تظهر مقالات وتعليقات حول عجائب فيزياء الكم بشكل دوري على هابري:
ممحاة الكم وقياسات ضعيفة. لسوء الحظ ، في كثير من الأحيان يتم التحدث عن هذه الظواهر الغامضة وغير المفهومة التي تجعل من الممكن خلق السحر تقريبا ، على الرغم من أنه في الواقع لا يوجد شيء يثير الدهشة على الإطلاق. في هذا المنشور ، أترجم مقالة شون كارول حول محايات الكم المؤجلة. فليكن نقطة الانطلاق للمناقشة في تعليقات جميع الحيل من ميكانيكا الكم.
من المترجم. شون كارول أستاذ في كلية كاليفورنيا للتكنولوجيا ، متخصص في علم الكونيات وأساسيات فيزياء الكم. وهو مؤيد ثابت لتفسير العديد من العوالم (MMI) لميكانيكا الكم ، والتي تم إصدارها مؤخرًا حول شيء ما عميق الخفية . وفقًا لذلك ، سيكون شرح التجربة في المنشور من وجهة نظر MMI. على الرغم من هذا إلى حد كبير ، هذا ليس مهمًا للتفسير نفسه. يمكنك قراءة مشاركتي الأخيرة حول MMI إذا كنت ترغب في تحديث الأساسيات.
تستضيف كارول أيضًا بودكاست Mindscape الرائع. تبين أن هذا البودكاست كان الحدث الرئيسي لحياتي الفكرية تقريبًا في العام الماضي ، وبصراحة ، هذا هو أفضل ما يمكنك الخروج منه.
تنويه! في بعض الأماكن ، تكيفت قليلاً مع النص ، وأضفت قليلاً من نفسي من أجل الوضوح. جميع الأخطاء تقع على ضميري (وفي PM ، آمل ذلك).
هذا المقال عبارة عن فصل من " شيء عميق الاختفاء" ، والذي لم يتم تضمينه في الإصدار النهائي من النص.
دعونا نتخيل أنك طالب فيزياء ، وتجلس في دورة في العمل التجريبي ، والأستاذ في حالة مزاجية سيئة للغاية. يفرض عليك إجراء نسخة غريبة بشكل خاص
من تجربة Jung ، موضحة أن هذه النسخة تسمى "ممحاة كمومية متأخرة الاختيار". يبدو أنك رأيت شيئًا كهذا على YouTube مرة واحدة.
في تجربة يونغ التقليدية مع شقين ، يمر شعاع الإلكترون عبر شقين ويدخل شاشة التسجيل. يترك كل إلكترون على حدة نقطة على الشاشة ، ولكن إذا انتظرنا حتى تتم كتابة الكثير من هذه الأحداث ، فسوف نرى صورة للتداخل مع خطوط فاتحة ومظلمة. وذلك لأن وظيفة الموجة للإلكترونات تمر عبر كل من الشقوق وتتداخل مع نفسها.
إذا قمنا بقياس الفجوة التي يمر بها كل إلكترون ، ستختفي صورة التداخل ، وسنرى توزيعًا سلسًا على الشاشة. ستخبرنا الكتب المدرسية حول ميكانيكا الكم تقليديًا أن هذا قد حدث بسبب انهيار وظيفة الموجة عندما لاحظنا ذلك على الشقوق. يشير التفسير متعدد العالم إلى أن ذلك يرجع إلى أن الإلكترون عابث بجهاز القياس ، وأن الجهاز عابث بالبيئة (حدث decoherence) ، وأن وظيفة الموجة تم تقسيمها إلى عالمين منفصلين ، في كل منهما عبر الإلكترون عبر واحد فقط من الشقوق.
تكون صورة التداخل مرئية عندما يمر الإلكترون من خلال فتحتين (على اليسار) ، حتى يتم إجراء محاولة لقياس من خلالها يمر الإلكترون (من اليمين).تجربتك معقدة: ستقوم بقياس الفجوة التي يمر بها الإلكترون ، ولكن ليس بجهاز ماكروسكوبي كبير ، ولكن بجهاز الكم ، وتخزين المعلومات في البادئة. على سبيل المثال ، لكل إلكترون "رئيسي" يمر عبر الفجوات ، لدينا إلكترون "مساعد" ثاني متشابك مع الأول. يتم الخلط بين الزوجين على النحو التالي: إذا كان الإلكترون الرئيسي يمر عبر الفجوة اليسرى ، فإن الإلكترون المساعد في حالة تدور لأعلى ، وإذا كان من خلال اليمين - مع الدوران لأسفل:
Ψ = (L) [↑] + (R) [↓].
أستاذك ، الذي من الواضح أنه ليس في حالة مزاجية اليوم ، يصر على أنك لا تأخذ قياسات على الإلكترونات "المساعدة" ، وحتى لا تدعهم يطيرون بعيدًا ويصطدمون بشيء في الغرفة. يمكنك التقاطها وتخزينها بعناية ، على سبيل المثال ، في فخ المغناطيسي.
ماذا سنرى على الشاشة إذا كررنا هذه التجربة مع العديد من الإلكترونات؟ بالطبع ، توزيع سلس دون صورة التدخل ، بطبيعة الحال. لا يمكن أن يحدث التداخل إلا إذا كان جزأان مكونان من نفس وظيفة الموجة ، وبما أن إلكترونين رئيسيين متشابكين الآن مع الإلكترونات المساعدة ، فإن المسارات من خلال الفتحات اليمنى واليسرى يمكن تمييزها ، ولا نرى صورة التداخل. في هذه الحالة ، اتضح أنه غير مبال بأننا لم يكن لدينا بعد حقيقي (وترابط) ، ولكن فقط ارتباك. الشيء الوحيد المهم هو أن الإلكترونات الرئيسية في حالة تشابك مع الإلكترونات المساعدة. أي لبس يقتل التدخل.
بالطبع ، يمكننا قياس دوران الإلكترونات المساعدة إذا أردنا. إذا قمنا بقياسها على طول المحور الرأسي ، فسنحصل على [↑] أو [↓]. فيما يتعلق بالحالة الكمومية ، فإن هذا سيضعنا إما في الكون الذي يمر فيه الإلكترون الرئيسي عبر الفجوة اليسرى ، أو في الكون الذي يمر فيه من خلال الفراغ الأيمن. أخيرًا ، إذا كررنا التجربة عدة مرات ، فلن نرى تداخلًا.
حسنًا ، يقول أستاذك بميل سادي ، فرك يديه بابتسامة شريرة. دعونا الآن نقيس إلكتروناتنا المساعدة ، ولكن ليس على العمودي ، ولكن على المحور الأفقي. ترتبط الحالة في القواعد الرأسية والأفقية بما يلي:
[↑] = [→] + [←] ،
[↓] = [→] - [←].
(للبساطة ، نحن نتجاهل عوامل التطبيع). في هذا الأساس ، ستبدو الحالة نفسها المذكورة أعلاه كما يلي:
Ψ = (L) [→] + (L) [←] + (P) [→] - (P) [←]
= ( + ) [→] + ( - ) [←].
عندما قمنا بقياس الدوران المساعد في الاتجاه الرأسي ، حصلنا على مسار معين للإلكترون الرئيسي: [↑] كان متشابكًا مع () ، و [↓] كان متشابكًا بـ (). عند إجراء القياس ، اكتشفنا ما إذا كان الإلكترون الرئيسي يمر عبر الفتحة اليسرى أم اليمنى. الآن نقوم بقياس الدوران على طول الاتجاه الأفقي ، ويختفي هذا اليقين. بعد القياس ، نجد أنفسنا مرة أخرى في فرع وظيفة الموجة ، حيث يمر الإلكترون الرئيسي مباشرة عبر فتحتين. إذا قمنا بقياس الدوران "الأيسر" ، فسيحصل الإلكترون الرئيسي على تحول في الطور عند المرور عبر الشق الأيمن (علامة الطرح) ، ولكن هذه ميزة رياضية بحتة.
لذلك ، باختيار طريقة القياس هذه ، قمنا "بمسح" المعلومات حول الفجوة التي مر الإلكترون من خلالها. هذا هو ما يسمى "ممحاة الكم". لا تؤدي عملية المسح نفسها إلى تغيير التوزيع الكلي للنقاط على الشاشة. تظل سلسة ، ولا يحدث التداخل: نتائج القياس "يسار" و "يمين" لا تزال عشوائية.
لكن الآن ليس لدينا فقط التوزيع العام للإلكترونات على الشاشة. بالنسبة لكل نقطة على الشاشة ، نعرف أيضًا نتيجة قياس الإلكترون المساعد: كانت في حالة "الدوران إلى اليسار" أو "الدوران إلى اليمين". إذن ، أستاذك يزهر ، دعنا نذهب الآن إلى الكمبيوتر ونقسم قياساتنا إلى جزأين: الجزء الذي يدور فيه الإلكترون المساعد إلى اليسار ، والجزء الذي كان عليه من اليمين. ماذا سوف نرى الآن؟
ومن الغريب أن تدخل الآن مرة أخرى. تشكل الإلكترونات الرئيسية المرتبطة بالإلكترونات المساعدة في الدوران الأيسر صورة للتداخل ، وكذلك تلك التي يكون للإلكترون المساعد لها تدور على اليمين. (تذكر أن صورة التداخل لا تظهر على الفور ، ولكنها تظهر عندما يتم جمع إحصائيات الإلكترون المفرد). لكن هاتين الصورتين يتم تبديلهما بالنسبة لبعضهما البعض ، بحيث تتزامن القمم في صورة واحدة مع الانخفاضات في الصورة الأخرى. عند تركيبها على بعضها البعض ، يحدث توزيع سلس عندما تكون صورة التداخل مخفية بالفعل.
مأخوذة من
ويكيبيدياإذا نظرنا إلى الوراء ، لن نجد ذلك مفاجئًا. إذا نظرنا إلى الطريقة التي تم بها تسجيل الحالة relative بالنسبة للإلكترونات المساعدة على أساس أفقي (تدور يسارًا أو يمينًا) ، فسوف نرى أن كل قياس كان متشابكًا مع الإلكترون الرئيسي الذي يمر عبر كلتا الفتحتين. بالطبع ، يمكن أن يحدث تدخل. وهذا الطرح ، الذي بدا تفصيلًا رياضيًا غير مهم تمامًا ، قام بنقل صورة واحدة مقارنة بصور أخرى بحيث عندما تم تركيبها ، شكلت صورة ناعمة.
يبدو أن استاذك يفاجأ بهذا أكثر منك. "لا يمكنك أن ترى!" هي تصرخ بحماس. "إذا لم نقم بقياس الإلكترونات المساعدة على الإطلاق ، أو قياسها على طول المحور العمودي ، فلن يحدث أي تداخل. وإذا قمنا بقياسها على طول المحور الأفقي ، اتضح أن هناك تداخلًا خفيًا يمكننا اكتشافه من خلال تقسيم نتائج القياس إلى أجزاء لفواصل مختلفة من الإلكترون المساعد. "
موافقة أنت والطلاب الآخرون على ذلك ، رغم أنك في حالة من الحيرة.
"فكر ماذا يعني ذلك! يمكن إجراء اختيار اتجاه قياس الدورات الدورانية بعد تسجيل جميع الإلكترونات الرئيسية على الشاشة. إذا حفظنا جميع ظهورهم الإضافي دون السماح لهم بالارتباك مع البيئة المحيطة ، فبإمكاننا اتخاذ هذا الخيار بعد سنوات. "
يبدو نعم ، يكمس الجمهور ، يبدو أنه صحيح.
"لكن يحدث التداخل فقط عندما تمر الإلكترونات الرئيسية عبر الشقين ، ويحدث توزيع سلس عندما يمر إلكترون عبر شق واحد. هذا القرار - بالمرور عبر شقين أو عبر واحد - يحدث قبل فترة طويلة من قياس الإلكترونات المساعدة. من الواضح أن قرارنا بقياسها أفقيًا بدلاً من إرساله عموديًا أرسل إشارة إلى الماضي وأبلغ الإلكترونات الرئيسية أنه يتعين عليهم المرور عبر الفتحتين في وقت واحد ، وليس من خلال واحدة. "
يتجمد الجمهور المحير للحظة وينفجر في الاحتجاج. الحل؟ العودة إلى الماضي؟ عن ماذا تتحدث لا يقوم الإلكترون باختيار فجوة أو أخرى. تتطور وظيفة الموجة (وكل شيء يتم الخلط فيه) وفقًا لمعادلة شرودنجر ، كالمعتاد. لا يتخذ الإلكترون خيارات ، فهو بالتأكيد يمر عبر كلا الشقين ، لكن يبدو أنه في حالة متشابكة. بقياس الإلكترونات المساعدة على طول اتجاهات مختلفة ، يمكننا اختيار أجزاء مختلفة من وظيفة الموجة المتشابكة ، بعضها يتداخل ، والبعض الآخر لا يتداخل. لا شيء عاد إلى الماضي. هذه تجربة رائعة ، لكن لا أحد يبني أي آلة زمنية هنا.
أنت ورفاقك على حق. أستاذك هو قليلا حملها بعيدا. هناك دائمًا إغراء التفكير في الإلكترون على أنه شيء يمتلك "خصائص الموجة والجسيم في نفس الوقت" ، وتفسير كوبنهاغن لميكانيكا الكم يتغاضى عن هذا فقط. إذا استسلمنا لهذا الإغراء ، فإن فكرة أن الإلكترون يتصرف إما كجسيم أو كموجة ، وفي كل تجربة يتحقق أحد هذين الخيارين ، ليست بعيدة. ومن هذا الموضع ، تؤدي ممحاة الكم مع خيار مؤجل إلى استنتاج مفاده أنه كان ينبغي نقل المعلومات إلى الماضي لمساعدة الإلكترون في الاختيار. بصراحة ، غالبًا ما تؤدي التفسيرات الشائعة إلى تعقيد الصورة ، مما يخلق هالة من الغموض في ميكانيكا الكم. والافتراض بأن ميكانيكا الكم تسمح لك بإرسال إشارات إلى الماضي يضيف فقط الوقود إلى النار.
يجب مقاومة كل هذه الإغراءات. الإلكترون هو ببساطة جزء من دالة الموجة للكون. إنه لا يختار أن يكون جسيمًا أو موجة. لكن لسبب ما ، حتى الباحثين الجادين في أساسيات فيزياء الكم ، يفكرون في بعض الأحيان في تجارب مع ممحاة كمومية مع تأخر اختيار وآخرون مثله (والذي ، بالمناسبة ، تم اختباره مرارًا وتكرارًا في الممارسة) كدليل على عكس السببية في الطبيعة - إشارات تنتشر للخلف في الوقت المناسب ، تؤثر على الماضي. اقترح متغير من هذه التجربة ، لم يقترحه سوى جون ويلر ، العديد من التلسكوبات على الجانب الآخر من الشاشة والتي يمكن أن تحدد الفجوة التي مر الإلكترون ، في وقت متأخر عن اللحظة التي مرت فيها. على عكس المعلقين اللاحقين ، لم يذهب ويلر إلى حد اقتراح السببية العكسية ، ولم يصر على أن الإلكترون دائمًا إما جسيم أو موجة.
ليست هناك حاجة لعكس السببية لشرح ممحاة الكم المؤجلة. لمتابع التفسير متعدد العالم ، والنتيجة واضحة دون أي وقت السفر. الحيلة هي أنه عند التشابك مع دوران واحد ، وليس مع مجموعة ضخمة من الجسيمات في كاشف وبيئة كلاسيكية ، فإن الإلكترون لا يتحلل بالمعنى الكامل للكلمة. عندما يكون الإلكترون الرئيسي متشابكًا بجسيم واحد فقط ، يمكننا النظر في خيارات مختلفة لقياس هذه الجسيمات المساعدة. إذا ، كما في تجربة يونج المعتادة ، قمنا بقياس الفجوة التي مر خلالها الإلكترون باستخدام جهاز عياري كلاسيكي ، ليس لدينا مثل هذا الخيار من خيارات القياس. مع decoherence الحقيقي ، يتم تعزيز حجم صغير من التشابك الأصلي ، لا رجعة فيه أساسا ، إلى التشابك مع البيئة. وبهذا المعنى ، تثبت ممحاة الكم التي تم تأجيلها لتكون تجربة فكرية مفيدة للتعرف على دور التماسك والبيئة في القياسات.
لسوء الحظ ، ليس الجميع مؤيدين لتفسير متعدد العالم. في إصدارات أخرى من ميكانيكا الكم ، تنهار وظائف الموجات فعليًا ، على عكس التفسير متعدد المتغيرات ، حيث يكون الانهيار واضحًا فقط ، وينشأ بسبب فك الارتباط. في التفسيرات التي يحدث فيها الانهيار فعليًا (مثل GRW) ، يتضح أنه غير متماثل في الوقت المناسب: تنهار دالة الموج ، لكن لا يمكنها العودة إلى حالتها الأصلية. إذا حدث في نظريتك انهيار وظيفة الموجة ، ولكن في نفس الوقت تريد الحفاظ على تناسق الوقت العام في قوانين الفيزياء ، يمكنك إقناع نفسك بالحاجة إلى السببية العكسية.
أو يمكنك قبول التطور السلس لوظيفة الموجة باستخدام المتفرعة بدلاً من الانهيار ، والحفاظ تلقائيًا على تناسق الوقت لجميع المعادلات الأساسية دون الحاجة إلى السفر عبر الزمن أو الإلكترونات المشكوك فيها.
مرحبا بكم في العديد من العوالم!