Странности квантового мира

Согласно принципу Гейзенберга нельзя одновременно с одинаковой точностью измерить два параметра микрочастицы, например ее координату х и ее скорость v или импульс p = mv. Альберт Эйнштейн считал, что микрочастица, как и классическое тело, имеет одновременно определенные значения координат и скорости, которые и измеряются, но аппарат квантовой механики не позволяет их определить одновременно. И если квантовая механика может найти только вероятные значения параметров, то, тем не менее, они существуют до их измерения. Нильс Бор полагал, что она дает реальное описание объекта, состоящее в том, что измерение только фиксирует вероятность параметров микрочастицы в данный момент, а значений параметров до измерения не существует.

В 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен высказали идею о том, как можно получить одновременные сведения о параметрах микрочастицы. Если иметь две идентичные частицы, образованные при распаде исходной частицы, то сумма их импульсов будет равна импульсу исходной частицы. Тогда можно измерить импульс одной частицы в данный момент времени и по закону сохранения импульса рассчитать импульс второй частицы, а координату этой второй измерить в это же время с максимальной точностью. Поскольку суммы импульсов этих двух частиц равны импульсу материнской частицы эти частицы получили название сцепленных или запутанных частиц, имеющих общее происхождение. Обоснование запутанности микрообъектов можно передать следующим образом. Состояние общей электронной пары ковалентной связи, состоящей из электронов 1 и 2 приближенно описывается волновой функцией

Y =с₁Y₁ + с₂Y₂,

где Y₁ = Y_А(1)Y_В(2) - отражает принадлежность электрона 1 атому А и принадлежность электрона 2 атому В,

а Y₂ = Y_А(2)Y_В(1) - отражает принадлежность электрона 2 атому А и принадлежность электрона 1 атому В.

Эти выражения являются следствием неразличимости электронов, одновременно находящихся в атомах А и В. Каждый электрон пары, описывается общей волновой функцией Y, даже если направить движение электронов в разные стороны и несет неизвестное, смешанное значение спина из +1/2ћ и -1/2ћ (точнее их проекций на направление магнитного поля). Но как только измерением установлено возможное значение спина одного электрона - +1/2 или -1/2 относительно какой-либо оси, то у второго электрона относительно такой же оси появляется согласованное, т. е противоположное по знаку значение спина.

В 1964 году Джон Белл исследовал результаты мысленного эксперимента в предположении, что микрообъект имеет исследуемые параметры до измерения. Он рассмотрел возможность получения согласованных значений спина электрона или фотона при измерении его проекций на три оси, расположенных под любыми углами к друг другу и установил статистический критерий, при несовпадении результатов измерений с которым следовал вывод об отсутствии запрограммированного значении параметра микрочастицы до измерения. Соответствующие уравнения получили названия неравенств Белла.

Представим, что мы имеем два детектора, один в левой лаборатории, а другой в правой, которые измеряют спин запутанных электронов или фотонов. Спин может быть измерен вдоль любой, но одной оси. Обозначение ЛХ+ будет означать, что измеренный спин в левой лаборатории по оси Х имеет положительный знак. И если спин левого электрона имеет знак плюс, то спин правого электрона, измеренного также по оси Х, имеет знак минус. Если спин запрограммирован, то есть если всегда он имеет определенное значение, например, по оси ПУ, то он будет иметь это значение при всех сочетаниях измерений, где присутствует ось ПУ.

Таблица.

Согласованность запутанных спинов электронов

При трех осях возможны следующие девять возможных комбинаций результатов измерений: 1)ЛХ+,ПХ-; 2)ЛХ+,ПУ-; 3)ЛХ+,ПZ+; 4)ЛУ+,ПХ-; 5)ЛУ+ПУ-; 6) ЛУ+,ПZ+; 7) ЛZ-,ПХ-; 8)Л Z-,ПУ-; 9)ЛZ-,ПZ+ (таблица). Пять из девяти распределений, 55% от их общего числа - 1, 2, 4, 5, 9 являются согласованными распределениями, полученными в предположении, что характеристики электронов существуют все время до измерения и именно потому они и измеряются. Следовательно, если при наличии трех осей имеется 55% согласованных спинов, то параметр частицы запрограммирован.

Но приведем логичное рассуждение, на основании которого можно сделать вывод о том, что если доля согласованных значений отличается от 55%, то это указывает на отсутствие конкретного спина до измерения. Рассмотрим для примера сочетание 2) ЛХ+,ПУ-. При измерении спина электрона, летящего налево по оси Х и спина электрона, летящего направо по оси У, может быть два случая. В первом случае, если измеряется реально существующий до измерения, запрограммированный спин, знаки будут же такими, какие указаны в таблице. И оно войдет в состав пяти из девяти распределений, указывающих на запрограммированные значения спинов. Во втором случае, если электрон не имеет определенного спина до измерения, и он возникает случайным образом при измерении по любой оси, может возникнуть следующая ситуация. При измерении по левой оси Х прибор может показать значение спина +, а при измерении спина правого электрона по оси У прибор может показать также значение +. Возникает распределение ЛХ+, ПУ+ вместо запрограммированного распределения ЛХ+, ПУ-. В этом случае данное запрограммированное распределение ЛХ+,ПУ- выпадает из числа пяти, указывающего на запрограммированость, и доля согласующихся распределений будет отличаться от того значения вероятности совпадений, которое требуют неравенства Белла при условии запрограммированости значений спинов. Такое отклонение от неравенства Белла будет указывать на случайные незапрограммированные значения спинов, возникающих только в момент измерения.

Ряд экспериментов, проведенных 70 -х годах прошлого столетия давал основания предположить, что характеристики микрообъектов – фотонов появляются в момент измерения. В 1981г. Алан Аспектом, а позже и другими исследователями, были поставлены эксперименты, результаты которых подтвердили, что параметры частиц возникают только в момент измерения и что между запутанными микрочастицами, полученными определенным образом, существует некая «передача» информации со скоростью в тысячи раз превышающей скорость света. Эта передача приводит к тому, что то, что происходит с частицей в одной области пространства влияет на характеристики аналогичной частицы в другой области пространства, удаленной от первой на какое угодно расстояние. Это свойство физического мира получили название нелокальности. Нелокальность относится и ко времени: то, что происходит в одном месте в данное время связано с происходящем в другом месте и в другом, прошлом или будущем времени.