भविष्य में वापस? लंबित इरेज़र क्वांटम

क्वांटम भौतिकी के चमत्कार के बारे में लेख और टिप्पणियां समय-समय पर हबेरी पर दिखाई देती हैं: क्वांटम इरेज़र और कमजोर माप। दुर्भाग्य से, बहुत बार उन्हें रहस्यमय और समझ से बाहर की घटनाओं के रूप में बोला जाता है, जो लगभग जादू पैदा करना संभव बनाता है, हालांकि वास्तव में उनमें कुछ भी आश्चर्यजनक नहीं है। इस पोस्ट में, मैं आस्थगित क्वांटम इरेज़र्स पर शॉन कैरोल के लेख का अनुवाद कर रहा हूं। यह क्वांटम यांत्रिकी के सभी ट्रिक्स की टिप्पणियों में चर्चा के लिए शुरुआती बिंदु है।

अनुवादक से। शॉन कैरोल Caltech में एक प्रोफेसर हैं, जो कॉस्मोलॉजी और क्वांटम भौतिकी की मूल बातें में विशेषज्ञता रखते हैं। वह क्वांटम यांत्रिकी के कई-संसारों की व्याख्या (एमएमआई) का एक सुसंगत प्रस्तावक है, जिसके बारे में कुछ गहरा छिपा हुआ है। तदनुसार, पोस्ट में प्रयोग की व्याख्या MMI के दृष्टिकोण से होगी। हालांकि और बड़े द्वारा यह स्पष्टीकरण के लिए इतना महत्वपूर्ण नहीं है। यदि आप मूल बातें ताज़ा करना चाहते हैं तो आप एमएमआई के बारे में मेरी हालिया पोस्ट पढ़ सकते हैं।

कैरोल एक बेहतरीन माइंडस्केप पॉडकास्ट भी होस्ट करता है। यह पॉडकास्ट पिछले वर्ष में मेरे बौद्धिक जीवन की लगभग मुख्य घटना थी, और, ईमानदारी से, यह सबसे अच्छा है कि आप इस पद से बाहर निकल सकते हैं।

अस्वीकरण! कुछ स्थानों पर मैंने थोड़ा पाठ अनुकूलित किया, और स्पष्टता के लिए अपने आप से थोड़ा जोड़ा। सभी त्रुटियां मेरे विवेक पर हैं (और पीएम में, मुझे आशा है)।

यह लेख समथिंग डीप्ली हिडन से एक अध्याय है, जिसे पाठ के अंतिम संस्करण में शामिल नहीं किया गया था।



आइए कल्पना करें कि आप एक भौतिकी छात्र हैं, प्रायोगिक कार्य में एक कोर्स पर बैठे हैं, और प्रोफेसर एक विशेष रूप से खराब मूड में हैं। यह आपको जंग के अनुभव के एक विशेष रूप से अजीब संस्करण का संचालन करने के लिए मजबूर करता है , यह समझाते हुए कि इस संस्करण को "देरी-पसंद-चयनकर्ता कोष" कहा जाता है। लगता है आपने एक बार YouTube पर कुछ ऐसा देखा होगा।
जंग के पारंपरिक प्रयोग में दो स्लिट्स के साथ, एक इलेक्ट्रॉन बीम दो स्लिट्स से गुजरती है और रिकॉर्डिंग स्क्रीन में प्रवेश करती है। प्रत्येक इलेक्ट्रॉन व्यक्तिगत रूप से स्क्रीन पर एक डॉट छोड़ता है, लेकिन अगर हम तब तक इंतजार करते हैं जब तक कि इस तरह की घटनाओं का एक बहुत कुछ टाइप नहीं हो जाता है, हम प्रकाश और अंधेरे धारियों के साथ एक हस्तक्षेप तस्वीर देखेंगे। इसका कारण यह है कि इलेक्ट्रॉनों की तरंग क्रिया दोनों स्लिट्स से होकर गुजरती है और स्वयं के साथ हस्तक्षेप करती है।


यदि हम मापते हैं कि प्रत्येक इलेक्ट्रॉन किस अंतराल से गुजरता है, तो हस्तक्षेप छवि गायब हो जाएगी, और हम स्क्रीन पर एक सुचारू वितरण देखेंगे। क्वांटम यांत्रिकी पर पाठ्यपुस्तकें परंपरागत रूप से हमें बताएंगी कि तरंग फ़ंक्शन के पतन के कारण ऐसा हुआ था जब हमने इसे स्लिट्स पर देखा था। बहु-संसार की व्याख्या कहती है कि ऐसा इसलिए है क्योंकि इलेक्ट्रॉन ने मापक यंत्र के साथ खिलवाड़ किया, और उपकरण ने पर्यावरण (गड़बड़ होने) के साथ खिलवाड़ किया और तरंग क्रिया को दो अलग-अलग दुनियाओं में विभाजित किया गया, जिनमें से प्रत्येक में इलेक्ट्रॉन भट्ठों में से एक से होकर गुजरा।

हस्तक्षेप तस्वीर तब दिखाई देती है जब इलेक्ट्रॉन दो स्लॉट (बाईं ओर) से गुजरता है, जब तक कि मापने का प्रयास नहीं किया जाता है जिसके माध्यम से इलेक्ट्रॉन गुजरता है (दाएं पर)।

आपका प्रयोग जटिल है: आप मापेंगे कि किस माध्यम से एक इलेक्ट्रॉन गुजरता है, लेकिन एक बड़े मैक्रोस्कोपिक उपकरण के साथ नहीं, बल्कि एक क्वांटम डिवाइस के साथ, और जानकारी को एक क्विबेट में संग्रहीत करता है। उदाहरण के लिए, अंतराल के माध्यम से गुजरने वाले प्रत्येक "मुख्य" इलेक्ट्रॉन के लिए, हमारे पास एक दूसरा "सहायक" इलेक्ट्रॉन है जो पहले से उलझा हुआ है। यह जोड़ी निम्नानुसार उलझन में है: यदि मुख्य इलेक्ट्रॉन बाईं खाई से गुजरता है, तो सहायक इलेक्ट्रॉन एक स्थिति में स्पिन के साथ होता है, और यदि दाईं ओर से - नीचे स्पिन के साथ:

Ψ = (एल) [)] + (आर) [)]।

आपके प्रोफेसर, जो स्पष्ट रूप से आज मूड में नहीं हैं, इस बात पर जोर देते हैं कि आप "सहायक" इलेक्ट्रॉनों पर माप नहीं लेते हैं, और उन्हें दूर उड़ने और कमरे में कुछ भी दुर्घटनाग्रस्त नहीं होने देते हैं। आप ध्यान से उन्हें पकड़ते हैं और स्टोर करते हैं, उदाहरण के लिए, एक चुंबकीय जाल में।
यदि हम कई इलेक्ट्रॉनों के साथ इस तरह के प्रयोग को दोहराते हैं, तो हम स्क्रीन पर क्या देखेंगे? बेशक, एक हस्तक्षेप छवि के बिना एक चिकनी वितरण, बिल्कुल। हस्तक्षेप केवल तभी हो सकता है जब दो भाग एक ही तरंग फ़ंक्शन के घटक होते हैं, और चूंकि दो मुख्य इलेक्ट्रॉन अब सहायक होते हैं, बाएं और दाएं स्लॉट्स के माध्यम से पथ अलग-अलग होते हैं, और हम हस्तक्षेप तस्वीर नहीं देखते हैं। इस मामले में, यह उदासीन हो जाता है कि हमारे पास वास्तविक आयाम नहीं था (और निर्वचन), लेकिन यह भ्रम था। एकमात्र महत्वपूर्ण बात यह है कि मुख्य इलेक्ट्रॉनों सहायक इलेक्ट्रॉनों के साथ उलझाव की स्थिति में हैं। कोई भी भ्रम हस्तक्षेप को मारता है।

बेशक, हम सहायक इलेक्ट्रॉनों के स्पिन को माप सकते हैं यदि हम चाहें। यदि हम उन्हें ऊर्ध्वाधर अक्ष के साथ मापते हैं, तो हमें [[] या [the] मिलता है। क्वांटम अवस्था के संबंध में will यह हमें या तो ब्रह्मांड में रखेगा जहां मुख्य इलेक्ट्रॉन बाईं खाई से होकर गुजरा है, या ब्रह्मांड में जहां यह दाईं ओर से गुजरा है। अंत में, यदि हम कई बार प्रयोग दोहराते हैं, तो हम हस्तक्षेप नहीं देखेंगे।

ठीक है, अपने प्रोफेसर को दुखवादी झुकाव के साथ कहते हैं, एक खलनायक मुस्कराहट के साथ अपने हाथों को रगड़ते हैं। आइए अब हमारे सहायक इलेक्ट्रॉनों को मापें, लेकिन ऊर्ध्वाधर पर नहीं, बल्कि क्षैतिज अक्ष पर। ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज आधारों की स्थिति निम्नानुसार है:
[[] = [→] + [↑],
[[] = [→] - [↓]।

(सादगी के लिए, हम सामान्यीकरण कारकों को त्याग देते हैं)। इस आधार पर, ऊपर की स्थिति समान दिखाई देगी:

Ψ = (एल) [→] + (एल) [)] + (पी) [→] - (पी) [)]
= (लास + सं।) [→] + (लास - सं।) [)]।

जब हमने सहायक स्पिन को ऊर्ध्वाधर दिशा में मापा, तो हमने मुख्य इलेक्ट्रॉन का एक निश्चित मार्ग प्राप्त किया: [was] (लास) के साथ उलझ गया था, और [↓] (नंबर) के साथ उलझ गया था। एक माप बनाते हुए, हमें पता चला कि मुख्य इलेक्ट्रॉन बाएं या दाएं भट्ठा से गुजरा है या नहीं। अब हम स्पिन को क्षैतिज दिशा में मापते हैं, और यह निश्चितता गायब हो जाती है। माप के बाद, हम फिर से अपने आप को तरंग फ़ंक्शन की शाखा में पाते हैं, जहां मुख्य इलेक्ट्रॉन तुरंत दो स्लॉट से गुजरता है। यदि हमने स्पिन को "बाएं" मापा, तो मुख्य इलेक्ट्रॉन दाएं स्लिट (माइनस साइन) से गुजरने पर एक चरण शिफ्ट प्राप्त करेगा, लेकिन यह एक विशुद्ध गणितीय विशेषता है।
इसलिए, माप की इस पद्धति को चुनते हुए, हमने उस अंतराल के बारे में जानकारी "मिटा दी" जिसके माध्यम से इलेक्ट्रॉन पारित हुआ। यह तथाकथित "क्वांटम इरेज़र है।" मिटाने की प्रक्रिया ही स्क्रीन पर अंकों के समग्र वितरण को नहीं बदलती है। यह सुचारू रहता है, और हस्तक्षेप नहीं होता है: माप परिणाम "बाएं" और "दाएं" अभी भी यादृच्छिक हैं।

लेकिन अब हमारे पास केवल स्क्रीन पर इलेक्ट्रॉनों का सामान्य वितरण नहीं है। स्क्रीन पर प्रत्येक बिंदु के लिए, हम सहायक इलेक्ट्रॉन के लिए माप परिणाम भी जानते हैं: यह "स्पिन टू लेफ्ट" या "स्पिन टू राइट" की स्थिति में था। तो, आपका प्रोफेसर खिल रहा है, चलो अब कंप्यूटर पर जाएं और हमारे माप को दो भागों में विभाजित करें: वह भाग जिसके लिए सहायक इलेक्ट्रॉन में बाईं ओर एक स्पिन था, और वह हिस्सा जिसके लिए यह दाईं ओर था। अब हम क्या देखेंगे?

यह उत्सुक है कि अब हस्तक्षेप फिर से प्रकट होता है। बाएं-स्पिन सहायक इलेक्ट्रॉनों से जुड़े मुख्य इलेक्ट्रॉन एक हस्तक्षेप चित्र बनाते हैं, साथ ही साथ इसके लिए सहायक इलेक्ट्रॉन में दाईं ओर एक स्पिन होता है। (याद रखें कि हस्तक्षेप तस्वीर तुरंत प्रकट नहीं होती है, लेकिन ऐसा प्रतीत होता है जैसे एकल इलेक्ट्रॉन आंकड़े एकत्र किए जाते हैं)। लेकिन इन दोनों तस्वीरों को एक दूसरे के सापेक्ष स्थानांतरित कर दिया जाता है, ताकि एक तस्वीर में चोटियां दूसरे में डुबकी के साथ मेल खाती हैं। जब वे एक-दूसरे पर आरोपित होते हैं, तो एक चिकनी वितरण होता है जहां हस्तक्षेप छवि वास्तव में छिपी होती है।

विकिपीडिया से लिया गया

पीछे मुड़कर देखें, तो हमें इतना आश्चर्य नहीं होगा। यदि हम यह देखते हैं कि क्षैतिज आधार में सहायक इलेक्ट्रॉनों के सापेक्ष राज्य the कैसे दर्ज किया गया था (स्पिन बाएं या दाएं), तो हम देखेंगे कि प्रत्येक माप दोनों स्लॉट से गुजरने वाले मुख्य इलेक्ट्रॉन से उलझ गया था। इसलिए, हस्तक्षेप हो सकता है। और वह माइनस, जो पूरी तरह से महत्वहीन गणितीय विवरण लग रहा था, एक तस्वीर को दूसरे के सापेक्ष स्थानांतरित कर दिया ताकि जब वे सुपरिम्प्ट हो जाएं, तो उन्होंने एक चिकनी तस्वीर बनाई।

आपके प्राध्यापक आपसे अधिक आश्चर्यचकित हैं। "आप देख नहीं सकते!" वह उत्साह से बोलती है। “अगर हम सहायक इलेक्ट्रॉनों को बिल्कुल नहीं मापते हैं, या उन्हें ऊर्ध्वाधर अक्ष के साथ मापते हैं, तो कोई हस्तक्षेप नहीं होता है। और अगर हम उन्हें क्षैतिज अक्ष के साथ मापते हैं, तो यह पता चलता है कि एक छिपा हुआ हस्तक्षेप था जिसे हम माप परिणाम को सहायक इलेक्ट्रॉन के विभिन्न स्पिन के लिए भागों में विभाजित करके पता लगा सकते थे। "

आप और अन्य छात्र समझौते में सिर हिलाते हैं, हालाँकि आप कुछ चिंता में हैं।

"इसका क्या मतलब है के बारे में सोचो! स्क्रीन पर सभी मुख्य इलेक्ट्रॉनों के पंजीकृत होने के बाद सहायक स्पिन की माप की दिशा का चुनाव किया जा सकता है। यदि हम सभी सहायक पीठों को बिना घिरे परिवेश में आने देने से बचा लेते हैं, तो हम इस विकल्प को वर्षों बाद बना सकते हैं। ”

लगता है हाँ, दर्शकों को म्यूट करता है, यह सच लगता है।

“लेकिन व्यवधान केवल तब होता है जब मुख्य इलेक्ट्रॉन दोनों स्लिट्स से गुजरते हैं, और एक इलेक्ट्रॉन के एक स्लिट से गुजरने पर एक चिकनी वितरण होता है। यह निर्णय - दो स्लिट्स या एक के माध्यम से पारित करने के लिए - बहुत पहले होता है जब हमने सहायक इलेक्ट्रॉनों को मापा। स्पष्ट रूप से, उन्हें क्षैतिज रूप से मापने के बजाय हमारे निर्णय ने अतीत को एक संकेत वापस भेज दिया और मुख्य इलेक्ट्रॉनों को सूचित किया कि उन्हें एक ही बार में दोनों स्लॉट से गुजरना था, न कि एक के माध्यम से। ”

हैरान दर्शक एक पल के लिए रुक जाते हैं और विरोध में फट जाते हैं। समाधान? वापस अतीत में? क्या बात कर रहे हो इलेक्ट्रॉन एक अंतराल या दूसरे के माध्यम से जाने का विकल्प नहीं बनाता है। इसका तरंग कार्य (और सब कुछ जिसके साथ यह भ्रमित है) श्रोडिंगर समीकरण के अनुसार विकसित होता है, हमेशा की तरह। एक इलेक्ट्रॉन विकल्प नहीं बनाता है, यह निश्चित रूप से हमेशा दोनों स्लिट्स से गुजरता है, लेकिन यह एक उलझा हुआ राज्य है। विभिन्न दिशाओं के साथ सहायक इलेक्ट्रॉनों को मापकर, हम उलझे हुए तरंग फ़ंक्शन के विभिन्न हिस्सों को चुन सकते हैं, जिनमें से कुछ हस्तक्षेप करते हैं, और कुछ नहीं। अतीत में कुछ भी नहीं लौटा है। यह एक अच्छा प्रयोग है, लेकिन कोई भी यहां किसी भी समय मशीन का निर्माण नहीं कर रहा है।

आप और आपके साथी सही हैं। आपका प्रोफेसर थोड़ा दूर है। हमेशा इलेक्ट्रॉन के बारे में सोचने का प्रलोभन होता है, जिसमें "एक लहर और एक ही समय में एक कण के गुण" होते हैं, और क्वांटम यांत्रिकी की कोपेनहेगन व्याख्या केवल इसे ही गाती है। यदि हम इस प्रलोभन के आगे झुक जाते हैं, तो यह विचार कि इलेक्ट्रॉन एक कण के रूप में या एक तरंग के रूप में व्यवहार करता है, और प्रत्येक प्रयोग में इन दो विकल्पों में से एक का एहसास होता है, बहुत दूर नहीं है। और इस स्थिति से, एक आस्थगित विकल्प के साथ एक क्वांटम इरेज़र वास्तव में इस निष्कर्ष पर पहुंचता है कि पसंद के साथ इलेक्ट्रॉन की मदद करने के लिए जानकारी को वापस अतीत में स्थानांतरित किया जाना चाहिए। ईमानदारी से, लोकप्रिय स्पष्टीकरण अक्सर तस्वीर को जटिल करते हैं, क्वांटम यांत्रिकी में रहस्य की आभा पैदा करते हैं। और यह धारणा कि क्वांटम यांत्रिकी आपको अतीत में संकेत भेजने की अनुमति देता है केवल आग में ईंधन जोड़ता है।

इन सभी प्रलोभनों का विरोध किया जाना चाहिए। एक इलेक्ट्रॉन ब्रह्मांड की तरंग क्रिया का एक हिस्सा है। वह कण या तरंग बनने का विकल्प नहीं बनाता है। लेकिन किसी कारण से, क्वांटम भौतिकी के मूल सिद्धांतों के गंभीर शोधकर्ता भी कभी-कभी एक विलंबित विकल्प के साथ एक क्वांटम इरेज़र के प्रयोगों पर विचार करते हैं और अन्य लोग इसे (जैसे, संयोग से, व्यवहार में कई बार परीक्षण किया गया है) प्रकृति में रिवर्स कार्यशीलता के प्रमाण के रूप में - समय में पिछड़े संकेत। अतीत को प्रभावित करो। जॉन व्हीलर के अलावा किसी अन्य द्वारा प्रस्तावित इस तरह के एक प्रयोग के एक संस्करण ने स्क्रीन के दूसरी तरफ कई दूरबीनों का सुझाव दिया, जो यह निर्धारित कर सकते हैं कि इलेक्ट्रॉन किस अंतराल से गुजरे, जितना पल बीत गया। बाद के टिप्पणीकारों के विपरीत, व्हीलर ने इतनी दूर तक नहीं जाना था कि रिवर्स एक्टीविटी का सुझाव दिया जा सके, और यह भी जोर नहीं दिया कि इलेक्ट्रॉन हमेशा एक कण या एक तरंग है।

आस्थगित क्वांटम इरेज़र को समझाने के लिए रिवर्स एक्टीविटी की आवश्यकता नहीं है। बहु-विश्व व्याख्या के अनुयायी के लिए, परिणाम किसी भी समय की यात्रा के बिना स्पष्ट है। चाल यह है कि जब एक स्पिन में उलझा हुआ है, और एक शास्त्रीय डिटेक्टर और पर्यावरण में कणों का एक बड़ा पहनावा नहीं है, तो इलेक्ट्रॉन शब्द के पूर्ण अर्थों में डिकोहेयर नहीं करता है। जब मुख्य इलेक्ट्रॉन केवल एक कण से उलझ जाता है, तो हम इस सहायक कण को ​​मापने के लिए विभिन्न विकल्पों पर विचार कर सकते हैं। यदि, जंग के सामान्य प्रयोग के रूप में, हमने उस अंतर को मापा, जिसके माध्यम से एक इलेक्ट्रॉन एक शास्त्रीय मैक्रोस्कोपिक उपकरण का उपयोग करके पारित हुआ, तो हमारे पास माप विकल्पों का ऐसा विकल्प नहीं है। सही विकृति के साथ, मूल उलझाव के छोटे आकार को सुदृढ़ किया जाता है, अनिवार्य रूप से अपरिवर्तनीय रूप से, पर्यावरण के साथ उलझाव में। इस अर्थ में, विलंबित-पसंद क्वांटम इरेज़र माप में decoherence और पर्यावरण की भूमिका को पहचानने के लिए एक उपयोगी विचार प्रयोग साबित होता है।

दुर्भाग्य से, हर कोई एक बहु-विश्व व्याख्या का प्रस्तावक नहीं है। क्वांटम यांत्रिकी के अन्य संस्करणों में, तरंग कार्य वास्तव में, बहुभिन्नरूपी व्याख्या के विपरीत, जहां पतन केवल स्पष्ट होने के कारण होता है, पतन के कारण उत्पन्न होता है। व्याख्याओं में जहां पतन वास्तव में होता है (जैसे कि जीआरडब्ल्यू), यह समय में असममित हो जाता है: लहर कार्य ढह जाता है, लेकिन अपनी मूल स्थिति में नहीं लौट सकता है। यदि आपके सिद्धांत में तरंग फ़ंक्शन का पतन होता है, लेकिन साथ ही आप भौतिकी के नियमों में सामान्य समय समरूपता बनाए रखना चाहते हैं, तो आप अपने आप को रिवर्स एक्टिविटी की आवश्यकता के लिए मना सकते हैं।

या आप पतन के बजाय ब्रांचिंग के साथ तरंग फ़ंक्शन के सुचारू विकास को स्वीकार कर सकते हैं, और स्वचालित रूप से समय यात्रा या इलेक्ट्रॉनों पर संदेह किए बिना सभी बुनियादी समीकरणों के लिए समय समरूपता बनाए रख सकते हैं।

कई दुनियाओं में आपका स्वागत है!