Οι Φυσικές Επιστήμες στις αρχές του 21ου αιώνα. Μέρος Πέμπτο. Μετάδοση πληροφορίας σε μη τοπική σύνδεση. Η εμπλοκή δυο κβαντικών αντικειμένων.

της Δήμητρας Σπανού καθηγήτριας Χημικού

...κι ενώ η παλιά κατάρα  αγωνίζονταν

να κρατήσει τη μορφή της,

εμάς μας ολοκλήρωνε 

ένα άσπρο ντίντζιμαν στον ουρανό,

που ανέβαινε ακόμα ψηλότερα,΄

σε δρόμους , που δε μπορούσαμε 

να καταλάβουμε εντελώς 

( στοίχοι που γράφτηκαν από εμένα γύρω στο 2006 )

υπό κατασκευή

Α.  Μη τοπική σύνδεση κβαντικών αντικειμένων

Στην Υπέρθεση, είδαμε ότι, ένα κβαντικό σωματίδιο μπορεί να υφίσταται σε έναν συνδυασμό δυο ή περισσότερων καταστάσεων (κβαντικών συναρτήσεων) την ίδια χρονική στιγμή. Το αξιοθαύμασο στην υπέρθεση είναι ότι η κυματοσυνάρτηση που αποτελείται μπορεί να διαχωρίζεται και να συμβάλλει ξανά στον εαυτό της

Τι μπορεί όμως να συμβεί εάν πρόκειται για δυο αντικείμενα. Αποδείχθηκε ότι και  αντεικείμενα, είναι δυνατόν να συσχετιστούν έτσι, ώστε και οι ιδιότητές τους και οι τυχόν μεταβολές που υφίστανται να αλληλοεξαρτώνται,ακόμα κι αν διαχωριστούν και απομακρυνθούν πολύ. 

Η κατάσταση αυτή λέγεται κβαντική διεμπλοκή ή κβαντικός εναγκαλισμός και αποτελεί ίσως την σημαντικότερη ανακάλυψη του ανθρώπινης νόησης,  ικανής,  να αλλάξη εντελώς την ζωή του ανθρώπου.

Υπάρχουν τεχνικές με τις οποίες δημιουργούνται δυο εναγκαλισμένα κβαντικά αντικείμενα, μια εκ των οποίων είναι η χρησιμοποίηση ορισμένων κρυστάλλων που υφίστανται αποδιέγερση

Να θυμηθούμε την μη τοπικότητα   σε απλά κβαντικά σωματίδια

Στην Κβαντική μη τοπικότητα δυο κβαντικά σωματίδια  (που μπορεί να ειδωθούν σαν οι ξεχωριστές συνιστώσες της κυματοσυνάρτησης του ίδιου σωματιδίου) μπορούν να διατηρούν επαφή, όσο μακρυα κι αν βρίσκονται.

Η Κβαντική μη τοπικότητα οφείλεται στην κυματοσυνάρτηση και είναι χαρακτηριστικό του κβαντικού κόσμου. 

Αυτό όμως που δημιουργησε αξεπέραστα θεωρητικά προβλήματα και δημιούργησε αμφιβολίες για το όλο οικοδόμημα που ονομάστηκε κβαντομηχανική  είναι το εξής

Στην μη τοπική σύνδεση η μετάδοση της πληροφορίας είναι σε ορισμένες περιπτώσεις ακαριαία και σίγουρα ξεπερνά την ταχύτητα του φωτός. Αυτό αντιβαίνει βέβαια σε βασική αρχή της φυσικής σύμφωνα με την οποία το φως είναι η ανώτερη ταχύτητα που υπάρχει στο σύμπαν( θεωρία της σχετικότητας) από άρθρο  για την κβαντική μη τοπικότητα

Μια μεγάλη περίοδος αμφιβολιών και διαφωνιών γιατί :

Α. αφ ενός δέχονταν έως τότε το αξίωμα που έθεσε ο Αινστάιν ότι η ταχύτητα του φωτός είναι η  ανώτερη δυνατή στο σύμπαν και 

Β. δεν είχαν υποψιαστεί άλλον τρόπο μετάδοσης της πληροφορίας μεταξύ δυο απομακρυσμένων αντικειμένων παρά αυτόν την μεταβίβασης αυτής 

Αργότερα αλλά στις μέρες μας και τα δυο αυτά έχουν αμφισβητηθεί

Α. Ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός

μεταφέρω δημοσίευμα από

Κβαντική μη τοπικότητα : Στα επαναστατικά πειράματα του Ερβιν Λάσζλο διαβάζουμε :

Πειράματα που έγιναν στη δεκαετία του 1980 από τον Αλαίν Ασπέ (Alain Aspect) και τους συνεργάτες του, και επαναλήφθηκαν από τον Νίκολας Γκίζιν (Nicolas Gisin) το 1997, δείχνουν ότι η ταχύτητα με την οποία μεταδίδεται το φαινόμενο είναι ασύλληπτη. Στα πειράματα του Ασπέ η επικοινωνία ανάμεσα σε σωματίδια που απέχουν δώδεκα μέτρα εκτιμήθηκε ότι χρειάστηκε λιγότερο από ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, δηλαδή ήταν γύρω στις είκοσι φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός στον άδειο χώρο, και στο πείραμα του Γκίζιν σωματίδια που απείχαν δέκα χιλιόμετρα εμφανίστηκαν να επικοινωνούν 20.000 φορές ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, το υποτιθέμενο απαραβίαστο όριο ταχύτητας της θεωρίας της σχετικότητας. 

Παρ' όλα αυτά όμως, δεν μπορεί όμως να χρησιμοποιηθεί για την μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών σημάτων (οπότε θα παραβιάζονταν η θεωρία της σχετικότητας). 

Β. Ακαριαία μετάδοση πληροφορίας σε συσχετισμένα κβαντικά σωματίδια

Γ. Πείραμα μη τοπικής σύνδερης EPR

Πρόκειται για πείραμα μη τοπικότητας που έγινε το 1934-35 από  Einstein-Podolsky-Rosen, στο Princeton, όπου δυο κβαντικά αντικείμενα  (ηλεκτρόνια  ή φωτόνια ) εκπέμπονται από  την ίδια πηγή σε αντίθετες κατευθύνσεις. Τα ηλεκτρόνια έχουν αντίθετα spin τα οποία αντισταθμίζουν το ένα το άλλο. Είναι δυνατόν να γνωρίζουμε το άθροισμα ιδιοτήτων τους χωρίς να τις  επιμέρους ιδιότητες του κάθε ενός σωματιδίου.  Σύμφωνα με τον Αινστάιν τα σωματίδια εφ΄όσον προέρχονται από την ίδια πηγή έχουν συσχετισμένες ιδιότητες. Τα κβαντικά σωματίδια χωρίζονται και ταξιδεύουν. Όμως κάθε μέτρηση στο ένα αντικείμενο έχει ακαριαία επίδραση πάνω στο άλλο.Η συνάρτηση του δεύτερου απομακρυσμένου αντικειμένου καταρρέει στην συμπληρωματική συνάρτηση, ότι δηλαδή συμβαίνει, όταν με κάποιο τρόπο μετράμε ή παρατηρούμε ένα κβαντικό αντικείμενο. (και όπως συνέβη στο πρώτο κβαντικό αντικείμενομε την μέτρηση που κάναμε).. Άρα δεν χρειάζεται να επικαλεστούμε την ανταλλαγή κάποιου υπερφωτεινού σήματος που θα μετέφερε την πληροφορία από το ένα στο άλλο. . Το 1964 ο Ιρλανδός John Bell  πρότεινε την θεωρία ενός μέγιστου βαθμού συσχέτισης των δύο εμπλεκόμενων αντικειμένων κάτι σαν "κρυμμένες μεταβλητές" . Εφ όσον τα σωματίδια δεν μπορούσαν να γνωρίζουν εκ των προτέρων το είδος της επίδρασης (μέτρησης)  σε κάποιο από αυτά , υπάρχει τόση συνωμοτική προετοιμασία όση μπορούν να αφομοιώσουν, δηλαδή 

υπάρχει ένας μέγιστος βαθμός συσχέτισης ή συνεργασίας που δεν μπορούν να υπερβούν.

Η επιβεβαίωση της μη τοπικότητας ήρθε το 1982 από μια ομάδα φυσικών από το Παρίσι υπό τον Άλεν Ασπέκτ.

Χρησιμοποίησαν δυα φωτόνια που εκπέμφθηκαν κάθετα και τα πειραματικά αποτελέσματα ανέτρεψαν πολλές παραδοχές αλλά έδειξαν ότι στην η κβαντική μηχανική είναι στην πραγματικότητα μη τοπική ή όπως προτιμούσε να λέει ο Αινστάιν 

προυποθέτει μια "παράξενη δράση από απόσταση"

Τα αναμφίβολα φαινόμενα της μη τοπικότητας είναι επόμενο να φέρουν μεγάλη αμηχανία στην μειονότητα των σύγχρονων φυσικών που καταπιάστηκαν με αυτά και προτίμησαν να τα εξορήσουν στα πεδία των αφηρημένων μαθηματικών. Το υπολογιστικό μοντέλο (αλγόρυθμος) είναι τόσο ισχυρός που μπορεί και μόνος του να αποτελέσει μια πειστική εξήγηση.

Με την ευκαιρία ας θυμηθούμε τις συμμετρικές συναρτήσεις της περασμένης χιλιετίας ίσως κάτι να μπορούν μας δείξουν

3.2.3 ΣΥΜΜΕΤΡΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ ΟΡΙΣΜΟΣ:

f: A→R ονομάζεται συμμετρική ως προς το α (ή την ευθεία y=a) αν ισχύουν: 

(i) ∀ α-x∈A ⇔ α+x∈A και 

(ii) f(α-x)= f(α+x)

 ΟΡΙΣΜΟΣ: f: A→R ονομάζεται συμμετρική ως προς το σημείο 0 α (ή την ευθεία y=0)ή ΑΡΤΙΑ αν: (i) ∀ -x∈A ⇔ x∈A και 

(ii) f(-x)= f(x) 

ΟΡΙΣΜΟΣ: f: A→R ονομάζεται ΠΕΡΙΤΤΗ αν: (i) ∀ -x∈A ⇔ x∈A και (ii) f(-x)= -f(x)

Στην καθημερινή γλώσσα με τον όρο συμμετρικός εννοούμε ότι σε ένα αντικείμενο εάν αλλάζει το σχήμα του, αλλάζει το ίδιο και το σχήμα στο είδωλό του.

Στη γλώσσα των μαθηματικών η ιδέα της συμμετρίας είναι πολύ ισχυρή και έχει βοηθήσει τους φυσικούς στην μελέτη της κβαντικής θεωρίας.

Εμπλοκή Είναι η ιδέα δυο αντικειμένων ή δύο κβαντικών αντικειμένων που που παραμένουν σε (μη τοπική ) σύνδεση μεταξύ  τους

 Εμπλοκή κβαντικών αντικιμένων είναι όρος που χρησιμοποιήθηκε αρχικά από τον Στρέντιγκερ . Αποδεικνύεται πως σε δυο τέτοια αντικείμενα όσο κι αν απέχουν μεταξύ τους η μοίρα τους συνυφαίνεται. Εάν το ένα από τα δυο οδηγηθεί σε υπέρθεση (για παράδειγμα η συνάντηση μιας διπλής σχισμής), το δεύτερο θα οδηγηθεί επίσης σε υπέρθεση ταυτόχρονα. 

Με απλά πειράματα πιθανοτήτων αποδεικνύεται πως με την συσχέτισή τους  δυο απλά αντικειμενα (για παράδειγμα δυο ζάρια) αλληλοεπιρρεάζονται και συγχρονίζονται το ένα με το άλλο. Η πορεία τους εμφανίζει ομοιότητες που ξεφεύγουν από τους νόμους των πιθανοτήτων

Οι φυσικοί ισχυρίζονται πως στον κβαντικό κόσμο, υπάρχει επικοινωνία ακαριαία μεταξύ αντικειμένων που είναι χωρισμένα τοπικά. 

Είναι αποτέλεσμα της διαιρεμένης κυματοσυνάρτησης σε δυο βραχίονες (όπως αποδεικνύεται στο συμβαλόμετρο) που ακολουθούν διαφορετικές πορείες όμως η εξέλιξή τους είναι αλληλένδετη και μπορούν να διατηρούν επαφή όσο μακρυά κι αν βρίσκονται.

Στην εμπλοκή δυο κβαντικών αντικειμένων βασίζονται πολλά προηγμένα πειράματα γιά μελετη ανεξήγητων φαινομένων όπως 

Κβαντική τηλεμεταφορά Η κβαντική τηλεμεταφορά βασίζεται στο ιδιαίτερο φαινόμενο της «εμπλοκής», κατά το οποίο δύο κβαντικά αντικείμενα είναι συνδεδεμένα κατά τέτοιο τρόπο ώστε ανεξάρτητα της απόστασής τους, μία μέτρηση στο ένα, επηρεάζει τις ιδιότητες και του άλλου.. 

Β. Υπέρθεση σε μικροσκπικά και σε μακροσκοπικά αντικείμενα  

Η υπέρθεση ανικειμένων ευνοείται κυρίως σε μικροσκοπικά αντικείμενα και σε απομόνωση από το περιβάλλον

 Έτσι, τα μικροσκοπικά αντικείμενα γενικά απομονώνονται πιο εύκολα και διατηρούν περισσότερο την κβαντική τους συμπεριφορά. 

Εάν σύστημά μας βρίσκεται σε μια τέτοια υπέρθεση,  αν δεν μεσολαβήσει κάποια αλληλεπίδραση του συστήματος με το περιβάλλον, το σύστημα θα εξακολουθήσει να βρίσκεται σ' αυτή την υπέρθεση. 

Βρέθηκε  ότι οι σύμφωνες κβαντικές υπερθέσεις διαρκούν μόνο όσο παραμένουν "μυστικές" και απομονωμένες από το υπόλοιπο του κόσμου. (Wojciech Zurek, Zeh ) 

Στα μέχρι τώρα πειράματα  με μεγάλη προσπάθεια, μόνο μικροσκοπικά αντικείμενα  (όπως το τραμπουλόχαρτο είναι δύσκολο να βρεθούν σε υπέρθεση  με σημαντικές εξαιρέσεις 

Στο τραπουλόχαρτο (που είναι μακροσκοπικό και μη απομονωμένο αντικείμενο), που ισορροπεί στην κόψη του βρίσκεται σε μια υπέρθεση δύο καταστάσεων. Μιας που φαίνεται η φιγούρα του τραπουλόχαρτου και μιας που είναι η πίσω όψη του (με μπλε χρώμα στην εικόνα.)

Οι επιδράσεις από το περιβάλλον (αέρας, φωτόνια κ.λ.π.)  θα οδηγήσει εύκολα την κυματοσυνάρτηση της υπέρθεσης, σε κατάρευση

Αποσυνοχή κβαντικών σωματιδίων

Όταν το κβαντικό σύστημα δεν είναι πλέον απομονωμένο από το μακροσκοπικό περιβάλλον, η κυματοσυνάρτησή του εμπλέκεται  με την πολύπλοκη κατάσταση του περιβάλλοντος. Αν η σύζευξη με το εξωτερικό περιβάλλον είναι αρκετά ισχυρή, τότε η αρχική λεπτεπίλεπτη υπέρθεση χάνεται. Η αποσυνοχή είναι από τις ταχύτερες και αποτελεσματικότερες διεργασίες της φύσης

Ακολουθώντας τον von Neumann ([1955] 1996, σ. 351), η ορθόδοξη ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής αποπειράθηκε να λύσει το πρόβλημα εισάγοντας ένα αίτημα προβολής: κατά τη μέτρηση το σύστημα μεταπίπτει σε μια ιδιοκατάσταση του μετρουμένου μεγέθους και αυτή η διαδικασία («αναγωγή του διανύσματος κατάστασης») είναι στιγμιαία, ασυνεχής, μη ντετερμινιστική και μη αντιστρέψιμη

Κλείνοντας

 Ένα κβαντικό σωματίδιο αποτελεί την υπέρθεση πολλών ταυτόχρονα δυναμικών καταστάσεων  σε μια εξ ίσου δυναμική αλληλοεξέρτηση . Σε μια μέτρηση σύμφωνα με το αξίωμα της προβαλής, το σωματίδιο προβάλεται σε μια από τις καταστάσεις της υπέρθεσης και αυτό κάνει αδύνατο να λάβουμε όλες τις πληροφορίες γι αυτό.

Δήμητρα Σπανού

https://www.solon.org.gr/index.php/epistimes-anthropou/111-2008-07-15-18-39-07/4160-ta-epanastatika-peiramata-laszlo.html

physicsgg.me1023 × 157

https://users.sch.gr/apouliassis/Quantum%20Mechanics/epr.htm

oldykat.blogspot.com480 × 360