Nowości

Złośliwość kwantowa zmienia prawa przyczyny i skutku

Alice i Bob, Gwiazdy tak wielu eksperymentów myślowych gotują obiad, gdy następują nieszczęścia. Alice przypadkowo upuszcza talerz; ten dźwięk zaskakuje Boba, który pali się na kuchence i wrzeszczy. W innej wersji wydarzeń Bob pali się i krzyczy, powodując, że Alice upuszcza talerz.

Przez ostatnią dekadę fizycy kwantowi badali konsekwencje dziwnej świadomości: w zasadzie obie wersje tej historii mogą się wydarzyć jednocześnie. Oznacza to, że zdarzenia mogą zachodzić w nieokreślonej kolejności przyczynowej, w której zarówno „A powoduje B”, jak „B powoduje A” są jednocześnie prawdziwe.

„Brzmi to oburzająco” – przyznał Časlav Brukner, fizyk z Uniwersytetu Wiedeńskiego.

Taka możliwość wynika ze zjawiska kwantowego znanego jako superpozycja, w którym cząstki zachowują wszystkie możliwe rzeczywistości jednocześnie, aż do momentu ich zmierzenia. W laboratoriach w Austrii, Chinach, Australii i innych miejscach fizycy obserwują nieokreślony porządek przyczynowy, umieszczając cząstkę światła (zwaną fotonem) w superpozycji dwóch stanów. Następnie poddają jedną gałąź superpozycji procesowi A, a następnie procesowi B, i poddają drugą gałąź procesowi B, a następnie A. W tej procedurze, znanej jako przełącznik kwantowy, wynik A wpływa na to, co dzieje się w B i odwrotnie; foton doświadcza jednocześnie obu porządków przyczynowych.

W ciągu ostatnich pięciu lat rosnąca społeczność fizyków kwantowych wdrażała przełącznik kwantowy w eksperymentach na stole i badała zalety, jakie nieokreślony porządek przyczynowy oferuje w obliczeniach kwantowych i komunikacji. To „naprawdę coś, co mogłoby się przydać w życiu codziennym” – powiedziała Giulia Rubino, badaczka z Uniwersytetu w Bristolu, która poprowadziła pierwszą eksperymentalną demonstrację przełącznika kwantowego w 2017 roku.

Ale praktyczne zastosowania tego zjawiska tylko pogłębiają jego głębokie konsekwencje.

Fizycy od dawna wyczuwali, że zwykły obraz wydarzeń rozwijających się jako sekwencja przyczyn i skutków nie oddaje fundamentalnej natury rzeczy. Mówią, że ta perspektywa przyczynowa prawdopodobnie musi odejść, jeśli kiedykolwiek będziemy w stanie ustalić kwantowe pochodzenie grawitacji, przestrzeni i czasu. Ale do niedawna nie było wielu pomysłów na temat tego, jak może działać fizyka po przyczynowości. „Wiele osób uważa, że ​​przyczynowość jest tak podstawowa w naszym rozumieniu świata, że ​​jeśli osłabimy to pojęcie, nie będziemy w stanie sformułować spójnych, sensownych teorii” – powiedział Brukner, który jest jednym z liderów w badaniach nad nieokreśloną przyczynowością.

To się zmienia, gdy fizycy rozważają nowe eksperymenty z przełącznikami kwantowymi, a także powiązane eksperymenty myślowe, w których Alice i Bob stają w obliczu nieokreśloności przyczynowej stworzonej przez kwantową naturę grawitacji. Uwzględnienie tych scenariuszy zmusiło badaczy do opracowania nowych formalizmów matematycznych i sposobów myślenia. Dzięki pojawiającym się ramom „możemy przewidywać bez dobrze zdefiniowanej przyczynowości” – powiedział Brukner.

Korelacja, a nie przyczynowość

W ostatnim czasie postęp stał się szybszy, ale wielu praktyków śledzi pochodzenie tej linii ataku na problem grawitacji kwantowej 16 lat temu przez Luciena Hardy’ego, brytyjsko-kanadyjskiego fizyka teoretycznego z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie. „W moim przypadku” – powiedział Brukner – „wszystko zaczęło się od artykułu Luciena Hardy’ego”.

Hardy był wówczas najbardziej znany z podejścia koncepcyjnego rozsławionego przez Alberta Einsteina i zastosowania go do mechaniki kwantowej.

Einstein zrewolucjonizował fizykę nie myśląc o tym, co istnieje na świecie, ale rozważając, co ludzie mogą zmierzyć. W szczególności wyobrażał sobie ludzi w jadących pociągach dokonujących pomiarów za pomocą linijek i zegarów. Stosując to „operacyjne” podejście, był w stanie dojść do wniosku, że przestrzeń i czas muszą być względne.

Lucien Hardy zapoczątkował badanie nieokreślonej przyczynowości jako drogę do zrozumienia kwantowej natury grawitacji.: Gabriela Secara / Perimeter Institute for Theoretical Physics

W 2001 roku Hardy zastosował to samo podejście do mechaniki kwantowej. Zrekonstruował całą teorię kwantów, zaczynając od pięciu aksjomatów operacyjnych.

Następnie postanowił zastosować ją do jeszcze większego problemu: 80-letniego problemu pogodzenia mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności, epickiej teorii grawitacji Einsteina. „Kieruje mną pomysł, że być może operacyjny sposób myślenia o teorii kwantowej można zastosować do kwantowej grawitacji” – powiedział Hardy w rozmowie z Zoomem tej zimy.

Pytanie operacyjne brzmi: co w zasadzie możemy zaobserwować w przypadku grawitacji kwantowej? Hardy pomyślał o tym, że mechanika kwantowa i ogólna teoria względności mają radykalną cechę. Mechanika kwantowa słynie z nieokreśloności; jego superpozycje pozwalają na jednoczesne możliwości. Tymczasem ogólna teoria względności sugeruje, że przestrzeń i czas są plastyczne. W teorii Einsteina masywne obiekty, takie jak Ziemia, rozciągają „metrykę” czasoprzestrzeni – zasadniczo odległość między znakami krzyżyka na linijce i czas trwania między tyknięciami zegarów. Na przykład im bliżej masywnego obiektu jesteś, tym wolniej tyka twój zegar. Metryka określa następnie „stożek światła” pobliskiego zdarzenia – obszar czasoprzestrzeni, na który zdarzenie może przyczynić się.

Zostaw komentarz

Maciek Luboński
Z wykształcenia jestem kucharzem , ale to nie przeszkadza mi pisać dla Was tekstów z wielu ciekawych dziedzin , których sam jestem fanem.Piszę dużo i często nie na tak jak trzeba , ale co z tego skoro tak naprawdę liczy się pasja.

Najlepsze recenzje

Video

gallery

Facebook