Бъдещето засяга миналото. Учените потвърдиха мисловния квантов експеримент на Уилър, използвайки пример
В изследване на поведението на квантовите частици учени от Австралийския национален университет потвърдиха, че квантовите частици могат да се държат по толкова странен начин, че да изглежда, че нарушават принципа на причинно-следствената връзка.
Този принцип е един от основните закони, който малко хора оспорват. Въпреки че много физически величини и явления не се променят, ако обърнем времето (са Т-четни), има основен емпирично установен принцип: събитие А може да повлияе на събитие Б само ако събитие Б се е случило по-късно. От гледна точка на класическата физика - точно по-късно, от гледна точка на SRT - по-късно във всяка отправна система, т.е. е в светлинен конус с връх в A.
Засега само писатели на научна фантастика се борят с „парадокса на убития дядо“ (спомням си една история, в която се оказа, че дядото изобщо няма нищо общо с това, но баба трябва да се справи с това). Във физиката пътуването в миналото обикновено се свързва с пътуване по-бързо от скоростта на светлината и досега всичко е спокойно с това.
С изключение на един момент – квантовата физика. Има много странни неща вътре. Ето например класическия експеримент с две цепки. Ако поставим препятствие с празнина по пътя на източник на частици (например фотони) и поставим екран зад него, тогава ще видим лента на екрана. Логично. Но ако направим два процепа в препятствието, тогава на екрана ще видим не две ивици, а интерференчен модел. Частиците, преминаващи през прорезите, започват да се държат като вълни и да се намесват една в друга.
За да елиминираме възможността частиците да се сблъскват една с друга в движение и следователно да не рисуват две отделни ивици на нашия екран, можем да ги пуснем една по една. И така или иначе след известно време на екрана ще се изобрази интерференчен моделживопис. Частиците магически се намесват в себе си! Това е много по-малко логично. Оказва се, че частицата минава през два процепа едновременно - иначе как може да пречи?
И тогава - още по-интересно. Ако се опитаме да разберем през какъв вид процеп преминава частица, тогава когато се опитаме да установим този факт, частиците незабавно започват да се държат като частици и спират да се намесват в себе си. Тоест, частиците практически „усещат“ наличието на детектор в близост до прорезите. Освен това интерференция се получава не само с фотони или електрони, но дори и с доста големи по квантовите стандарти частици. За да се изключи възможността детекторът по някакъв начин да „разваля“ входящите частици, бяха проведени доста сложни експерименти.
Например през 2004 г. беше проведен експеримент с лъч от фулерени (молекули C70, съдържащи 70 въглеродни атома). Лъчът се разсейва върху дифракционна решетка, състояща се от голям брой тесни процепи. В този случай експериментаторите можеха контролирано да нагряват молекулите, летящи в лъча, с помощта на лазерен лъч, което направи възможно промяната на тяхната вътрешна температура (средната енергия на вибрациите на въглеродните атоми вътре в тези молекули).
Всяко нагрято тяло излъчва топлинни фотони, спектърът на които отразява средната енергия на преходите между възможните състояния на системата. Въз основа на няколко такива фотона по принцип е възможно да се определи траекторията на молекулата, която ги е излъчила, с точност до дължината на вълната на излъчения квант. Колкото по-висока е температурата и, съответно, колкото по-къса е дължината на вълната на кванта, толкова по-точно можем да определим позицията на молекулата в пространството и при определена критична температура точността ще бъде достатъчна, за да определим в кой конкретен процеп е настъпило разсейването.
Съответно, ако някой заобиколенинсталиране на перфектни фотонни детектори, тогава той по принцип би могъл да установи върху кой от прорезите на дифракционната решетка е разпръснат фулеренът. С други думи, излъчването на светлинни кванти от молекула би дало на експериментатора информацията за разделяне на суперпозиционните компоненти, която ни даде транзитният детектор. Около инсталацията обаче нямало детектори.
В експеримента беше установено, че при липса на лазерно нагряване се наблюдава интерференчен модел, който е напълно аналогичен на модела от два процепа в експеримента с електрони. Включването на лазерно нагряване води първо до отслабване на интерференционния контраст, а след това, с увеличаване на мощността на нагряване, до пълно изчезване на интерферентните ефекти. Установено е, че при температури T 3000K, когато траекториите на фулерените са "фиксирани" от околната среда с необходимата точност, те са като класически тела.
Така средата се оказва в състояние да играе ролята на детектор, способен да изолира суперпозиционни компоненти. В него при взаимодействие с топлинни фотони под една или друга форма се записва информация за траекторията и състоянието на фулереновата молекула. И няма никакво значение чрез каква информация се обменя: чрез специално инсталиран детектор, околната среда или човек.
За разрушаването на кохерентността на състоянията и изчезването на интерферентния модел има значение само фундаменталното наличие на информация, през кой от прорезите е минала частицата – и кой ще я приеме, и дали ще я приеме, вече не е важно. Важно е само, че такава информация е принципно възможна за получаване.
Смятате ли, че това е най-странното проявление на квантовата механика? Без значение как. ФизикътДжон Уилър предложи мисловен експеримент в края на 70-те години, който той нарече „експеримент със забавен избор“. обосновавам сенеговите бяха прости и логични.
Добре, да кажем, че фотонът по някакъв начин знае, че ще бъде или няма да се опита да бъде открит, преди да се приближи до прорезите. В края на краищата той трябва по някакъв начин да реши - да се държи като вълна и да премине през двата процепа едновременно (за да се впише в интерферентния модел на екрана в бъдеще) или в противен случай да се престори на частица и да премине само през един от двата процепа. Но той трябва да го направи, преди да премине през пукнатините, нали? След това вече е късно - или летете там като малка топка, или се намесете изцяло.
Така че нека, предложи Уилър, да преместим екрана далеч от пукнатините. А зад екрана също ще поставим два телескопа, всеки от които ще бъде фокусиран върху един от процепите и ще реагира само на преминаването на фотон през един от тях. И произволно ще премахнем екрана, след като фотонът премине през процепите, независимо как реши да премине през тях.
Ако не премахнем екрана, тогава на теория винаги трябва да има модел на смущения върху него. И ако го премахнем, тогава или фотонът ще влезе в един от телескопите като частица (преминал е през един процеп), или и двата телескопа ще видят по-слабо сияние (преминал е през двата процепа и всеки от тях е видял своята част от интерферентната картина).
През 2006 г. напредъкът във физиката позволи на учените наистина да извършат такъв експеримент с фотон. Оказа се, че ако екранът не е премахнат, на него винаги се вижда интерференционната картина, а ако се премахне, винаги можете да проследите през кой процеп е преминал фотонът. Като спорим от гледна точка на познатата ни логика, стигаме до разочароващо заключение. Нашето действие за вземане на решение, независимо дали премахваме екрана или не, повлия на поведението на фотона, въпреки факта, че действието е в бъдещето по отношение на „решението“фотон за това как да премине през прорезите. Тоест, или бъдещето влияе на миналото, или има нещо фундаментално погрешно в интерпретацията на случващото се в експеримента с прорези.
Австралийски учени повториха този експеримент, само че вместо фотон използваха атом хелий. Важна разлика в този експеримент е фактът, че атомът, за разлика от фотона, има маса на покой, както и различни вътрешни степени на свобода. Само вместо препятствие със слотове и екран, те използваха решетки, създадени с помощта на лазерни лъчи. Това им даде възможност незабавно да получат информация за поведението на частицата.
Както може да се очаква (въпреки че едва ли трябва да се очаква нещо от квантовата физика), атомът се държи точно по същия начин като фотон. Решението дали ще има "екран" по пътя на атома е взето въз основа на работата на квантов генератор на случайни числа. Генераторът беше отделен по релативистични стандарти от атома, тоест не можеше да има взаимодействие между тях.
Оказва се, че отделните атоми, имащи маса и заряд, се държат точно по същия начин като отделните фотони. И въпреки че това не е най-революционният опит в квантовата област, той потвърждава факта, че квантовият свят съвсем не е такъв, какъвто можем да си го представим.