Το φετινό βραβείο Νόμπελ σε αυτούς που διέψευσαν τον Αϊνστάιν

Το φετινό βραβείο Νόμπελ Φυσικής δόθηκε στον Αμερικάνο John Clauser (1942), στον Αυστριακό ( 1945) Anton Zeilinger  και στον Γάλλο Φυσικό Alain Aspect (1947) 

 

Η ιστορία ξεκινάει από τότε σχεδόν που διατυπώθηκε η κβαντική θεωρία. Από την μία μεριά ο Αϊνστάιν και από την άλλη ο Μπορ ( ο κύριος αντιπρόσωπος της σχολής της Κοπεγχάγης) διαφωνούσαν όσον αφορά την ερμηνεία της κβαντικής θεωρίας. Διαφωνούσαν για την ρεαλιστικότητα ( αιτιοκρατία ) και την τοπικότητα της θεωρίας. Ο Αϊνστάιν και η ομάδα του πίστευε ότι η διατύπωση της κβαντικής θεωρίας είναι ελλιπής. Μία σωστή και ολοκληρωμένη επιστημονική θεωρία πρέπει να είναι και αιτιοκρατική και τοπική. Αντίθετα η ομάδα του Μπορ πίστευε ότι μία επιστημονική θεωρία μπορεί να μην είναι ούτε αιτιοκρατική, ούτε και τοπική χωρίς αυτό να σημαίνει ότι είναι λανθασμένη ή ελλιπής. Η διαμάχη αυτή μπορεί να συνοψιστεί με τον παρακάτω διάλογο:

– Αϊνστάιν: Δεν είναι δυνατό ο Θεός να παίζει ζάρια

– Μπορ:      Δεν θα πείτε εσείς κε Αϊνστάιν τι θα κάνει ο Θεός.

Αλλά για να δούμε τι σημαίνει αιτιοκρατική θεωρία. Μία θεωρία λέγεται αιτιοκρατική-ρεαλιστική αν το ίδιο ακριβώς αίτιο φέρνει κάθε φορά το ίδιο αποτέλεσμα. Αυτό στην κβαντική θεωρία φαίνεται να παραβιάζεται. Ας αναφερθούμε στο φαινόμενο της ραδιενεργούς διάσπασης και ας πάρουμε έναν ραδιενεργό πυρήνα με χρόνο ημιζωής 10 λεπτά. Αυτό σημαίνει ότι αν είχαμε πάρα πολλούς τέτοιους ραδιενεργούς πυρήνες, σε 10 λεπτά θα είχαν διασπαστεί στατιστικά οι μισοί. Για τον έναν όμως δεν μπορούμε να πούμε απολύτως τίποτα. Μπορεί να διασπαστεί στο επόμενο λεπτό, ώρα μέρα ή χρόνο.

Ο Αϊνστάιν πίστευε ότι αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν γνωρίζουμε όλες τις λεπτομέρειες για τον κάθε πυρήνα. Αν τις γνωρίζαμε, τότε θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε με ακρίβεια πότε ακριβώς θα διασπαστεί. Πίστευε δηλαδή στην ύπαρξη κάποιων κρυμμένων μεταβλητών. Με άλλα λόγια φανταζόταν το φαινόμενο της διάσπασης σαν αυτό που συμβαίνει σ’ ένα εκκολαπτήριο. Όταν έρθει η ώρα,  σπάει το κάθε αυγό και βγαίνει ένα νεογέννητο πουλάκι. Παρατηρώντας όμως το εκκολαπτήριο μία δεδομένη στιγμή δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ποιο αυγό θα σπάσει. Γνωρίζουμε όμως στατιστικά τι θα συμβεί τις επόμενες ώρες. Αν βέβαια είχαμε μία συσκευή ακτίνων X ώστε να μπορούσαμε να δούμε τι συμβαίνει μέσα στο κάθε αυγό, τότε θα μπορούσαμε ίσως και να προβλέψουμε ποιο αυγό έχει σειρά να σπάσει.

Αντίθετα ο Μπορ πίστευε ότι η τυχαιότητα με την οποία διασπάται ένας πυρήνας ή ένα αυγό στο παραπάνω παράδειγμά μας, είναι ενδογενής ιδιότητα της φύσης. Σε καμία περίπτωση δεν μπορούμε να βρούμε πληροφορίες ώστε να μπορούμε με βεβαιότητα να μιλήσουμε για την εξέλιξη του φαινομένου. Δηλαδή δεν πίστευε στην ύπαρξη κρυμμένων μεταβλητών.

Η δεύτερη διαφωνία τους είχε σχέση με την τοπικότητα μίας φυσικής θεωρίας. Μία θεωρία δεν είναι τοπική όταν μία ενέργεια εδώ μπορεί να επηρεάσει ακαριαία κάτι που βρίσκεται εκεί. Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας μας λέει ότι τίποτα στη φύση δεν μπορεί να μεταδοθεί ακαριαία. Άρα είναι λογικό να καταλάβουμε γιατί ο Αϊστάιν πίστευε ότι δεν μπορεί να υπάρχει μία σωστή Φυσική θεωρία που να παραβιάζει την τοπικότητα. Αντίθετα ο Μπορ πίστευε ότι η Κβαντική Θεωρία παραβιάζει την τοπικότητα. Η παραβίαση αυτή ίσως να μην σημαίνει ότι κάποιο σωματίδιο μεταφέρθηκε από εδώ εκεί. Επομένως η παραβίαση της τοπικότητας δεν σημαίνει απαραίτητα και παραβίαση της Θεωρίας της Σχετικότητας.

Η τελευταία προσπάθεια του Αϊνστάιν και της ομάδας του για την υπεράσπιση των θέσεών τους σχετικά με τη μη παραβίαση της τοπικότητας ήταν το 1935 με τη δημοσίευση ενός παράδοξου που έχει μείνει με το όνομα “παράδοξο EPR” από τα ονόματα των δημιουργών του Αϊνστάιν, Ποντόλσκι (Podolsky) και Ρόζεν (Rosen). Το παράδοξο αναφέρεται σε ένα νοητικό πείραμα που λέει το εξής: Έστω ότι έχουμε ένα σύστημα από δύο σωματίδια με αρχική στροφορμή μηδέν. Διαχωρίζονται τα σωματίδια και ταξιδεύουν. Τα σωματίδια αυτά περιγράφονται από μία κυματοσυνάρτηση και όχι από δύο, την κυματοσυνάρτηση του αρχικού συστήματος. ( φαινόμενο διεμπλοκής ). Τότε όμως μετρώντας την στροφορμή του ενός εδώ θα γνωρίζουμε ακαριαία και την στροφορμή του άλλου σωματιδίου που είναι εκεί, αφού θα πρέπει οι στροφορμές να είναι πάντα αντίθετες. Άρα είχαμε μία ακαριαία μετάδοση πληροφορίας, πράγμα άτοπο. Με πιο απλά λόγια ο Αϊνστάιν πίστευε ότι με το διαχωρισμό των σωματιδίων το καθένα έχει ένα συγκεκριμένο σπιν. Η θεωρία μας επειδή είναι ελλιπής δεν γνωρίζει το σπιν του κάθε σωματιδίου. Κάνοντας ένα πείραμα μπορούμε να το μάθουμε. Η τιμή όμως του σπιν είναι προκαθορισμένη. Αλλιώς θα οδηγούσε σε κατάρρευση της τοπικότητας. Ο Μπορ από την άλλη πίστευε ότι μπορεί να υπάρχει το φαινόμενο της διεμπλοκής χωρίς αυτό να σημαίνει και παραβίαση της Αρχής της σχετικότητας. Πίστευε δηλαδή ότι με το διαχωρισμό των σωματιδίων το κάθε σωματίδιο δεν έχει κάποιο συγκεκριμένο σπιν. Η τιμή του σπιν δεν προσδιορίζεται αλλά καθορίζεται από τη μέτρηση. Έτσι όταν μετράμε το σπιν εδώ επηρεάζουμε την τιμή του σπιν στο άλλο σωματίδιο που είναι εκεί. 

Επειδή για πολλά χρόνια δεν μπορούσαν να γίνουν πειράματα που να επαληθεύουν τη μία ή την άλλη άποψη, γι αυτό η διαμάχη είχε μείνει σε φιλοσοφικό επίπεδο.

Η μεγάλη εξέλιξη σ’ αυτή τη διαμάχη διατελέστηκε στις αρχές της δεκαετίας του 60 από τον Ιρλανδό Φυσικό Μπελ που αν ζούσε θα συμπεριλαμβανόταν σίγουρα στους βραβευμένους επιστήμονες. Ο Μπελ με μαθηματικούς συλλογισμούς και όχι με κάποια πειράματα κατέληξε σε μία ανισότητα που αν παραβιαζόταν θα οδηγούσε στο συμπέρασμα ότι ο Αϊνστάιν είχε άδικο. Η ανισότητα του Μπελ βελτιώθηκε και επεκτάθηκε από τους Clauser και Zeilinger. Στις αρχές της δεκαετίας του 80 ο Aspect μπόρεσε πειραματικά να ελέγξει τις ανισότητες και να δώσει ένα οριστικό τέλος στη μεγάλη διαμάχη. Νικητής ο Μπορ. Ο Αϊστάιν είχε άδικο. Στη κβαντομηχανική οι  φυσικοί νόμοι δεν διατηρούν ούτε την αιτιότητα  ούτε την τοπικότητα.

Από τότε άνοιξαν νέοι ορίζοντες για την επιστήμη και την τεχνολογία. Η προσπάθεια δημιουργίας κβαντικών υπολογιστών, η ανάπτυξη πιο δυνατών κωδικών ασφαλείας, η δημιουργία των qbits και της νέας κβαντικής θεωρίας της πληροφορίας έχει χαράξει νέους ορίζοντες. Κανείς δεν μπορεί να προβλέψει το μέλλον στην τεχνολογία των επικοινωνιών και όχι μόνο. Σίγουρα πάντως μιλάμε για τη δεύτερη κβαντική επανάσταση.

Loading

Subscribe
Ειδοποίηση για
24 Σχόλια
Inline Feedbacks
Όλα τα σχόλια
Αποστόλης Παπάζογλου
Διαχειριστής

Καλημέρα Πάνο. Σε ευχαριστούμε για τη σύνοψη μιας ιστορίας, που οδήγησε στο φετινό Νόμπελ Φυσικής. Διαβάζουμε στη wikipedia για τον John Bell: “Bell died unexpectedly in Geneva in 1990. It is widely said that, unknown to Bell, that year he had been nominated for a Nobel Prize”. Ψάχνοντας στο διαδίκτυο, βρήκα κάτι συναφές.

Θεόδωρος Πανέτας
05/10/2022 1:56 ΜΜ

Παναγιώτη ,πάρα πολύ καλή και κατανοητή η ανάρτησή σου.

Γιάννης Φιορεντίνος

Καλησπέρα σε όλους.
Πάνο εξαιρετικό κείμενο. Συγχαρητήρια!

Παναγιώτης Καραγιάννης

Ευχαριστούμε για την παρουσίαση του καταπληκτικού αυτού θέματος ! Το παρακολουθώ από τα φοιτητικά μου χρόνια και από πολλούς θεωρείται η συναρπαστικότερη και πιο αναπάντεχη ανακάλυψη του αιώνα που πέρασε. Συνοψιζω κι εγώ

  • Οι Einstein Podolsky Rosen φτιάχνουν ένα νοητικό πείραμα στο οποίο η κβαντομηχανική εμφανίζεται κατάφωρα να παραβιάζει την τοπικότητα. Σύμφωνα με τους φυσικούς αυτούς το πιο λογικό ήταν να φανταστούμε ότι μέσα στα σωματίδια υπήρχαν κρυμμένες μεταβλητές και που λειτουργούσαν με τέτοιο τρόπο που να αναπαράγουν τους γνωστούς τύπους της κβαντομηχανικής. Εδώ είναι σημαντικό να πούμε ότι στο πείραμα αυτό ΔΕΝ έγινε μεταβίβαση πληροφορίας με υπερφωτεινή ταχύτητα. Άρα ΔΕΝ παραβιάστηκε η θεωρία της σχετικότητας. Το ερώτημα ήταν φιλοσοφικό γιατί πιστευόταν ότι θα η κβαντομηχανική θα μπορούσε να “προσομοιωθεί” με μια θεωρία κρυμμένων μεταβλητών που πειραματικά δηλαδή θα ήταν ολοιδια με την κβαντομηχανική.
  • Το ερώτημα παύει να είναι φιλοσοφικό όταν ό Bell(1964) δημοσιεύει το διάσημο paper στο οποίο αποδεικνύεται με εντυπωσιακό τρόπο ότι καμιά θεωρία τοπικων κρυμμένων μεταβλητών οσο περιτεχνα κι αν ειναι σχεδιασμένη δεν μπορει να “προσωμοιωσει” την κβαντομηχανική. Αυτό σημαίνει ότι πειραματικά μπορούμε να ξεχωρίσουμε ποιά θεωρία περιγράφει την πραγματικότητα και ποιά όχι.
  • Το θέμα ήταν και είναι πολύ σοβαρό και από τότε έχουν γίνει πάμπολλα πειράματα και πάντα νικητής είναι κβαντομηχανική θεωρία. Αυτό θα στεναχωρούσε πιθανότατα τον Einstein και σίγουρα στεναχώρησε τον ίδιο τον John Stewart Bell !

Προτείνω ανεπιφύλακτα το “‎Κβαντομηχανική: πλάνη ή πραγματικότητα;” του Rae Alaster που αν και παλιό περιγράφει περίτεχνα το θέμα

Ραμαντάς Άρης
05/10/2022 8:47 ΜΜ

Παναγιώτη ευχαριστούμε για την ανάδειξη της μεγαλύτερης διαμάχης στον τομέα της φυσικής. Μιας διαμάχης ντετερμινιστων με επικεφαλής τον Einstein και ιντετερμινιστών της σχολής της Κοπεγχάγης με επικεφαλής τον Bohr που κράτησε κοντά 50 χρόνια. Βέβαι να τονίσουμε ότι σε μία “σύγκρουση” επιστημόνων τέτοιου διαμετρήματος είναι μίζερο να μιλάμε για νικητές και ηττημένους, νικητής τελικά ήταν η φυσική. Σαν λάτρης της ιστορίας της επιστήμης να συμπληρώσω μερικά στοιχεία. Η ιστορική φράση του Einstein για το Θεό και τα ζάρια είναι καταγεγραμμένη σε επιστολή του Einstein στον καλό του φίλο Max Born(υπάρχει σε βιβλίο που εξέδωσε η κόρη του Born) τo 1926 όταν δημοσιοποίησε την περίφημη πυκνότητα πιθανότητας και έθετε μαζί με τον συνεργάτη του Heisenberg τα θεμέλια της κβαντικής μηχανικής. Παραλλαγές της φράσης χρησιμοποίησε ο Einstein πολλές φορές μέχρι το θάνατό του. Το 1927 το περίφημο συνέδριο του Solvay, με συμμετέχοντες που σε πιάνει δέος, σημαδεύτηκε από την αντιπαράθεση Einstein – Bohr πάνω στην ερμηνεία Heisenberg – Born. Η απάντηση του Bohr στην περίφημη φράση μάλλον δόθηκε στο συνέδριο.
Για την ιστορία τόσο ο Einstein όσο και ο Bohr ήταν άθεοι. Σε μία από τις πολλές επιστολές του Einstein η οποία πουλήθηκε 2892500 $ απο τον οίκο Christie’s αναγράφεται “για μένα ο θεός δεν είναι παρά η έκφραση και το προιόν της ανθρώπινης αδυναμίας” . Λίγο πριν πεθάνει ερωτηθείς απο φοιτητές αν πιστεύει στο θεό είπε ” πιστεύω στο θεό του Σπινόζα” δηλαδή κάτι σαν τη φράση του Καναδού αστροφυσικού Hubert Reeves μεταγενέστερα ” ο άνθρωπος είναι το πιο παράλογο ον. Λατρεύει έναν αόρατο θεό και καταστρέφει μία ορατή φύση, χωρίς να γνωρίζει ότι η φύση που καταστρέφει είναι ο θεός που λατρεύει”.
Τελος θέση για το …τάβλι του θεού πήρε θέση και ο Stephen Hawking λέγοντας σε διάλλεξή του ότι ο θεός παίζει συνεχώς ζάρια και μάλιστα είναι αψογος …τζογαδόρος.
Να είσαι καλά.

Στάθης Λεβέτας
Αρχισυντάκτης
05/10/2022 9:47 ΜΜ

Καλησπέρα Πάνο, καλησπέρα συνάδελφοι.
Διαβάζοντας τα παραπάνω πολύ ενδιαφέροντα της ανάρτησης και των σχολίων για το Νόμπελ και για την διαμάχη Bohr -Einstein, σκέφτηκα το εξής:
Έστω ότι δίναμε το παρακάτω ερωτηματολόγιο σχετικά με την κβαντική θεωρία:

  1. Πιστεύετε ότι η κβαντική θεωρία κατάργησε την ισχύ της αιτιοκρατίας στην φύση;
  2. Πιστεύετε ότι σύμφωνα με την κβαντική θεωρία μπορεί ένα φυσικό σύστημα να διαμορφώσει ακαριαία ένα άλλο σε πολύ μεγάλη απόσταση;
  3. Πιστεύετε ότι σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, ένα φυσικό σύστημα μπορεί να βρίσκεται ταυτόχρονα σε δύο θέσεις ή σε δύο καταστάσεις;
  4. Πιστεύετε ότι η γάτα είναι ταυτόχρονα ζωντανή -νεκρή, πριν ανοίξουμε το κουτί;
  5. Πιστεύετε ότι σύμφωνα με την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης μέσω της παρατήρησης, ο παρατηρητής μπορεί να διαμορφώσει την πραγματικότητα μέσω της παρατήρησης (υπάρχει όντως η σελήνη όταν κανείς δεν την παρατηρεί);

Ποιες θα ήταν άραγε οι απαντήσεις που θα δίναμε;
Οι ερωτήσεις θεωρώ πως δεν είναι ούτε εύκολες ούτε αθώες…
Πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί στο πώς θα διδάξουμε τα της κβαντικής και στο τι απόηχο θα αφήσει η διδασκαλία μας στα παιδιά, ειδικά σήμερα με τα κβαντικά θέατρα να καραδοκούν…

Ραμαντάς Άρης
05/10/2022 10:37 ΜΜ
Απάντηση σε  Στάθης Λεβέτας

Στάθη εκτός από κβαντική δίαιτα, κβαντική γυμναστική, κβαντική συνείδηση κλπ κλπ, χρειάζεται σίγουρα κβαντική διδασκαλία αλλιώς μαζί με την κυματοσυναρτηση θα καταρρεύσει και η ίδια η φυσική.

Αρης Αλεβίζος
Αρχισυντάκτης
06/10/2022 12:37 ΠΜ

 
Γεια σου Πάνο.

Πολύ διαφωτιστική, με βάση το φετινό Νόμπελ φυσικής, η ιστορική αναδρομή σου για το θέμα της φύσης της κβαντομηχανικής.

Θέλω να διατυπώσω κάποιες σκέψεις μου βοηθούμενος από την ίδια την επιτροπή του βραβείου και κάποιους που έχουν μελετήσει το θέμα.

Τα γεγονότα έχουν ως εξής, κατά την γνώμη μου.

Στο Τανυστικό Γινόμενο Διανυσματικών Χώρων υπάρχουν διανύσματα Αδιαχώριστα (δεν γράφονται ως Τανυστικό Γινόμενο επι μέρους διανυσμάτων). Αυτά τα Διανύσματα καλούνται Διεμπλεγμένα. Εύκολα κατασκευάζονται ορθοκανονικές βάσεις Διεμπλεγμένων Διανυσμάτων. Η μαθηματική δυνατότης των Διεμπλεγμένων Διανυσμάτων συνεπάγεται το αλλόκοτο φαινόμενο της Τηλεμεταφοράς, το οποίο χρησιμοποίησε ο Einstein για να κάνει κριτική στην Κβαντικη Θεωρια. Ωστόσο, η Διεμπλοκή και η Τηλεμεταφορά επιβεβαιώθηκαν πλήρως πειραματικά και αποτελούν τον κύριο πόρο των Κβαντικών Επεξεργαστών. Η Εκτίμηση του βαθμού Διεμπλοκής, οι Τελεστές Διεμπλοκής και Απεμπλοκής (Πύλες, Δίαυλοι) και τα Δίκτυα Διεμπλεκόμενων Συστημάτων αποτελούν σήμερα τα εργαλεία των κβαντικών υπολογιστών.

Καταλήγεις εσύ στο κείμενό σου «Στη κβαντομηχανική οι φυσικοί νόμοι δεν διατηρούν ούτε την αιτιότητα ούτε την τοπικότητα.»

Τα κείμενα της επιτροπής που δίνει τα Νόμπελ θεωρώ είναι λιγότερο «σκληρά»

Στοκείμενο εδώ https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/advanced-physicsprize2022.pdf που αφορά ενημέρωση των ειδικών διαβάζουμε

Για την θεωρία του Bohm.

«Πρόκειται για μια πλήρως ντετερμινιστική θεωρία που αναπαράγει τα αποτελέσματα της μη σχετικιστικής κβαντομηχανικής, αλλά με το τίμημα της μη-τοπικότητας.»

Στη συνέχεια του ίδιου κειμένου έχουμε.

«Ο Βορειοϊρλανδός φυσικός Τζον Στιούαρτ Μπελ (1928-1990), εξέτασε προσεκτικότερα το πρόβλημα. Ανακάλυψε ότι υπάρχει ένας τύπος πειράματος που μπορεί να καθορίσει αν ο κόσμος είναι αμιγώς κβαντομηχανικός ή αν θα μπορούσε να υπάρχει μια άλλη περιγραφή με κρυφές μεταβλητές. Αν το πείραμά του επαναληφθεί πολλές φορές, όλες οι θεωρίες με κρυφές μεταβλητές παρουσιάζουν μια συσχέτιση μεταξύ των αποτελεσμάτων που πρέπει να είναι χαμηλότερη από ή το πολύ ίση με μια συγκεκριμένη τιμή. Αυτό ονομάζεται ανισότητα του Bell.

………………….

παραβιάζουν μια ανισότητα Bell και έχουν ισχυρότερη συσχέτιση από ό,τι θα είχαν αν τα αποτελέσματα διέπονταν από κρυφές μεταβλητές

………………………..

Ωστόσο, η κβαντομηχανική μπορεί να παραβιάσει αυτή την ανισότητα. Προβλέπει υψηλότερες τιμές για τη συσχέτιση μεταξύ των αποτελεσμάτων από ό,τι είναι δυνατόν μέσω των κρυφών μεταβλητών

Δηλαδή επαναλαμβάνει ότι τα πειράματα και γενικά οι εργασίες των βραβευομένων δείχνουν ότι η κβαντομηχανική δεν περιέχει κρυφές μεταβλητές. Δηλαδή ότι η άποψη του Einstein. περί κρυμμένων μεταβλητών ήταν λανθασμένη.

Σημειώνω ότι πουθενά στο κείμενο δεν υπάρχει καν η λέξη causality (αιτιότητα).

Και η γνώμη ενός ειδικού για τους κβαντικούς υπολογιστές, πολύ ωφελιμιστική, είναι αλήθεια.
εδώ

«Για τους κβαντικούς υπολογιστές η κβαντική διεμπλοκή είναι ένας φυσικός πόρος, όπως η ενέργεια, τον οποίο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να εκτελέσουμε κβαντικούς υπολογισμούς και να αναπτύξουμε κβαντικούς αλγορίθμους. Αυτό που έχει δηλαδή σημασία, δεν είναι να κατανοήσουμε τη φύση της κβαντικής διεμπλοκής (πράγμα που είναι ίσως αδύνατο), αλλά να μάθουμε να την παράγουμε και να τη χρησιμοποιούμε.»

Τελευταία διόρθωση1 έτος πριν από Αρης Αλεβίζος
Στάθης Λεβέτας
Αρχισυντάκτης
06/10/2022 7:59 ΠΜ
Απάντηση σε  Αρης Αλεβίζος

Καλημέρα Άρη
Να εστιάσω σε ένα σημείο της παρέμβασής σου το οποίο απαντά και στο δεύτερο ερώτημα που έθεσα παραπάνω. Αναφέρεις:

“…Αν το πείραμά του επαναληφθεί πολλές φορές, όλες οι θεωρίες με κρυφές μεταβλητές παρουσιάζουν μια συσχέτιση μεταξύ των αποτελεσμάτων που πρέπει να είναι χαμηλότερη από ή το πολύ ίση με μια συγκεκριμένη τιμή. Αυτό ονομάζεται ανισότητα του Bell.

………………….

παραβιάζουν μια ανισότητα Bell και έχουν ισχυρότερη συσχέτιση από ό,τι θα είχαν αν τα αποτελέσματα διέπονταν από κρυφές μεταβλητές

………………………..

Ωστόσο, η κβαντομηχανική μπορεί να παραβιάσει αυτή την ανισότητα. Προβλέπει υψηλότερες τιμές για τη συσχέτιση μεταξύ των αποτελεσμάτων από ό,τι είναι δυνατόν μέσω των κρυφών μεταβλητών

Σχετικά με αυτό ας σκεφτούμε δύο συστήματα, ένα κλασσικό (ΚλΣ) και ένα κβαντικό (ΚβΣ):

ΚλΣ: Έστω ότι δύο ελαστικές μπάλες είναι σε πορεία κεντρικής σύγκρουσης με την μικρότερη (1) σε μάζα να κινείται προς την ακίνητη μεγαλύτερη (2). Κατά κρούση την γνωρίζουμε ότι διατηρείται η ορμή. Την στιγμή κρούσης η μικρότερη μάζα (1) αντιστρέφει την κίνησή της και η μεγαλύτερη μάζα (2) κινείται προς την αντίθετη φορά. Από την στιγμή αυτήν και μετά η ορμή κάθε μπάλας έχει συσχετιστεί με την ορμή της άλλης μέσω της διατήρησης της ορμής. Αν μετά από χρόνο μετρήσουμε την ορμή της (1) γνωρίζουμε ακαριαία και την ορμή της μπάλας (2). Η γνώση αυτήν δεν παραβιάζει φυσικά την θεωρία της σχετικότητας γιατί η πληροφορία της ορμής μεταφέρθηκε υλικά μέσω της μπάλας (1) με ταχύτητα μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός. Το σημαντικό που πρέπει να κρατήσουμε σε αυτό το κλασσικό πείραμα είναι ότι η ορμή κάθε μπάλας καθορίστηκε την στιγμή της σύγκρουσης και στην συνέχεια η πληροφορία της ταξίδεψε με κάθε μπάλα. Αν πραγματοποιήσουμε ένα σύνολο μετρήσεων ορμών σε πολλά σωματίδια, τότε στις πιθανότητές εύρεσης κάποιων συνδυασμών αποτελεσμάτων υπάρχει ένα άνω όριο που καθορίζεται από την ανισότητα Bell. Αυτό ισχύει σε κάθε κλασσικό σύστημα.

ΚβΣ: Έστω ένας ραδιενεργός πυρήνας με συνολικό spin μηδέν, ο οποίος προβλέπεται να διασπαστεί σε δύο κομμάτια. Κατά την διάσπαση γνωρίζουμε ότι διατηρείται το spin του πυρήνα. Ο πυρήνας διασπάται και τα δύο κομμάτια (1) και (2) κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις στον χώρο. Κάποια μεταγενέστερη χρονική στιγμή μετράμε το spin του (1) και το βρίσκουμε s. Τότε ακαριαία γνωρίζουμε ότι το spin του κομματιού (2) ισούται με -s, όσο μακριά και αν βρίσκεται. Παρατηρούμε δηλαδή ότι οι τιμές του spin είναι συσχετισμένες λόγω της διατήρησης του spin, ανεξάρτητα από την απόσταση των δυο κομματιών. Το σημαντικό που πρέπει να τονίσουμε τώρα είναι ότι στο κβαντικό αυτό πείραμα, η τιμή του spin κάθε σωματιδίου σύμφωνα με την υπάρχουσα κβαντική θεωρία, καθορίστηκε την στιγμή της μέτρησης στο (1) και όχι στην στιγμή της διάσπασης.

Αν τώρα θέλουμε να εξετάσουμε αν η τελευταία πρόταση είναι λάθος, οπότε η τιμή του spin καθορίζεται την στιγμή της διάσπασης όπως και στην κλασσική περίπτωση (υπάρχουν κάποιες κρυμμένες σε εμάς μεταβλητές που την καθορίζουν), αρκεί να εφαρμόσουμε την ανισότητα Bell. Στα πειράματα του Aspect και σε όλα που ακολούθησαν η ανισότητα παραβιάζεται σε κάθε κβαντικό σύστημα. Συνεπώς κρυμμένες μεταβλητές δεν υπάρχουν και η τιμή του spin διαμορφώνεται την στιγμή της μέτρησης.
Αυτό εννοούμε όταν λέμε ότι η κβαντική θεωρία παραβιάζει την κλασσική τοπικότητα: ότι παραβιάζονται οι ανισότητες Bell ή ότι οι κβαντικές μεταβλητές έχουν ισχυρότερη συσχέτιση από τις κλασσικές. Αλλά συσχέτιση υπάρχει τόσο στην κλασσική, όσο και στην κβαντική αντίληψη του κόσμου και δεν είναι περίεργη από μόνη της.
Προσοχή όμως, ο κάθε παρατηρητής μετρά μια κατανομή αποτελεσμάτων για τα spin των (1) και (2), άρα πληροφορία δεν μεταβιβάζεται με ταχύτητα μεγαλύτερη της ταχύτητας του φωτός, ούτε στην κβαντική θεωρία. Η τοπικότητα στην μεταβίβαση της πληροφορίας παραμένει και στην κβαντική κοσμοθεωρία και αυτό πρέπει να τονιστεί ή αν δεν είναι δυνατόν, να αποφύγουμε τα παραπάνω σε μαθητές, αλλιώς ο κόσμος τους θα γίνει μεταφυσικός και παράλογος. 

Βασίλειος Μπάφας
06/10/2022 8:37 ΠΜ

Καλημέρα σε όλους.
Πάνο σε ευχαριστούμε για την προσφορά.
Παναγιώτη και Στάθη οι διευκρινίσεις που δώσατε είναι πολύ σημαντικές.

Βασίλειος Μπάφας
06/10/2022 9:08 ΠΜ
Απάντηση σε  Βασίλειος Μπάφας

Στάθης:
Το σημαντικό που πρέπει να τονίσουμε τώρα είναι ότι στο κβαντικό αυτό πείραμα, η τιμή του spin κάθε σωματιδίου σύμφωνα με την υπάρχουσα κβαντική θεωρία, καθορίστηκε την στιγμή της μέτρησης στο (1) και όχι στην στιγμή της διάσπασης.

Αν μου επιτρέπεται να προσπαθήσω να δώσω ένα “μακροσκοπικό” παράδειγμα για να γίνει κατανοητό ότι τη στιγμή της μέτρησης “δημιουργούμε” μια πραγματικότητα, δεν αποκαλύπτουμε μια που ήδη υπάρχει.

Ας φανταστούμε ένα αδιαφανές δωμάτιο με κλειστή πόρτα, όπου υπάρχουν άνθρωποι και καρέκλες (όχι απαραίτητα ίσα πλήθη). Οι άνθρωποι γυρίζουν υποχρεωτικά γύρω – γύρω όσο μπορούν πιο γρήγορα. Το πόμολο με το που το γυρίζεις να ανοίξει τρίζει. Στον ήχο του τριξίματος οι άνθρωπο πρέπει να καθίσουν σε μια καρέκλα, αλλιώς θα έχουν ποινή.
Ο παρατηρητής που ανοίγει την πόρτα βλέπει ανθρώπους καθισμένους σε καρέκλες.
Αυτή η εικόνα όμως δεν προϋπήρχε. Δημιουργήθηκε με το άνοιγμα της πόρτας.
Δεν υπάρχει δυνατότητα να δει ο παρατηρητής τους ανθρώπους να γυρίζουν γύρω γύρω.
Το σκηνικό είναι πολύ διαφορετικό από το να παρακολουθείς μικρά παιδιά από την κάμερα που κάθονται ήσυχα στην κρεβατοκάμαρα στις θέσεις τους και βλέπουν βίντεο και να μπεις απλά για να πάρεις κάτι.

Αυτό συμβαίνει και με τη μέτρηση στην κβαντική διαδικασία.
Πριν τη μέτρηση δεν έχεις “αντικειμενική” πραγματικότητα. Τη “δημιουργείς” υποχρεωτικά με τη διαδικασία της μέτρησης, σε αντίθεση με την κλασσική φυσική.

Σας ευχαριστώ για την προσοχή!

Διονύσης Μάργαρης
06/10/2022 9:22 ΠΜ

Καλημέρα Πάνο, καλημέρα σε όλους.
Πάνο, κτύπησες φλέβα χρυσού, αφού το κείμενό σου λειτούργησε σαν αφορμή για μια πολύ σημαντική κατάθεση θέσεων από αρκετούς φίλους…
Μια πολύ διαφωτιστική συζήτηση!

Αρης Αλεβίζος
Αρχισυντάκτης
06/10/2022 4:16 ΜΜ

Γεια σου Στάθη.

Γενικά συμφωνώ με τα γραφόμενά σου. Αλλά ας δούμε περιληπτικά τι έκαναν οι άνθρωποι που βραβεύτηκαν και γιατί. 

Δούλεψαν π.χ. εξετάζοντας την πόλωση των συσχετισμένων φωτονίων και χρησιμοποιούσαν ως ανιχνευτές τα γνωστά φίλτρα που χρησιμοποιούμε στα πολωσίμετρα.

Η περιγραφή σου για ΚβΣ, νομίζω, αντιστοιχεί  στο πείραμα του John Clauser όπως θα φανεί παρακάτω και θεώρησαν στο πέρασμα του χρόνου ότι είχε κενό-παράθυρο (loopholes) σε σχέση με την τοπικότητα. Χρειάστηκαν οι πειραματικές βελτιώσεις  του Alain Aspect οπότε θεωρήθηκε  πλήρης και αναμφισβήτητη η διαπίστωση ότι   η ανισότητα του Bell παραβιάζεται .

Αφήνω το ίδιο το κείμενο της  επιτροπής των βραβείων να τα πει.

https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/popular-physicsprize2022.pdf

[Πολύ κατατοπιστικά τα σχέδια των πειραμάτων στην τελευταία σελίδα.]

«Ο John Clauser άρχισε αμέσως να εργάζεται για τη διεξαγωγή αυτού του πειράματος. Κατασκεύασε μια συσκευή η οποία εξέπεμπε δύο διεμπλεκόμενα φωτόνια κάθε φορά, το καθένα προς ένα φίλτρο που εξέταζε την πόλωσή τους. Στο 1972, μαζί με τον διδακτορικό φοιτητή Stuart Freedman (1944-2012), μπόρεσε να δείξει ένα αποτέλεσμα που ήταν μια σαφής παραβίαση μιας ανισότητας Bell και συμφωνούσε με τις προβλέψεις της κβαντομηχανικής.

Στα χρόνια που ακολούθησαν, ο John Clauser και άλλοι φυσικοί συνέχισαν να συζητούν το πείραμα και τους περιορισμούς του. Ένας από αυτούς ήταν ότι το πείραμα ήταν γενικά ανεπαρκές, τόσο  όσον αφορά την παραγωγή και τη σύλληψη σωματιδίων. Η μέτρηση ήταν επίσης προκαθορισμένη, με τα φίλτρα σε σταθερές γωνίες. Υπήρχαν επομένως κενά, όπου ένας παρατηρητής θα μπορούσε να αμφισβητήσει τα αποτελέσματα: τι θα γινόταν αν η πειραματική διάταξη επέλεγε με κάποιο τρόπο τα σωματίδια που έτυχε να έχουν ισχυρή συσχέτιση, και δεν ανίχνευε τα υπόλοιπα; Αν ήταν έτσι, τα σωματίδια θα μπορούσαν ακόμα να μεταφέρουν κρυμμένη πληροφορία.

Η εξάλειψη αυτού του συγκεκριμένου παραθύρου ήταν δύσκολη, επειδή οι περιπλεγμένες κβαντικές καταστάσεις είναι τόσο εύθραυστες και δύσκολα στην διαχείρησή τους αφού είναι απαραίτητο να ασχοληθούμε με μεμονωμένα φωτόνια. Ο Γάλλος διδακτορικός φοιτητής Alain Aspect δεν πτοήθηκε και κατασκεύασε μια νέα έκδοση της διάταξης την οποία βελτίωσε σε αρκετές επαναλήψεις. Στο δικό του πείραμα, μπορούσε να καταγράψει τα φωτόνια που περνούσαν από το φίλτρο και εκείνα που δεν περνούσαν. Αυτό σήμαινε ότι ανιχνεύονταν περισσότερα φωτόνια και οι μετρήσεις ήταν καλύτερες. Στην τελική παραλλαγή των δοκιμών του, ήταν επίσης σε θέση να κατευθύνει τα φωτόνια προς δύο διαφορετικούς ανιχνευτές που που είχαν ρυθμιστεί σε διαφορετικές γωνίες. Η εκλέπτυνση (finesse) ήταν ένας μηχανισμός που άλλαζε την κατεύθυνση πόλωσης των διαπλεκόμενων φωτονίων αφού είχαν δημιουργηθεί και εκπεμφθεί από την πηγή τους. Οι ανιχνευτές  ήταν μόλις έξι μέτρα μακριά, οπότε η εναλλαγή έπρεπε να γίνει σε μερικά δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Εάν οι πληροφορίες σχετικά με το σε ποιόν ανιχνευτή  θα έφτανε το φωτόνιο, επηρέαζε τον τρόπο με τον οποίο εκπέμφθηκε από την πηγή, δεν θα έφτανε σε αυτό τον ανιχνευτή . Ούτε θα μπορούσαν οι πληροφορίες για τους ανιχνευτές στη μία πλευρά του πειράματος να φτάσουν στην άλλη.

Με αυτόν τον τρόπο, ο Alain Aspect έκλεισε ένα σημαντικό κενό-παράθυρο-  και παρείχε ένα πολύ σαφές αποτέλεσμα: κβαντικό η κβαντομηχανική είναι σωστή και δεν υπάρχουν κρυφές μεταβλητές.»

Στάθης Λεβέτας
Αρχισυντάκτης
06/10/2022 8:33 ΜΜ
Απάντηση σε  Αρης Αλεβίζος

Γειά σου Άρη. Δεν είχα κάποιο συγκεκριμένο πείραμα στο μυαλό μου όταν έγραφα τα παραπάνω. Ούτε το προχώρησα όσο εσύ, ήθελα να δώσω έμφαση σε κάτι άλλο και πήρα αφορμή από την ανάρτηση του Πάνου.
Η κβαντική θεωρία είναι ενδιαφέρουσα στον μέσο άνθρωπο, γιατί πολύ εύκολα μπορεί να τις αποδωθούν υπερφυσικές ιδιότητες. Το έχω δει να γίνεται πολλές φορές και για αυτό πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί στην διδασκαλία της.
Όταν ακούει κάποιος μη ειδικός ότι παραβιάζεται η τοπικότητα, εύκολα νομίζει ότι δύο σωματίδια το ένα στην γη και το άλλο στο α του Κενταύρου επικοινωνούν ακαριαία (το έχω ακούσει σε βίντεο αυτό).
Αυτό είναι πολύ επικίνδυνο και για αυτό έθεσα τα παραπάνω ερωτήματα.

Αρης Αλεβίζος
Αρχισυντάκτης
07/10/2022 12:46 ΠΜ

Καλησπέρα Στάθη.

Η αρχή της τοπικότητας επιτάσσει ότι τα αντικείμενα μπορούν να  επηρεάζονται από το άμεσο περιβάλλον τους.

Η διεμπλοκή φαίνεται να παραβιάζει την τοπικότητα αλλά όχι με τον τρόπο που επιτρέπει να στέλνονται πληροφορίες μεταξύ των διεμπλεκομένων με ταχύτητες μεγαλύτερες από αυτή του φωτός.

Όλες οι ερμηνείες  συμφωνούν στο ότι η διεμπλοκή δημιουργεί συσχέτιση μεταξύ των μετρήσεων και ότι η αμοιβαία πληροφόρηση μεταξύ των διεμπλεκομένων σωματίων μπορεί να αξιοποιηθεί, π.χ. κβαντικοί υπολογιστές, αλλά κάθε μεταφορά πληροφορίας με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτή που έχει το φως είναι αδύνατη.

Και βέβαια δεν ξεχνάμε.

Τα κβαντικά γεγονότα είναι έξω από τις καθημερινές μας έννοιες του χώρου και του χρόνου και για αυτό εμφανίζουν διαφορετικές αντικειμενικές δυσκολίες στην πειραματική τους προσέγγιση και κατανόηση.

Καλό Σ/Κ