एक बंद लूपोल क्वांटम दुनिया की असत्यता की पुष्टि करता है

प्रसिद्ध प्रयोग में एक खामियों की खोज के बाद, जो क्वांटम वस्तुओं के आंतरिक गुणों की अनुपस्थिति साबित हुई, प्रयोगकर्ताओं के तीन समूहों ने इसे बंद कर दिया। यह एपिसोड छिपे हुए चर के सिद्धांतों पर मुद्दे को बंद कर देता है।

सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी जॉन व्हीलर ने एक बार फोटॉन काउंटर से एक स्रोत से उड़ने वाले प्रकाश के एक कण का वर्णन करने के लिए "विशाल स्मोकी ड्रैगन" वाक्यांश का उपयोग किया था। "ड्रैगन का मुंह तेज है जहां वह काउंटर को काटता है। ड्रैगन की पूंछ तेज है, जहां से फोटॉन आता है, ”व्हीलर ने लिखा। दूसरे शब्दों में, फोटॉन की शुरुआत और पथ के अंत में एक निश्चित वास्तविकता है। लेकिन बीच में उसका राज्य - ड्रैगन का शरीर - धुंधला है। "हमें इस बारे में बात करने का अधिकार नहीं है कि ड्रैगन क्या करता है, या इसके बीच क्या दिखता है।"

व्हीलर ने इस दृष्टिकोण का समर्थन किया कि जब तक हम एक अवलोकन नहीं करते हैं, तब तक प्रारंभिक क्वांटम घटना को वास्तविक नहीं कहा जा सकता है - एक दार्शनिक स्थिति जिसे यथार्थवाद विरोधी कहा जाता है । यहां तक ​​कि उन्होंने एक प्रयोग करके यह प्रदर्शित किया कि यदि आप यथार्थवाद पर जोर देते हैं - जिसमें क्वांटम ऑब्जेक्ट्स जैसे फोटॉनों में हमेशा कुछ आंतरिक गुण होते हैं, जो वास्तविकता के एक क्लासिक विचार की तरह है - तो आपको यह स्वीकार करना होगा कि भविष्य प्रभावित कर सकता है भूतकाल के लिए। समय पर वापस यात्रा करने की बेरुखी के कारण, व्हीलर के प्रयोग ने क्वांटम स्तर पर विरोधी यथार्थवाद के लिए तर्क दिया है।

लेकिन मई 2018 में, इंटरनेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स के सहकर्मियों के साथ राफेल शावेज को एक खामी मिली। उन्होंने दिखाया कि कुछ मान्यताओं के तहत व्हीलर प्रयोग को शास्त्रीय मॉडल का उपयोग करके समझाया जा सकता है, जो फोटॉन के आंतरिक गुणों को बताता है। उन्होंने ड्रैगन को एक स्पष्ट रूप से परिभाषित शरीर प्रदान किया, जो मानक क्वांटम यांत्रिकी के गणितीय औपचारिकता से छिपा हुआ था।


राफेल शावेज

शावेज़ की टीम ने खामियों का परीक्षण करने के लिए व्हीलर के प्रयोग में संशोधन का प्रस्ताव दिया है। असामान्य चपलता वाली तीन अन्य टीमों ने एक संशोधित प्रयोग किया। जून में प्रकाशित उनके परिणामों से पता चला कि यथार्थवाद को बढ़ावा देने वाले क्लासिक मॉडल परिणामों की एक सार्थक व्याख्या प्रदान नहीं करते हैं। क्वांटम यांत्रिकी अजीब हो सकती है, लेकिन यह सबसे सरल स्पष्टीकरण उपलब्ध है।

ड्रैगन का जाल

व्हीलर ने 1983 में अपने प्रयोग के साथ क्वांटम यांत्रिकी के मुख्य वैचारिक रहस्यों में से एक पर जोर देने के लिए आया: लहर-कण द्वैत । क्वांटम ऑब्जेक्ट या तो कणों या तरंगों के रूप में व्यवहार करते हैं, लेकिन एक साथ और इतने पर नहीं। क्वांटम यांत्रिकी की इस संपत्ति से, ऐसा लगता है कि यह इस प्रकार है कि वस्तुओं का कोई आंतरिक वास्तविकता नहीं है जब तक कि वे दिखाई नहीं देते। मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के भौतिक विज्ञानी और इतिहासविद् डेविड कैसर ने कहा, "भौतिक विज्ञानियों को लगभग सौ वर्षों तक द्वैतवाद के साथ क्वांटम सिद्धांत की एक अंतर्निहित और अजीब विशेषता के रूप में प्रस्तुत करना पड़ा।" "यह विचार क्वांटम सिद्धांत की अन्य विशिष्ट अजीब विशेषताओं से पहले आया था, जैसे कि हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत और श्रोडडिंग बिल्ली ।"

इस घटना को मच - ज़हंडर इंटरफेरोमीटर नामक दो स्लिट्स के साथ प्रसिद्ध प्रयोग के एक विशेष मामले द्वारा जोर दिया गया है।

एक प्रयोग में, एक फोटॉन को पारभासी दर्पण, या एक किरण फाड़नेवाला की ओर लॉन्च किया जाता है। समान संभावना वाला एक फोटॉन या तो इसे दर्शाता है या इसके माध्यम से गुजरता है - जिसके परिणामस्वरूप यह अंततः दो रास्तों में से एक का अनुसरण करता है। इस स्थिति में, यह या तो पथ 1 के साथ, या पथ 2 के साथ जाएगा, और या तो डिटेक्टर D1 में या D2 में समान संभावना के साथ होगा। एक फोटॉन एक अदृश्य पूरे के रूप में व्यवहार करता है, जो अपनी कोरपसकुलर प्रकृति का प्रदर्शन करता है।

लेकिन एक अति सूक्ष्म अंतर है। पथ 1 और 2 के चौराहे पर, आप एक और बीम फाड़नेवाला जोड़ सकते हैं जो सब कुछ बदल देता है। इस मामले में, क्वांटम यांत्रिकी का कहना है कि एक फोटॉन, जैसा कि यह था, एक लहर के रूप में एक साथ दो रास्तों से गुजरता है। ये दोनों तरंगें एक दूसरे बीम स्प्लिटर पर एक साथ परिवर्तित होती हैं। प्रयोग को स्थापित किया जा सकता है ताकि लहरों को रचनात्मक रूप से जोड़ा जाए - शिखर से शिखर तक, विफलता से विफलता - केवल अगर वे डी 1 डिटेक्टर की ओर जाते हैं। और काउंटर डी 2 का मार्ग विनाशकारी हस्तक्षेप को दर्शाता है। इस स्थिति में, फोटोन हमेशा डी 1 में पाया जा सकता है, और डी 2 में कभी नहीं। इस मामले में, फोटॉन अपनी तरंग प्रकृति को प्रदर्शित करता है।


ऊपर: एक फोटॉन एक कण के रूप में। प्रत्येक डिटेक्टर 50% मामलों में फोटॉन पंजीकृत करता है।
बीच में: एक फोटॉन एक लहर की तरह। फोटॉन केवल D1 को पंजीकृत करता है।
नीचे: लंबित चयन। हम एक दूसरे बीम फाड़नेवाला के बिना शुरू करते हैं, और इसे अंतिम क्षण में जोड़ते हैं। फोटॉन, जो पहले एक कण की तरह व्यवहार करता था, अचानक एक लहर की तरह व्यवहार करना शुरू कर देता है।
निष्कर्ष: या तो एक दूसरे बीम फाड़नेवाला का परिचय अतीत में फोटॉन को एक संकेत भेजता है, या फोटॉन का कोई आंतरिक गुण नहीं है।

व्हीलर की प्रतिभा ने खुद को इस सवाल में प्रकट किया: क्या होगा अगर हम एक दूसरे बीम फाड़नेवाला को जोड़ने के विकल्प में देरी करते हैं? मान लीजिए कि एक फोटॉन एक इंटरफेरोमीटर में प्रवेश करता है जब वहां कोई दूसरा बीम फाड़नेवाला नहीं है। इसे एक कण की तरह व्यवहार करना होगा। लेकिन आप बहुत अंतिम नैनोसेकंड में एक दूसरा बीम फाड़नेवाला जोड़ सकते हैं। सिद्धांत और प्रयोग प्रदर्शित करता है कि एक फोटॉन, जिसे पहले एक कण की तरह व्यवहार करना था, और या तो डिटेक्टर डी 1 या डी 2 में मिलता है, एक लहर की तरह व्यवहार करना शुरू कर देता है, और केवल डी 1 में मिलता है। ऐसा करने के लिए, उसे एक साथ दो रास्तों पर जाने की जरूरत है, न कि उनमें से किसी एक के साथ। शास्त्रीय अर्थ में, सब कुछ ऐसा होता है जैसे कोई फोटॉन समय में वापस आया और उसके सार को कण से तरंग में बदल दिया।

इस तरह के प्रतिशोध से बचने का एक तरीका [भूतकाल से भविष्य में होने वाली घटनाओं का प्रभाव] है, जिससे इनकार किया जा सकता है कि फोटॉन की आंतरिक वास्तविकता है और यह बताने के लिए कि फोटोन केवल तभी मापा जाता है जब मापा जाता है। फिर हमारे पास वापस हवा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

इस तरह के विरोधी यथार्थवाद, जो अक्सर क्वांटम यांत्रिकी की कोपेनहेगन व्याख्या के साथ जुड़ा हुआ है, चावेज़ के काम के प्रकाशन के बाद एक सैद्धांतिक झटका मिला, कम से कम इस प्रयोग के संदर्भ में। उनकी टीम ने क्वांटम यांत्रिकी के काउंटर-सहज ज्ञान युक्त गुणों का एक नया सेट का उपयोग करके व्याख्या करने का निर्णय लिया, कारण, कारण [कारण] मॉडलिंग, जिसकी लोकप्रियता पिछले दशक में कंप्यूटर वैज्ञानिक जूड पेरले और अन्य की सहायता से बढ़ी है। कारण मॉडलिंग एक प्रयोग के विभिन्न तत्वों के बीच एक कारण संबंध निर्धारित करता है। अक्सर, जब परस्पर संबंधित घटनाओं का अध्ययन करते हैं - तो हम उन्हें A और B कहते हैं - हम निश्चित रूप से यह नहीं कह सकते हैं कि A, B का कारण है, या B, A का कारण है, ऐसी संभावना है कि उन दोनों का कारण अप्रत्याशित या "छिपा हुआ" घटना B है। ऐसे मामलों में, कारण मॉडलिंग इस बी को प्रकट करने में मदद कर सकता है।

शावेज और उनके सहयोगियों, गैब्रिएला लेमोस और जैक्स पीनार्ड ने व्हीलर के विलंबित प्रयोग पर ध्यान केंद्रित किया, जिसमें एक छिपी हुई प्रक्रिया के साथ एक मॉडल खोजने में विफलता की उम्मीद थी जो फोटॉन को एक आंतरिक वास्तविकता देगा और बिना किसी प्रतिशोध के उसके व्यवहार की व्याख्या करेगा। उनका मानना ​​था कि वे यह साबित कर देंगे कि स्थगित विकल्प के साथ प्रयोग "इस अर्थ में अत्यंत प्रतिशोधी था, कि कोई भी कारण मॉडल इसे स्पष्ट नहीं कर सकता है," चावेज़ ने कहा।


गैब्रिएला लेमोस

लेकिन एक आश्चर्य उन्हें इंतजार कर रहा था। कार्य काफी सरल था। उन्होंने सुझाव दिया कि फोटॉन, पहले बीम स्प्लिटर से गुजरने के तुरंत बाद, एक "छिपी चर" द्वारा परिभाषित आंतरिक स्थिति है। इस संदर्भ में, एक छिपी चर वह चीज है जो मानक क्वांटम यांत्रिकी में उपलब्ध नहीं है, लेकिन यह किसी तरह से एक फोटॉन के व्यवहार को प्रभावित करता है। प्रयोग करने वाले ने फिर एक दूसरे बीम फाड़नेवाला को जोड़ने या हटाने का फैसला किया। अतीत की यात्रा पर प्रतिबंध लगाने के कारण मॉडलिंग यह सुनिश्चित करती है कि प्रयोगकर्ता की पसंद फोटॉन की पिछली स्थिति को प्रभावित न करे।

यथार्थवाद का समर्थन करने वाले एक छिपे हुए चर को देखते हुए, टीम ने दिखाया कि नियमों को लिखना संभव है जो चर के मूल्य का उपयोग करते हैं और एक दूसरे बीम फाड़नेवाला की उपस्थिति या अनुपस्थिति को डी 1 या डी 2 में फोटॉन का संचालन करने के लिए एक तरह से करते हैं जो क्वांटम यांत्रिकी की भविष्यवाणियों को दोहराता है। उन्हें एक क्लासिक, कारणपूर्ण, यथार्थवादी स्पष्टीकरण मिला। उन्हें एक नई खामी मिली।

इसने कई भौतिकविदों को आश्चर्यचकित करते हुए कहा, टिम बर्न्स , जो शंघाई में न्यूयॉर्क विश्वविद्यालय से क्वांटम सैद्धांतिक भौतिकी के विशेषज्ञ थे। बर्न्स ने कहा, "लोगों ने इस बात की सराहना की कि इस तरह के प्रयोग से क्लासिक विवरण की अनुमति मिलती है जो पूरी तरह से प्रयोग के परिणामों को दोहराता है।" "आप किसी भी क्वांटम यांत्रिकी के बिना एक छिपे हुए चर के साथ एक सिद्धांत बना सकते हैं।"

"यह एक शून्य कदम था," शावेज़ ने कहा। अगला कदम यह है कि व्हीलर प्रयोग को कैसे संशोधित किया जाए, ताकि छिपे हुए चर और क्वांटम यांत्रिकी के शास्त्रीय सिद्धांत के बीच एक अंतर किया जा सके।

संशोधित प्रयोग में, माच - ज़हन्डर इंटरफेरोमीटर अपरिवर्तित रहे; एक दूसरा बीम फाड़नेवाला हमेशा मौजूद होता है। इसके बजाय, प्रयोगात्मक समायोजन की भूमिका, जिसे शोधकर्ता इच्छा पर बदल सकते हैं, दो चरण की शिफ्टों द्वारा खेला जाता है - एक प्रयोग की शुरुआत में, दूसरा अंत में।

दो चरण की पाली का संयुक्त प्रभाव सापेक्ष पथ की लंबाई को बदलता है। इससे हस्तक्षेप की तस्वीर बदल जाती है, और इसके साथ फोटॉन की ग्रहणशील लहर या कण व्यवहार होता है। उदाहरण के लिए, पहले चरण की शिफ्ट का मान ऐसा हो सकता है कि फोटोन इंटरफेरोमीटर के अंदर एक कण की तरह व्यवहार करता है, और दूसरी पारी के कारण यह एक लहर की तरह व्यवहार कर सकता है। शोधकर्ताओं को पहले के बाद दूसरी पारी की जरूरत थी।

इस तरह के एक प्रयोगात्मक सेटअप के साथ, शावेज टीम शास्त्रीय कारण मॉडल और क्वांटम यांत्रिकी के बीच अंतर करने का एक तरीका लेकर आई। मान लीजिए पहला चरण संक्रमण तीन में से एक चर ले सकता है, और दूसरा दो में से एक। यह प्रयोग की छह संभावित सेटिंग्स को बताता है। और यहां छिपे हुए चर और मानक क्वांटम यांत्रिकी के शास्त्रीय मॉडल की भविष्यवाणियां अलग हैं। तब वैज्ञानिकों ने एक सूत्र बनाया। सूत्र अपने इनपुट पर प्राप्त करता है कि किसी विशेष डिटेक्टर पर एक फोटॉन के आने की संख्या के आधार पर गणना की जाने वाली संभावनाएं (दो चरण के बदलाव के साथ एक सूत्रीकरण के आधार पर)। यदि सूत्र शून्य है, तो शास्त्रीय कारण मॉडल आंकड़ों की व्याख्या करने में सक्षम है। लेकिन यदि समीकरण शून्य से अधिक संख्या में पैदावार देता है, तो छिपे हुए चर पर लगाए गए कुछ प्रतिबंधों के कारण, प्रयोगात्मक परिणामों का कोई शास्त्रीय विवरण नहीं है।

शावेज ने फेबियो साइकारिनो के साथ मिलकर रोम के सपन्याजा विश्वविद्यालय के क्वांटम भौतिकी के विशेषज्ञ और उनके सहयोगियों के साथ असमानता का परीक्षण किया। उसी समय, दो चीनी टीमों, एक जीन-वी पैन के नेतृत्व में, हेफ़ेई विश्वविद्यालय के विज्ञान और प्रौद्योगिकी के एक प्रायोगिक भौतिक विज्ञानी, और दूसरे, उसी विश्वविद्यालय से, गुआंग-कांग गुओ के नेतृत्व में, ने अपने प्रयोगों का संचालन किया।

प्रत्येक टीम ने योजना को थोड़ा अलग तरीके से लागू किया। गुओ के समूह ने एक वास्तविक मच-ज़ेन्डर इंटरफेरोमीटर का उपयोग करके एक सरल विकल्प का पालन किया। ग्रिफ़िथ विश्वविद्यालय के एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी हॉवर्ड वाइसमैन ने कहा कि यह प्रयोग, व्हीलर के मूल प्रस्ताव के सबसे नज़दीकी प्रस्ताव है।

तीनों टीमों ने दिखाया कि सूत्र की गणना का परिणाम अकाट्य सांख्यिकीय महत्व के साथ शून्य से अधिक है। उन्होंने उन क्लासिक कारण मॉडल को बाहर कर दिया जो व्हीलर के प्रयोग को स्थगित विकल्प के साथ समझा सकते थे। लूपहोल बंद हो गया है। "हमारे प्रयोग ने व्हीलर के प्रसिद्ध विचार को बचाया," पान ने कहा।

वे छिपे हुए चर जो अभी भी बने हुए हैं

कैसर चावेज़ के "सुरुचिपूर्ण" सैद्धांतिक काम और उसके बाद के प्रयोगों से प्रभावित थे। "तथ्य यह है कि प्रत्येक प्रयोग में असमानता के स्पष्ट संकेत पाए जाते हैं, इस बात के पुख्ता सबूत हैं कि ऐसी प्रणालियों के" शास्त्रीय "मॉडल वास्तव में दुनिया के काम की वास्तविक योजना का वर्णन नहीं करते हैं, जबकि क्वांटम-मैकेनिकल भविष्यवाणियां नवीनतम परिणामों के साथ पूरी तरह से मेल खाती हैं। उसने कहा।

सूत्र का उपयोग कुछ मान्यताओं के साथ किया जाता है। सबसे बड़े में से एक - कारण मॉडल में उपयोग किया जाने वाला क्लासिक छिपा हुआ चर, दो सूचनाओं में से एक को ले सकता है, एक बिट जानकारी में एन्कोडेड। शावेज इसे उचित मानते हैं, क्योंकि एक क्वांटम प्रणाली - एक फोटॉन - केवल एक बिट जानकारी को एन्कोड कर सकती है (यह या तो इंटरफेरोमीटर के एक हाथ में या दूसरे में जाती है)। "यह बताना स्वाभाविक होगा कि छिपे हुए चर का मॉडल भी दो-आयामी होना चाहिए," शावेज़ ने कहा।


डेविड कैसर

लेकिन सूचना को ले जाने की अतिरिक्त क्षमता वाला एक छिपा हुआ चर एक विलंबित विकल्प के साथ संशोधित प्रयोग में देखे गए आँकड़ों की व्याख्या करने के लिए कारण मॉडल की क्षमता को बहाल कर सकता है।

इसके अलावा, ये प्रयोग सबसे लोकप्रिय छिपे हुए चर सिद्धांत का खंडन नहीं करते हैं। डी ब्रोगली-बोहम सिद्धांत , मानक क्वांटम यांत्रिकी के एक नियतात्मक और यथार्थवादी विकल्प, एक प्रयोग को एक स्थगित विकल्प के साथ समझाने में सक्षम है। इस सिद्धांत के अनुसार, कणों में हमेशा एक स्थान होता है (जो छिपे हुए चर होते हैं), और इसलिए, उद्देश्य वास्तविकता, लेकिन एक ही समय में वे एक लहर द्वारा निर्देशित होते हैं। इसलिए, वास्तविकता लहर और कोरपसकुलर दोनों है। एक लहर दोनों रास्तों से गुजरती है, और एक कण दो रास्तों से गुजरता है। दूसरी बीम फाड़नेवाला की उपस्थिति या अनुपस्थिति उस लहर को प्रभावित करती है जो कण को ​​डिटेक्टरों को संचालित करती है - और यह परिणाम मानक क्वांटम यांत्रिकी के साथ मेल खाता है।

विजमैन के लिए, कोपेनहेगन व्याख्या और डी ब्रोगली-बोहम सिद्धांत के बीच टकराव पर बहस अभी तक पूरी नहीं हुई है। "कोपेनहेगन व्याख्या में समय का कोई अजीब संचलन नहीं है क्योंकि हमें फोटॉन के अतीत के बारे में बात करने का कोई अधिकार नहीं है," उन्होंने एक ई-मेल में लिखा है। डी ब्रोगली-बोहम की व्याख्या में, हमारे ज्ञान से स्वतंत्र एक वास्तविकता है, लेकिन कोई समस्या नहीं है, क्योंकि कोई समय उलट नहीं है - लेकिन एक अद्वितीय कारण (दूरंदेशी) विवरण है। "

कैसर, किए गए प्रयासों की प्रशंसा करते हुए आगे बढ़ना चाहता है। वर्तमान प्रयोगों में, एक दूसरे चरण की शिफ्ट या एक दूसरे बीम स्प्लिटर को जोड़ने या न करने का विकल्प क्वांटम रैंडम नंबर जनरेटर द्वारा बनाया गया था। लेकिन इस प्रयोग में, क्वांटम यांत्रिकी को स्वयं परखा जाता है, जिसके कारण इसमें वृत्ताकार निर्भरता होती है। कैसर ने कहा, "यह जांचना अच्छा होगा कि क्या प्रयोगात्मक परिणाम उन डिजाइनों के अनुरूप भी हैं जो पूरी तरह से यादृच्छिकता के विभिन्न स्रोतों पर आधारित हैं।"

यह अंत करने के लिए, कैसर और उनके सहयोगियों ने दूर के कैसर से आने वाले फोटॉन का उपयोग करके यादृच्छिकता का ऐसा स्रोत बनाया, जिनमें से कई आधे से अधिक [अवलोकनीय] यूनिवर्स से गुजर गए। कैलिफोर्निया में टेबल माउंटेन ऑब्जर्वेटरी में मीटर-हाई टेलीस्कोप द्वारा फोटोन एकत्रित किए गए थे। यदि फोटोन वेवलेंथ एक निश्चित सीमा से अधिक नहीं है, तो यादृच्छिक संख्या जनरेटर 0 देता है, अन्यथा 1. सिद्धांत रूप में, इस बिट का उपयोग यादृच्छिक रूप से प्रयोगात्मक स्थितियों का चयन करने के लिए किया जा सकता है। यदि परिणाम व्हीलर के प्रारंभिक कथन का समर्थन करना जारी रखते हैं, तो "यह हमें यह कहने का एक और कारण देगा कि तरंग-कण द्वैत को शास्त्रीय भौतिकी में नहीं समझाया जा सकता है," कैसर ने कहा। - क्वांटम भौतिकी के लिए वैचारिक विकल्पों की सीमा फिर से कम हो गई है, और पहले से ही इसे रोक दिया गया है। और यह ठीक है कि हम इसके लिए प्रयास कर रहे हैं। "

इस बीच, ड्रैगन का शरीर, जो कुछ ही हफ्तों के लिए सादे दृष्टि में दिखाई दिया, फिर से स्मोकी और अस्पष्ट हो गया।

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