. Będzie ona funkcją wielu zmiennych położeniowych (dla każdej cząstki 3 współrzędne, np. dla 2 cząstek przestrzeń konfiguracyjna stanów o 6 wymiarach) i będzie ewoluować w czasie jednolitym dla wszystkich cząstek (pożegnanie z niezmienniczością Lorentza w QED !].
I wystarczy, że jedna cząstka zmieni swój stan, a wszystkie pozostałe muszą natychmiast zmienić swoje stany kwantowe, gdyż rządzi nimi taka sama, jedna funkcja falowa.
Erwin Schroedinger natychmiast wyraził swoje zdumienie i zaniepokojenie, że z formalizmu matematycznego utworzonego przez niego, dla opisania zachowania kwantowych obiektów, wynikają dwa paskudne fakty:
1.wzajemny wpływ obiektów tworzących układ kwantowy, nie zależy od odległości między nimi, oraz że
2.wpływ ten był natychmiastowy, czyli oddziaływanie wzajemne (jeśli takowe jest) rozprzestrzeniało się z nieskończenie wielką prędkością.
Te dwa hipotetyczne fakty zadecydowały o tym ,że Erwin Schroedinger ubolewał nad tym ,iż los tak zrządził ,że to on był odkrywcą tak irracjonalnego zachowania się przyrody, a Albert Einstein umarł z głębokim przeświadczeniem ,że mechanika kwantowa nie jest zupełną teorią mikroświata, i - jak na razie zawiera według niego-ukryty, nieusuwalny defekt logiczny.
Albert Einsten nazywał to zjawisko : spooky action.
“Upiorne działanie” zostało eksperymentalnie potwierdzone w roku 1981.Grupa fizyków z Ecole Normale Superieure [ENS, Cachan] pod kierunkiem Alaina Aspecta [4] potwierdziła, w niezwykle trudnym technicznie eksperymencie, efekt splątania kwantowego. Dwa detektory fotonów były oddalone od siebie o ok.13 metrów, pomiędzy nimi -dokładnie pośrodku- znajdowała się próbka złożona z atomów wapnia w stanach energetycznych bardzo silnie pobudzonych.
Kiedy atom wapnia spontanicznie wraca do stanu o niższej energii, emituje dwa fotony przeciwbieżne o idealnie skorelowanych i zachowanych przez pewien czas spinach, a stan ten jest wykrywany przez detektory.
Alain Aspect [1947 - ]
Wykonywano n powtórzeń, zmieniając za każdym razem detektory między sobą i odkryto, że detektory nigdy nie zgadzają się ze sobą częściej niż 50 procent losowych ich ustawień. W momencie pomiaru spinu przez dowolny detektor, otrzymujemy losowo wynik pomiaru (dwa jednakowo prawdopodobne ustawienia spinów), dlaczego więc losowe wyniki cząstek znajdujących się w znacznej od siebie odległości, są ze sobą zgodne?
To tak, jakbyśmy rzucali dwiema kostkami do gry jednocześnie w Warszawie i Krakowie i losowe wyniki były zgodne. Matematyczna analiza sytuacji z zastosowaniem amplitudy prawdopodobieństw funkcji falowej “psi” dla przypadkowych przeciwnych kierunków spinów, przewiduje wynik dokładnie 50 % -wy ,czyli zgodność eksperymentu z teorią zdumiewająca i oznacza ,że cecha: spin dwóch identycznych obiektów odległych od siebie, jest uwspólniona (splątana ).
W istocie rzeczy stajemy przed dylematem: albo przekaz oddziaływania przez przestrzeń nie wymaga czasu, albo jest tak szybki ,że są trudności techniczne z pomiarem czasu jego trwania.
Zjawisko to sugeruje ,iż istnieje oddziaływanie pomiędzy obiektami kwantowymi ,które rozchodzi się z prędkością nieskończenie wielką, co przeczy zdecydowanie szczególnej teorii względności.
Juan Yin z zespołem z University of Science and technology w Szanghaju, opublikowali na początku marca bieżącego roku, raport z eksperymentu ,którego celem było właśnie zmierzenie prędkości owego ”upiornego działania” [5].
Grupa uczonych chińskich wcale nie “raczkuje” w tej dziedzinie. Już od kilku lat, Chińczycy bardzo aktywnie współpracują ze słynnym zespołem międzynarodowym kierowanym przez prof.A.Zeilingera w zakresie optyki kwantowej nieliniowej, teleportacji kwantowej, kryptografii kwantowej, oraz kwantowej informatyki.
W r.2010 samodzielnie teleportowali foton na odległość 16 km, a w maju 2012 na odległość 97 km. A teleportacja kwantowa jest pewnego rodzaju zastosowaniem technicznym splątania kwantowego[3].
Jest naturalnym więc dalszy postęp badawczy Chińczyków w dziedzinie splątania kwantowego i nic dziwnego ,że podjęli się doświadczalnego wykazania ,skończonej prędkości przekazu stanu kwantowego przez przestrzeń.
Idea ich eksperymentu jest taka.
Najpierw wytwarza się układ dwóch fotonów ,których parametry są skorelowane, a następnie rozdziela się je na dużą odległość[w eksperymencie- ok.15 km].
Przez dłuższy czas [12 godzin] na fotonie A wykonywano ciąg pomiarów stanów wybranego parametru i były zarejestrowane czasy aktów pomiarowych.
Fot. z pracy : [5]
Wiadomo ,że każdy akt pomiaru układu kwantowego jakim jest np. foton, zmienia w sposób przypadkowy stan układu .Czyli zmieniano stany układu kwantowego A w ściśle określonych czasach.
I okazało się, że foton B nadal jest splątany z fotonem A [mimo jego oddalenia na 15 km],bo jego stany ulegają zmianom, w tych właśnie momentach, kiedy zmieniano stan układu A.
Równoczesności jednak nie było !
Czasy zmian układu B były minimalnie[rzędu nanosekund] opóźnione w stosunku do czasów aktów zmian stanu układu A.
Stąd można było obliczyć prędkość przekazu splątania na drodze AB.
Jej wartość okazała się rzędu
10 000 * c !
Chińczycy pokazali eksperymentalnie ,że prędkość przemieszczania się splątania kwantowego jest skończona i bardzo wielka.
Kwestią jednak nadal otwartą jest problem interpretacji ,czym splątanie kwantowe jest i jakie konsekwencje teoriopoznawcze z jego natury wynikają.
Proponuję trzymać się Schroedingera, który był znakomicie wykształcony w dziedzinie logiki i filozofii. Istnieje pole[ i fale w nim] ,które powoduje splątanie wszystkiego ze wszystkim. Układ fizyczny jest bardziej realny ,od jego elementów.
Nasze pomiary ,z istoty swej i natury naszych umysłów - są lokalne , a tym samym ,stany i obiekty są mniej realne. Możemy mieć większą wiedzę i bardziej pewną o układach kwantowych obiektów ,aniżeli o obiektach odseparowanych.
Stan całego układu jest lepiej określony ,aniżeli stan jego części.
Jest to dziwna ontologia fizyki mikroświata ,ale splątanie kwantowe i tzw .nierówności Bella dowodzą jej prawdziwości [6].
Profesor Juan Yin sądzi ,iż prędkość przekazu w polu funkcji “psi” pojawia się ,gdy usiłujemy układy kwantowe odseparować. W rzeczywistości- jego zdaniem- separowalność jest wymuszana, wszechświat jest holistyczny i poza-przestrzenny.
”Gdybyśmy mieli większe możliwości techniczne pomiaru czasu, prędkość okazałaby się jeszcze większa, bo może jest nieograniczenie wielka”- dodaje Juan Yin.
Tymczasem przypominam sobie niepokojącą dla mnie uwagę Rogera Penrose[loc.cit.str.565],którą przytoczę w całości:
“jeżeli zgodnie z mechaniką kwantową, splątanie jest tak powszechnie obecnym zjawiskiem-przypomnijmy sobie ,że ogromna większość stanów kwantowych to stany splątane-jak to się dzieje ,że zjawiska tego prawie nie zauważamy w bezpośrednich obserwacjach otaczającego nas świata? Dlaczego nie natrafiamy na nie na każdym kroku?”
W tym miejscu wyrażę zdziwienie wobec takiej opinii. Na co dzień, nie w każdym kroku natrafiamy na mikroskopwe układy kwantowe. Świat makroskopowy, to masowe zjawisko uśrednienia statystycznego układów kwantowych ,z wyjątkiem urządzeń technologicznych elektroniki kwantowej ,gdzie stany kwantowe nie podlegają dekoherencji.
Jednak nie kto inny jak sam Roger Penrose, skłania się do hipotezy o kwantowej naturze procesów fizjologicznych w korze mózgowej [zob.7].
Wobec tego jawi się pytanie : czy nie występuje splątanie kwantowe między dwoma osobami pomiędzy dwoma stanami pamięci, uwagi, rozumowania i woli? Bardzo często gdy podejmę decyzję rozmowy telefonicznej z przyjacielem [lub bliską mi osobą-krewnym]to na początku realizowanej rozmowy dowiaduję się ,że właśnie on w tym momencie postanowił połączyć się ze mną!
Albo jakże często krewni, lub złączone miłością a oddalone przestrzennie dwie osoby, objawiają silną korelację stanów psychicznych i w przypadku katastrofy tragicznej jednej z nich[np. zgonu],druga ma silne zakłócenie stanu psychiki i pracy serca. Myślę ,że wizje zdarzeń odległych przestrzennie lub czasowo[wizje przyszłości ]muszą mieć tło przyczynowe w splątaniu kwantowym [jego specjalnych odmianach . zob.8].
Literatura
[1]R.Penrose,Droga do rzeczywistości,Warszawa,2007,str.557-581
[3]E.Schroedinger,Discussion of probability Relations Between separated Systems,Proceedings of the Cambridge Philosophical Science ,31,1935,s.555-662
[4] A. Aspect, P. Grangier, and G. Roger, Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedanken experiment: A New Violation of Bell's Inequalities, Physical Review Letters, Vol. 49,1982, pp. 91-94
[6] F.Seleri, Wielkie spory w fizyce kwantowej, WUG, Gdańsk,1999,str.127-160
[7] R.Penrose, Nowy umysł cesarza,PWN,Warszawa,1995,str.413-488
[8] A.Zeilinger and all,Experimental delayed-choice entanglement swapping,Nature Physics,Vol:8,2012,pages 479-484
