by 
Ένα εκλαϊκευμένο άρθρο σε τοπική εφημερίδα για το πολύ δύσκολο φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης ή διεμπλοκής ή εναγκαλισμού (quantum entanglement). Δεν υπάρχει πιο δύσκολο εγχείρημα να προσπαθήσει κάποιος να παρουσιάσει στο ευρύ κοινό ορισμένες έννοιες της φυσικής και ειδικά της κβαντομηχανικής χωρίς να γράψει εν τέλει ανοησίες. Δεν ξέρω αν τα κατάφερα…
( Μετά από κάποιες μικρές παρεμβάσεις λαμβάνοντας υπόψη κάποια σχόλια …)
Καλησπέρα κύριε Μουρούζη. Δεν καταλαβαίνω την παρομοίωση του σωματιδίου που διασπάται με τα κέρματα, όσο αφορά στην τοπικότητα. Λέτε ότι τα δύο κέρματα μπορούμε να τα απομακρύνουμε σε μεγάλη απόσταση, οπότε δεν υπάρχει τοπικότητα. Όταν όμως διασπάται ένα σωματίδιο και προκύπτουν δύο άλλα με αντίθετο spin, αυτά δεν βρίσκονται κοντά τη στιγμή της διάσπασης; Εκεί πως αίρεται η τοπικότητα;
Πολύ ωραίο Πάνο.
Είναι δύσκολη κάθε προσπάθεια εκλαΐκευσης της επιστήμης. Τα πήγες πολύ καλά. Θα σου πρόσθετα παραδείγματα (η γνώμη μου, ότι αυτό σημαίνει, με απασχολεί εδώ και χρόνια η προσπάθεια να εξηγήσω την λειτουργία της φύσης στο σπίτι μου):
(“Στην κλασσική φυσική τα μαθηματικά μοντέλα οδηγούν σε απόλυτες προβλέψεις. [παράδειγμα]. Όλες όμως οι μετρήσεις συνοδεύονται με κάποια αβεβαιότητα. [παράδειγμα]. Γι αυτό η κάθε μέτρηση συνοδεύεται με το σφάλμα της. [σχολιασμός του προηγούμενου παραδείγματος]. Η αβεβαιότητα στην κλασσική φυσική δεν οφείλεται στους φυσικούς νόμους, αλλά στην ατέλεια των οργάνων μέτρησης. Γι αυτό λέμε ότι η κλασσική φυσική είναι ντετερμινιστική.”)
δεν σου προτείνω παραδείγματα γιατί νομίζω ότι αν θες θα τα βρεις. Θεωρώ ότι όπου χρησιμοποίησες παραδείγματα, ενεργοποίησες την σκέψη του αναγνώστη. 🙂
Θοδωρή θα επικέντρωνα στο τμήμα:
“Με άλλα λόγια ότι συμβαίνει εδώ, θα μπορεί ακαριαία να επηρεάσει κάτι που συμβαίνει κάπου πολύ μακριά. Έτσι όμως καταργείται η τοπικότητα, δηλαδή ότι ένα συμβάν μπορεί να επηρεάσει ακαριαία μόνο το άμεσο περιβάλλον του. Το φαινόμενο αυτό το ονομάζουμε κβαντική σύμπλεξη, ή διεμπλοκή ή κβαντικό εναγκαλισμό (quantum entanglement).”
και
“Έτσι, αυτά τα πειράματα έχουν αποκλείσει όλες τις θεωρίες περί κρυμμένων 3 μεταβλητών, που βασίζονται στις κοινές υποθέσεις του ρεαλισμού, ο οποίος δέχεται ότι η πραγματικότητα υπάρχει ακόμη και όταν δεν την παρατηρούμε και της τοπικότητας που σημαίνει ότι γεγονότα σε άλλες περιοχές δεν μπορούν να επηρεάσουν το ένα το άλλο στιγμιαία.”
Θα σου απαντήσει ο Πάνος βέβαια.
Αγαπητέ Θοδωρή.
Νομίζω ότι με το παράδειγμα που έδωσα με τα κέρματα γίνεται φανερή και η διαφορά των απόψεων των δύο σχολών.
Όταν γίνεται η διάσπαση, τα δύο σωματίδια πρέπει να έχουν αντίθετο σπιν. Αυτό για τη σχολή του Αιστάιν σημαίνει ότι εξ’ αρχής τα κέρματα έχουν συγκεκριμένα και μάλιστα αντίθετα σπιν. Για τη σχολή όμως του Μπορ αυτό δεν ισχύει. Τα σωματίδια δεν έχουν ποτέ καθορισμένο σπιν. Το σπιν του κάθε σωματιδίου καθορίζεται πάντα μετά την παρατήρηση.
Έτσι για να πάμε στα κέρματα, για τη σχολή του Μπορ τα κέρματα μετά τον διαχωρισμό εξακολουθούν να ισορροπούν στην κόψη τους. Δεν είναι ούτε κορώνα ούτε γράμματα. Αν ανοίξουμε όμως το ένα κουτί, τότε διαταράσσεται η ισορροπία του και πέφτει είτε κορώνα είτε γράμματα. Το περίεργο σ’ αυτή την ιστορία είναι ότι το άνοιγμα του ενός κουτιού εδώ επηρεάζει τόσο το κέρμα που βρίσκεται μέσα στο κουτί όσο και το κέρμα του άλλου κουτιού που μπορεί να βρίσκεται κάπου πολύ μακριά, αφού τα δύο κέρματα συμπλέκονται έτσι ώστε όταν το ένα μας δείξει κορώνα το άλλο θα πρέπει να μας δείξει γράμματα.
Κώστα σ’ ευχαριστώ πολύ για τα καλά σου λόγια και ιδίως για τις παρατηρήσεις σου. Στο αρχικό άρθρο είχα γράψει αρκετά παραδείγματα, αλλά η τοπική εφημερίδα μου είπε ότι ήταν πολύ μεγάλο και έπρεπε να κόψω το μισό. Έτσι έφυγαν και τα πλείστα των παραδειγμάτων.
Καλημέρα Πάνο και συγχαρητήρια για την παρουσία σε εκλαϊκευτική μορφή, ενός από τα δυσκολότερα θέματα, της κβαντομηχανικής.
Πολύ όμορφο Πάνο!
Βάλε την πλήρη μορφή που περικόπηκε.
Εξαιρετική εκλαίκευση ενός από τα “προβλήματα” της κβαντικής θεωρίας. Θα πρσέθετα τη μετάδοση πληροφορίας γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός και την πειραματική απόδειξη της διεμπλοκής σε ηλεκτρόνια, φωτόνια,top quark αλλά και σε ολόκληρα μόρια.
Γεια σου Πάνο.
Έτσι και αλλιώς η προσπάθεια εκλαΐκευσης θεμάτων ειδικής σχετικότητας, γενικής σχετικότητας και κυρίως κβαντομηχανικής είναι πολύ δύσκολη δουλειά. Και θέλει πολύ προσοχή η χρήση κλασσικών αναλόγων φαινομένων για την περιγραφή και κατανόηση των π.χ. κβαντομηχανικών.
Γνώμη μου είναι ότι γενικά «το έχεις» που λένε οι πιτσιρικάδες και μάλιστα στην συγκεκριμένη δουλειά σου ασχολείσαι με ένα από τα πιο δύσκολα φαινόμενα την Κβαντική Σύμπλεξη.
→ Να μου επιτρέψεις στα πλαίσια της κουβέντας μια συμπλήρωση που θεωρώ είναι από τα σημεία που μπερδεύουν τον πολύ κόσμο και λείπει από το άρθρο (αν δεν μου έχει διαφύγει κάτι). Έχει να κάνει με την Σύμπλεξη και την ταχύτητα του φωτός.
Το πιο εντυπωσιακό είναι ότι ακόμα κι αν τα δύο σωματίδια βρίσκονται σε τεράστια απόσταση μεταξύ τους, η μέτρηση του ενός επηρεάζει ακαριαία το άλλο. Το γεγονός αυτό φαίνεται να παραβιάζει το ανώτατο όριο της ταχύτητας του φωτός που επιβάλλει η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Όμως δεν το κάνει. Γιατί το φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ακαριαία διάδοση πληροφορίας (η ταχύτητα της οποίας είναι ίση με c).
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.
→ Και μια διαφωνία μου παρόλο που ξέρω ότι περιγράφεις την επικρατούσα άποψη.
Καταλήγεις εσύ στο κείμενό σου «Έτσι, αυτά τα πειράματα έχουν αποκλείσει όλες τις θεωρίες περί κρυμμένων μεταβλητών, που βασίζονται στις κοινές υποθέσεις του ρεαλισμού, ο οποίος δέχεται ότι η πραγματικότητα υπάρχει ακόμη και όταν δεν την παρατηρούμε και της τοπικότητας που σημαίνει ότι γεγονότα σε άλλες περιοχές δεν μπορούν να επηρεάσουν το ένα το άλλο στιγμιαία.»
Το συμπέρασμα είναι ότι είτε ο ρεαλισμός είτε η τοπικότητα είτε και τα δύο είναι σε ασυμφωνία με την κβαντομηχανική, με ότι αυτό συνεπάγεται. Νικητής αυτής της διαμάχης ανακηρύχτηκε περίτρανα ο Μπορ και η σχολή της Κοπεγχάγης.
Πάμε στο Νομπελ του 2012
Διαβάζουμε στο Δελτίο τύπου της Βασιλικής Σουηδικής Ακαδημιας Επιστημών
“Το βραβείο απονεμήθηκε στους Serge Haroche του Collège de France and Ecole Normale Supérieure, Paris, France και στον David J. Wineland του National Institute of Standards and Technology (NIST) and University of Colorado Boulder, CO, USA
“για πρωτοποριακές πειραματικές μεθόδους που επιτρέπουν τη μέτρηση και τον χειρισμό μεμονωμένων κβαντικών συστημάτων”
Ο Serge Haroche και ο David J. Wineland ανέπτυξαν, ανεξάρτητα ο καθένας, μεθόδους για τη μέτρηση και τον χειρισμό μεμονωμένων σωματιδίων διατηρώντας ταυτόχρονα την κβαντομηχανική τους φύση, με τρόπους που προηγουμένως θεωρούνταν ανέφικτοι.
Στο λόγο που εκφώνησε ο Wineland με την ευκαιρία της βράβευσης του διαβάζουμε.
” Στις μέρες μας μπορούμε να πειραματιστούμε με μεμονωμένους ή μικρούς αριθμούς κβαντικών συστημάτων, ντετερμινιστικά προετοιμάζοντας υπερθέσεις και υπερθέσεις με διεμπλοκή. Ο έλεγχός μας είναι καλύτερος όταν ασχολούμαστε με πολύ μικρό αριθμό σωματιδίων, που μας επιτρέπουν να κατανοήσουμε πολλά από τα ” νοητικά πειράματα” που παρείχαν τη βάση για συζητήσεις μεταξύ του Schrödinger και των άλλων ιδρυτών της κβαντικής μηχανικής. Και μπορούμε επίσης να κάνουμε μικρές εκδοχές της γάτας του Schrödinger, οι οποίες δεν είναι καθόλου μακροσκοπικές αλλά έχουν τα ίδια βασικά χαρακτηριστικά. Μέχρι στιγμής, φαίνεται ότι η αδυναμία μας να κάνουμε μακροσκοπικές “γάτες” οφείλεται μόνο σε τεχνικούς, όχι θεμελιώδεις, περιορισμούς.” [https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/wineland-lecture.html]
Στο διάλεξη που έδωσε ο Serge Haroche, κατά την βράβευση του, διαβάζουμε
Έχουμε συνειδητοποιήσει την μη καταστροφική μέτρηση των φωτονίων, την καταγραφή των κβαντικών αλμάτων του πεδίου, την προετοιμασία και την ανακατασκευή των καταστάσεων της ακτινοβολίας τύπου “γάτας Schrödinger” και της μελέτης της αποσύνδεσης (decoherence) τους, που παρέχει μια εντυπωσιακή απεικόνιση της μετάβασης από το κβαντικό στο κλασικό κόσμο.
Στην ανακοίνωση της Σουηδικής Ακαδημιας για το ευρύ κοινό διαβάζουμε.
Η διεμπλοκή του πεδίου μικροκυμάτων και των ατόμων Rydberg επέτρεψε στη Haroche να χαρτογραφήσει τη ζωή και τον θάνατο της τύπου-γάτας κατάσταση μέσα στην κοιλότητα του, ακολουθώντας τη βήμα προς βήμα, άτομο με άτομο, καθώς υπέστη μετάβαση από την κβαντική υπέρθεση των καταστάσεων σε μια καλά καθορισμένη κατάσταση της κλασικής φυσικής. “
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/popular.html
Και στο ερώτημα σήμερα πόσες ερμηνείες υπάρχουν για την κβαντομηχανική το ChatGPT 4 απαντά.
Quantum mechanics has several interpretations, each attempting to explain the strange phenomena observed at the quantum level. Here are some of the most prominent interpretations:
1. Copenhagen Interpretation: This is one of the oldest and most widely taught interpretations. It posits that quantum systems exist in a superposition of states until they are measured, at which point they ‘collapse’ into one of the possible states. The act of measurement plays a crucial role.
2. Many-Worlds Interpretation: Proposed by Hugh Everett III, this interpretation suggests that all possible outcomes of a quantum event actually occur, but in separate, non-communicating branches of the universe. This means that every time a quantum event occurs, the universe splits into multiple realities.
3. Pilot-Wave Theory (De Broglie-Bohm Theory): This interpretation introduces hidden variables and suggests that particles have definite positions and velocities guided by a wave function. It allows for a deterministic view of quantum mechanics, contrasting with the probabilistic nature of the Copenhagen Interpretation.
4. Objective Collapse Theories: These theories propose that wave function collapse occurs spontaneously, rather than as a result of measurement. An example is the Ghirardi-Rimini-Weber (GRW) theory, which suggests that the wave function collapse is a real, physical process.
5. Relational Quantum Mechanics: This interpretation posits that the properties of quantum systems are relative to the observer. There is no absolute state of a system; rather, the state depends on the relationship between the observer and the system being observed.
6. Consistent Histories: This interpretation offers a way to discuss quantum events without requiring measurement. It describes quantum systems in terms of a set of possible histories that can be assigned probabilities, providing a framework for understanding quantum events without the need for an observer.
7. Quantum Bayesianism (QBism): This interpretation treats the wave function as a tool for an observer to make predictions about their experiences. It emphasizes the subjective nature of knowledge and states that the wave function reflects an observer’s beliefs about a system rather than an objective property of that system.
These interpretations vary widely in their implications for reality and the role of the observer, and there is ongoing debate among physicists about which, if any, is the ‘correct’ interpretation of quantum mechanics. Each provides a different perspective on the fundamental nature of reality as revealed by quantum phenomena.