التشابك الكمي دون الخلط - ما هو

مقدمة

ظهرت العديد من المقالات الشائعة التي تتحدث عن التشابك الكمي. تجارب التشابك الكمي مذهلة للغاية ، ولكن لم يتم منحها جوائز. لماذا هذه التجارب المثيرة للاهتمام بالنسبة للشخص العادي لا تهم العلماء؟ تتحدث المقالات الشائعة عن الخصائص المذهلة لأزواج الجسيمات المتشابكة - يؤدي التعرض لأحدها إلى تغيير فوري في حالة الثانية. وما هو مخفي وراء مصطلح "النقل عن بعد الكمومي" ، الذي بدأوا بالفعل في قوله أنه يحدث بسرعة فائقة. دعونا نلقي نظرة على كل هذا من وجهة نظر ميكانيكا الكم العادية.

ما يأتي من ميكانيكا الكم

يمكن أن تكون الجسيمات الكمومية في نوعين من الحالات ، وفقًا لكتاب Landau و Lifshitz الكلاسيكي - نقي ومختلط. إذا لم يتفاعل الجسيم مع الجسيمات الكمومية الأخرى ، يتم وصفه بواسطة دالة موجية تعتمد فقط على إحداثياتها أو عزمها - تسمى هذه الحالة نقية. في هذه الحالة ، تخضع الدالة الموجية لمعادلة شرودنغر. هناك خيار آخر ممكن - يتفاعل الجسيم مع الجسيمات الكمومية الأخرى. في هذه الحالة ، تشير الدالة الموجية بالفعل إلى النظام الكامل للجسيمات المتفاعلة وتعتمد على جميع متغيراتها الديناميكية. إذا كنا مهتمين بجسيم واحد فقط ، فإن حالته ، كما أظهر لانداو قبل 90 عامًا ، يمكن وصفها بواسطة مصفوفة أو مشغل كثافة. تمتثل مصفوفة الكثافة لمعادلة مماثلة لمعادلة شرودنغر



أين هي مصفوفة الكثافة ، H هي عامل هاميلتون ، وتشير الأقواس إلى المبدل.

أخرجه لانداو. يمكن التعبير عن أي كميات مادية تتعلق بجسيم معين من خلال مصفوفة الكثافة. تسمى هذه الحالة مختلطة. إذا كان لدينا نظام من الجسيمات المتفاعلة ، فإن كل جسيم في حالة مختلطة. إذا كانت الجسيمات متناثرة على مسافات كبيرة ، واختفى التفاعل ، فستظل حالتها مختلطة. إذا كان كل واحد من الجسيمات في حالة نقية ، فإن وظيفة الموجة لهذا النظام هي نتاج وظائف الموجة لكل من الجسيمات (إذا كانت الجسيمات مختلفة. بالنسبة للجسيمات المتطابقة أو البوزونات أو الفرميونات ، فمن الضروري عمل تركيبة متماثلة أو غير متماثلة ، انظر [1] ، ولكن في وقت لاحق ، هوية الجسيمات ، الفرميونات والبوزونات هي بالفعل نظرية الكم النسبية.

الحالة المتشابكة لزوج من الجسيمات هي حالة يوجد فيها ارتباط مستمر بين الكميات المادية المرتبطة بالجسيمات المختلفة. المثال البسيط والأكثر شيوعًا هو إجمالي الكمية المادية ، على سبيل المثال ، الدوران الكلي أو الزخم الزاوي للزوج. زوج من الجسيمات في حالة نقية ، ولكن كل من الجسيمات في حالة مختلطة. قد يبدو أن التغيير في حالة جسيم واحد سيؤثر على الفور على حالة جسيم آخر. حتى لو تشتتوا ولم يتفاعلوا ، فهذا ما يتم التعبير عنه في المقالات الشائعة. وقد سميت هذه الظاهرة بالفعل بالنقل الكمي ، ويدعي بعض الصحفيين الأميين أن التغيير يحدث على الفور ، أي أنه ينتشر بشكل أسرع من سرعة الضوء.

ضع في اعتبارك هذا من وجهة نظر ميكانيكا الكم ، أولاً ، أي إجراء أو قياس يغير الزخم أو الزخم الزاوي لجسيم واحد فقط ينتهك على الفور قانون الحفاظ على الخاصية الكلية. لا يمكن للعامل المقابل أن يتنقل مع دوران كامل أو زخم زاوي كامل. وبالتالي ، يتم انتهاك التشابك الأولي لحالة زوج من الجسيمات. لم يعد من الممكن ربط دوران أو لحظة الجسيم الثاني بشكل لا لبس فيه مع ذلك لأول جزء. يمكنك النظر في هذه المشكلة من الجانب الآخر. بعد اختفاء التفاعل بين الجسيمات ، يتم وصف تطور مصفوفة الكثافة لكل من الجسيمات بواسطة معادلتها ، حيث لا يتم تضمين المتغيرات الديناميكية للجسيمات الأخرى. لذلك ، فإن التعرض لجسيم واحد لن يغير مصفوفة الكثافة إلى أخرى.

حتى أن هناك نظرية إبرهارد [2] ، التي تدعي أن التأثير المتبادل لجسيمين لا يمكن اكتشافه من خلال القياسات. يجب أن يكون هناك نظام كمومي ، موصوف بمصفوفة كثافة. ودع هذا النظام يتألف من نظامين فرعيين A و B. تنص نظرية Eberhard على أن أي قياس للملاحظات المتعلقة فقط بالنظام الفرعي A لا يؤثر على نتيجة قياس أي ملاحظات لا ترتبط إلا بالنظام الفرعي B. ومع ذلك ، فإن إثبات النظرية يستخدم فرضية الحد من الموجة وظيفة لم يتم إثباتها سواء نظريا أو تجريبيا. لكن كل هذه الاعتبارات تتم في إطار ميكانيكا الكم غير النسبية وترتبط بجزيئات مختلفة غير متطابقة.

هذه الاعتبارات لا تعمل في النظرية النسبية في حالة زوج من الجسيمات المتطابقة. دعني أذكرك مرة أخرى أن هوية الجسيمات أو عدم تمايزها تأتي من ميكانيكا الكم النسبية ، حيث لا يتم الحفاظ على عدد الجسيمات. ومع ذلك ، بالنسبة للجسيمات البطيئة ، يمكننا استخدام جهاز أبسط لميكانيكا الكم غير النسبية ، مع الأخذ في الاعتبار ببساطة عدم تمييز الجسيمات. ثم يجب أن تكون الدالة الموجية للزوج متماثلة (للبوزونات) أو غير متماثلة (للفرميونات) فيما يتعلق بتبديل الجسيمات. ينشأ مثل هذا الشرط في النظرية النسبية ، بغض النظر عن سرعات الجسيمات. هذا هو المطلب الذي يؤدي إلى الارتباطات بعيدة المدى لزوج من الجسيمات المتطابقة. من حيث المبدأ ، يمكن أن يكون البروتون مع الإلكترون أيضًا في حالة متشابكة. ومع ذلك ، إذا تفرقوا بعدة عشرات من الأنجستروم ، فإن التفاعل مع المجالات الكهرومغناطيسية والجسيمات الأخرى سيدمر هذه الحالة. يعمل تفاعل التبادل (كما تسمى هذه الظاهرة) على مسافات مجهرية ، كما تظهر التجارب. زوج من الجسيمات ، حتى مشتتة بالأمتار ، لا يمكن تمييزه. إذا كنت تأخذ قياسًا ، فأنت لا تعرف بالضبط الجسيم الذي تنتمي إليه القيمة المقاسة. أنت تأخذ قياسات مع زوج من الجسيمات في نفس الوقت. لذلك ، أجريت جميع التجارب المذهلة بنفس الجسيمات بالضبط - الإلكترونات والفوتونات. بالمعنى الدقيق للكلمة ، ليست هذه هي الحالة المربكة تمامًا التي يتم النظر إليها في إطار ميكانيكا الكم غير النسبية ، ولكنها شيء مشابه.

فكر في أبسط حالة - زوج من الجسيمات المتطابقة غير المتفاعلة. إذا كانت السرعات صغيرة ، يمكننا استخدام ميكانيكا الكم غير النسبية ، مع مراعاة تناظر وظيفة الموجة فيما يتعلق بتبديل الجسيمات. دع الدالة الموجية للجسيم الأول ، الجسيم الثاني - أين و - المتغيرات الديناميكية للجسيمات الأولى والثانية ، في أبسط الحالات - فقط الإحداثيات. ثم الدالة الموجية للزوج



تشير اللافتات و- إلى البوزونات والفرميونات. افترض أن الجسيمات متباعدة. ثم مترجمة في المناطق النائية 1 و 2 ، على التوالي ، أي أنها خارج هذه المناطق فهي صغيرة. دعونا نحاول حساب متوسط ​​القيمة لبعض المتغيرات من الجسيم الأول ، على سبيل المثال ، الإحداثيات. من أجل البساطة ، يمكننا أن نتخيل أنه يتم تضمين الإحداثيات فقط في وظائف الموجة. اتضح أن متوسط ​​قيمة إحداثيات الجسيم 1 يقع بين المنطقتين 1 و 2 ، ويتزامن مع متوسط ​​قيمة الجسيم 2. إنه في الواقع طبيعي - الجسيمات لا يمكن تمييزها ، لا يمكننا معرفة الجسيمات التي يتم قياس الإحداثيات. بشكل عام ، تكون جميع قيم متوسط ​​الجسيمات 1 و 2 هي نفسها. هذا يعني أنه من خلال تحريك منطقة توطين الجسيم 1 (على سبيل المثال ، يتم توطين الجسيم داخل عيب الشبكة البلورية ، ونقوم بتحريك البلورة بأكملها) ، نعمل على الجسيم 2 ، على الرغم من أن الجسيمات لا تتفاعل بالمعنى المعتاد - من خلال المجال الكهرومغناطيسي ، على سبيل المثال. هذا مثال بسيط على التشابك النسبي.

لا يوجد نقل فوري للمعلومات بسبب هذه الارتباطات بين الجسيمين. تم بناء جهاز النظرية الكمومية النسبية في الأصل بحيث لا يمكن للأحداث في الزمكان على جانبي مخروط الضوء أن تؤثر على بعضها البعض. ببساطة ، لا توجد إشارة ، لا يمكن لأي تأثير أو اضطراب أن ينتشر أسرع من الضوء. كلا الجسيمات هي في الواقع حالة حقل واحد ، على سبيل المثال ، الإلكترون البوزيترون. من خلال العمل في الحقل عند نقطة واحدة (على الجسيم 1) ، نخلق اضطرابًا ينتشر مثل موجات الماء. في ميكانيكا الكم غير النسبية ، تعتبر سرعة الضوء كبيرة بشكل لا نهائي ، مما يخلق وهم التغيير الفوري.

يبدو الوضع الذي تبقى فيه الجسيمات متباعدة على مسافات طويلة مقرونًا في أزواج متناقضًا بسبب الأفكار الكلاسيكية حول الجسيمات. يجب أن نتذكر أنه في الواقع لا توجد جسيمات ، ولكن الحقول. ما نمثله كجسيمات هو ببساطة حالة هذه الحقول. الفكرة الكلاسيكية للجسيمات غير مناسبة تمامًا في العالم الصغير. تثار تساؤلات على الفور حول حجم وشكل ومادة وهيكل الجسيمات الأولية. في الواقع ، تنشأ المواقف المتناقضة للتفكير الكلاسيكي مع جسيم واحد. على سبيل المثال ، في تجربة Stern-Gerlach ، تطير ذرة الهيدروجين من خلال مجال مغناطيسي غير متجانس موجه بشكل متعامد مع السرعة. يمكن إهمال دوران النواة بسبب صغر المغنيتون النووي ؛ دع توجيه دوران الإلكترون مبدئيًا على طول السرعة.



من السهل حساب تطور وظيفة الموجة الذرية. تنقسم حزمة الموجة المترجمة الأولية إلى حزمتين متطابقتين ، تحلق بشكل متناظر بزاوية على الاتجاه الأصلي. أي ذرة ، جسيم ثقيل ، يُنظر إليه عادةً على أنه كلاسيكي ذو مسار كلاسيكي ، ينقسم إلى حزمتين موجيتين يمكن أن تنتشر إلى مسافات مجهرية تمامًا. في الوقت نفسه ، ألاحظ - أنه يستنتج من الحساب أنه حتى تجربة Stern-Gerlach المثالية غير قادرة على قياس دوران الجسيمات.

إذا قام الكاشف بربط ذرة هيدروجين ، على سبيل المثال ، كيميائيًا ، عندئذ يتم تجميع "النصفين" - وهما رزم موجية متناثرة ، في واحدة. كيف يحدث هذا التوطين للجسيم الملطخ هو نظرية موجودة بشكل منفصل لا أفهمها. يمكن للمهتمين العثور على أدبيات واسعة حول هذا الموضوع.

الخلاصة

السؤال الذي يطرح نفسه - ما هو الهدف من التجارب العديدة على إظهار الارتباطات بين الجسيمات على مسافات كبيرة؟ بالإضافة إلى تأكيد ميكانيكا الكم ، التي لم يشك فيها الفيزيائي العادي لفترة طويلة ، يعد هذا عرضًا رائعًا يثير إعجاب الجمهور العام والهواة الذين يخصصون أموالًا للعلوم (على سبيل المثال ، يرعى Gazprombank تطوير خطوط الاتصال الكمومي). بالنسبة للفيزياء ، لا تقدم هذه العروض الباهظة الثمن أي شيء ، على الرغم من أنها تسمح بتطوير تقنيات تجريبية.

الأدب
1. Landau ، L.D. ، Lifshits ، E.M. ميكانيكا الكم (النظرية غير النسبية). - الطبعة الثالثة ، منقحة ومكملة. - م: ناوكا ، 1974. - 752 ص. - ("الفيزياء النظرية" ، المجلد الثالث).
2. إيبرهارد ، PH ، "نظرية بيل والمفاهيم المختلفة لللا محلية" ، نوفو Cimento 46B ، 392-419 (1978)