Celah tertutup mengonfirmasi tidak realistisnya dunia kuantum

Setelah ditemukannya celah dalam eksperimen terkenal itu, yang membuktikan tidak adanya sifat internal objek kuantum, tiga kelompok peneliti dengan cepat menutupnya. Episode ini menutup masalah pada teori variabel tersembunyi.

Fisikawan teoretis John Wheeler pernah menggunakan ungkapan "naga berasap besar" untuk menggambarkan partikel cahaya yang terbang dari sumber ke penghitung foton. "Mulut naga itu tajam di mana ia menggigit meja. Ekor naga itu tajam dari mana foton itu berasal, ”tulis Wheeler. Dengan kata lain, foton memiliki realitas tertentu di awal dan di ujung jalan. Tetapi kondisinya di tengah - tubuh naga - buram. "Kami tidak punya hak untuk berbicara tentang apa yang dilakukan naga itu, atau seperti apa bentuknya di antaranya."

Wheeler mendukung sudut pandang bahwa fenomena kuantum elemental tidak dapat disebut nyata sampai kita melakukan pengamatan - posisi filosofis yang disebut anti-realisme . Dia bahkan datang dengan percobaan yang menunjukkan bahwa jika Anda bersikeras pada realisme - di mana objek kuantum seperti foton selalu memiliki sifat internal tertentu, yang lebih seperti ide klasik realitas - maka Anda harus menerima bahwa masa depan dapat mempengaruhi ke masa lalu. Karena absurditas dalam perjalanan ke masa lalu, eksperimen Wheeler berargumen untuk anti-realisme di tingkat kuantum.

Tetapi pada Mei 2018, Rafael Chavez dengan rekan-rekannya dari International Institute of Physics menemukan celah. Mereka menunjukkan bahwa percobaan Wheeler, di bawah asumsi tertentu, dapat dijelaskan dengan menggunakan model klasik, yang menganggap sifat internal foton. Mereka memberi naga tubuh yang jelas, tersembunyi dari formalisme matematika mekanika kuantum standar.


Rafael Chavez

Tim Chavez telah mengusulkan modifikasi percobaan Wheeler untuk menguji celah. Tiga tim lain dengan kelincahan yang tidak biasa bergegas untuk melakukan percobaan yang dimodifikasi. Hasil mereka, yang diterbitkan pada bulan Juni, menunjukkan bahwa model klasik yang mempromosikan realisme tidak memberikan interpretasi yang bermakna terhadap hasil. Mekanika kuantum mungkin aneh, tetapi tetap merupakan penjelasan paling sederhana yang tersedia.

Perangkap naga

Wheeler datang dengan eksperimennya pada tahun 1983 untuk menekankan salah satu misteri konseptual utama mekanika kuantum: dualitas gelombang-partikel . Objek kuantum berperilaku baik sebagai partikel atau sebagai gelombang, tetapi tidak secara bersamaan dan seterusnya. Dari sifat mekanika kuantum ini, kelihatannya mengikuti bahwa objek tidak memiliki realitas internal sampai mereka diamati. "Fisikawan harus bertahan dengan dualisme sebagai fitur inheren dan aneh dari teori kuantum selama hampir seratus tahun," kata David Kaiser , seorang ahli fisika dan sejarawan sains di Massachusetts Institute of Technology. "Gagasan ini muncul sebelum fitur aneh lainnya dari teori kuantum, seperti prinsip ketidakpastian Heisenberg dan kucing Schrödinger ."

Fenomena ini ditekankan oleh kasus khusus percobaan terkenal dengan dua celah yang disebut interferometer Mach - Zehnder .

Dalam percobaan, satu foton diluncurkan ke arah cermin transparan, atau pemecah sinar. Sebuah foton dengan probabilitas yang sama mencerminkan atau melewatinya - akibatnya ia mengikuti salah satu dari dua jalur. Dalam hal ini, ia akan berjalan di sepanjang jalur 1, atau di sepanjang jalur 2, dan akan berada di detektor D1 atau di D2, dengan probabilitas yang sama. Sebuah foton berperilaku sebagai keseluruhan yang tak terlihat, menunjukkan sifat selnya.

Namun ada nuansa. Di persimpangan jalur 1 dan 2, Anda bisa menambahkan pemecah berkas lain yang mengubah segalanya. Dalam hal ini, mekanika kuantum mengatakan bahwa foton, seolah-olah, melewati dua jalur secara bersamaan sebagai gelombang. Kedua gelombang ini bertemu bersama pada pembagi berkas kedua. Eksperimen dapat diatur sehingga gelombang digabungkan secara konstruktif - puncak ke puncak, kegagalan ke kegagalan - hanya jika mereka mengarah ke detektor D1. Dan jalur ke konter D2 menunjukkan gangguan destruktif. Dalam situasi ini, foton selalu dapat ditemukan di D1, dan tidak pernah dalam D2. Dalam hal ini, foton menunjukkan sifat gelombangnya.


Atas: foton sebagai partikel. Setiap detektor mendaftarkan foton dalam 50% kasus.
Di tengah: foton seperti gelombang. Foton hanya mendaftar D1.
Di bawah: pilihan yang menunggu keputusan. Kami mulai tanpa pembagi berkas kedua, dan menambahkannya pada saat terakhir. Foton, yang pertama kali berperilaku seperti partikel, tiba-tiba mulai berperilaku seperti gelombang.
Kesimpulan: baik pengenalan pembagi berkas kedua mengirimkan sinyal ke foton di masa lalu, atau foton tidak memiliki sifat internal.

Jenius Wheeler memanifestasikan dirinya dalam pertanyaan: bagaimana jika kita menunda pilihan apakah akan menambahkan pembagi berkas kedua? Misalkan foton memasuki interferometer ketika tidak ada pembagi berkas kedua di sana. Itu harus berperilaku seperti partikel. Tetapi Anda dapat menambahkan pembagi berkas kedua dalam nanodetik terakhir. Teori dan percobaan menunjukkan bahwa foton, yang sebelumnya harus berperilaku seperti partikel, dan masuk ke detektor D1 atau ke D2, mulai berperilaku seperti gelombang, dan hanya masuk ke D1. Untuk melakukan ini, ia tampaknya harus berjalan di dua jalan secara bersamaan, dan tidak di sepanjang salah satu dari mereka. Dalam pengertian klasik, semuanya terjadi seolah-olah foton kembali ke masa lalu dan mengubah esensinya dari partikel menjadi gelombang.

Salah satu cara untuk menghindari retrocausality [pengaruh peristiwa dari masa depan di masa lalu] adalah dengan menyangkal foton memiliki realitas internal dan menyatakan bahwa foton menjadi nyata hanya jika diukur. Maka kita tidak punya apa-apa untuk kembali.

Anti-realisme semacam itu, yang sering dikaitkan dengan interpretasi mekanika kuantum Kopenhagen , menerima pukulan teoretis setelah penerbitan karya Chavez, setidaknya dalam konteks percobaan ini. Timnya memutuskan untuk menjelaskan sifat kontra-intuitif mekanika kuantum menggunakan serangkaian ide baru, pemodelan kausal [sebab-akibat], yang popularitasnya telah berkembang dalam dekade terakhir dengan bantuan ilmuwan komputer Jude Perle dan lainnya. Pemodelan kausal menentukan hubungan sebab akibat antara berbagai elemen percobaan. Seringkali, ketika mempelajari peristiwa yang saling terkait - sebut saja A dan B - kita tidak bisa mengatakan bahwa A adalah penyebab B, atau bahwa B adalah penyebab A, ada kemungkinan bahwa penyebab keduanya adalah peristiwa yang tak terduga atau "tersembunyi" B. Dalam kasus seperti itu, pemodelan kausal dapat membantu mengungkap B.

Chavez dan koleganya, Gabriela Lemos dan Jacques Pienard , berkonsentrasi pada eksperimen Wheeler yang tertunda, mengharapkan kegagalan untuk menemukan model dengan proses tersembunyi yang akan memberikan foton sebuah realitas internal dan menjelaskan perilakunya tanpa kekejaman. Mereka percaya bahwa mereka akan membuktikan bahwa percobaan dengan pilihan yang ditangguhkan itu "sangat berlawanan dengan intuisi, dalam arti bahwa tidak ada model kausal yang dapat menjelaskannya," kata Chavez.


Gabriela Lemos

Tapi kejutan menunggu mereka. Tugasnya cukup sederhana. Mereka mulai dengan menyarankan bahwa foton, segera setelah melewati pembagi balok pertama, memiliki keadaan internal yang didefinisikan oleh "variabel tersembunyi". Dalam konteks ini, variabel tersembunyi adalah sesuatu yang tidak tersedia dalam mekanika kuantum standar, tetapi dalam beberapa hal mempengaruhi perilaku foton. Eksperimen kemudian memutuskan untuk menambah atau menghapus pembagi berkas kedua. Pemodelan kausal yang melarang perjalanan ke masa lalu memastikan bahwa pilihan eksperimen tidak mempengaruhi keadaan masa lalu foton.

Diberikan variabel tersembunyi yang mendukung realisme, tim menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk menulis aturan yang menggunakan nilai variabel dan ada atau tidaknya pembagi berkas kedua untuk melakukan foton ke D1 atau D2 dengan cara yang mengulangi prediksi mekanika kuantum. Mereka mendapat penjelasan klasik, kausal, realistis. Mereka menemukan celah baru.

Ini mengejutkan beberapa fisikawan, kata Tim Burns , seorang spesialis dalam teori fisika kuantum dari New York University di Shanghai. "Apa yang tidak dihargai orang adalah bahwa eksperimen semacam ini memungkinkan penjelasan klasik yang mengulangi hasil percobaan dengan sempurna," kata Burns. "Anda dapat membuat teori dengan variabel tersembunyi, tanpa mekanika kuantum."

"Itu adalah langkah nol," kata Chavez. Langkah selanjutnya adalah mencari cara untuk memodifikasi percobaan Wheeler sehingga perbedaan dapat dibuat antara teori klasik variabel tersembunyi dan mekanika kuantum.

Dalam percobaan yang dimodifikasi, interferometer Mach - Zehnder tetap tidak berubah; Pembagi balok kedua selalu ada. Sebagai gantinya, peran penyesuaian eksperimental, yang dapat diubah oleh peneliti sesuka hati, dimainkan oleh dua fase pergeseran - satu di awal percobaan, yang lain di akhir.

Efek gabungan dari pergeseran dua fase mengubah panjang jalur relatif. Ini mengubah gambar gangguan, dan dengan itu diasumsikan gelombang atau perilaku partikel foton. Sebagai contoh, nilai pergeseran fase pertama dapat sedemikian rupa sehingga foton berperilaku seperti partikel di dalam interferometer, dan pergeseran kedua dapat menyebabkannya berperilaku seperti gelombang. Para peneliti membutuhkan pergeseran kedua untuk menyesuaikan setelah yang pertama.

Dengan pengaturan eksperimental seperti itu, tim Chavez menemukan cara untuk membedakan antara model kausal klasik dan mekanika kuantum. Misalkan transisi fase pertama dapat mengambil satu dari tiga variabel, dan yang kedua dari dua. Ternyata enam pengaturan percobaan yang memungkinkan. Dan di sini prediksi model klasik variabel tersembunyi dan mekanika kuantum standar berbeda. Kemudian para ilmuwan membuat formula. Rumus menerima pada inputnya probabilitas dihitung berdasarkan berapa kali foton tiba di detektor tertentu (berdasarkan formulasi dengan transisi dua fase). Jika rumusnya nol, maka model sebab akibat klasik mampu menjelaskan statistik. Tetapi jika persamaan menghasilkan angka lebih besar dari nol, maka, karena pembatasan tertentu yang dikenakan pada variabel tersembunyi, tidak ada penjelasan klasik dari hasil eksperimen.

Chavez bekerja sama dengan Fabio Sciarino, seorang spesialis fisika kuantum dari Universitas Sapienza Roma, dan rekan-rekannya untuk menguji ketimpangan. Pada saat yang sama, dua tim Tiongkok, satu dipimpin oleh Jean-Wei Pan, seorang ahli fisika eksperimental dari Universitas Sains dan Teknologi Hefei, dan yang kedua, dipimpin oleh Guang-Kang Guo, dari universitas yang sama, melakukan eksperimen mereka.

Setiap tim menerapkan skema sedikit berbeda. Kelompok Guo menganut opsi sederhana menggunakan interferometer Mach-Zehnder nyata. "Eksperimen ini, menurut saya, adalah yang paling dekat dengan proposal asli Wheeler," kata Howard Wiseman, seorang ahli fisika teoretis di Griffith University yang tidak ikut serta dalam eksperimen tersebut.

Ketiga tim menunjukkan bahwa hasil perhitungan formula melebihi nol dengan signifikansi statistik yang tak terbantahkan. Mereka mengecualikan model kausal klasik yang dapat menjelaskan eksperimen Wheeler dengan pilihan yang ditangguhkan. Celah telah ditutup. "Eksperimen kami menyelamatkan eksperimen pemikiran terkenal Wheeler," kata Pan.

Variabel-variabel tersembunyi itu masih tetap ada

Kaiser terkesan dengan karya teoretis Chavez yang "elegan" dan eksperimen-eksperimen berikutnya. "Fakta bahwa dalam setiap percobaan ditemukan tanda-tanda ketidaksetaraan yang meyakinkan adalah bukti yang meyakinkan bahwa model" klasik "dari sistem semacam itu tidak benar-benar menggambarkan skema nyata dari pekerjaan dunia, sedangkan prediksi mekanika kuantum bertepatan sempurna dengan hasil terbaru" Katanya.

Formula tersebut digunakan dengan asumsi tertentu. Salah satu yang terbesar - variabel tersembunyi klasik yang digunakan dalam model kausal, dapat mengambil satu dari dua nilai, dikodekan dalam satu bit informasi. Chavez menganggap ini masuk akal, karena sistem kuantum - foton - juga dapat menyandikan hanya satu bit informasi (ia berjalan baik di satu lengan interferometer atau yang lain). "Adalah wajar untuk menyatakan bahwa model variabel tersembunyi juga harus dua dimensi," kata Chavez.


David kaiser

Tetapi variabel tersembunyi dengan kemampuan tambahan untuk membawa informasi dapat mengembalikan kemampuan model sebab akibat untuk menjelaskan statistik yang diamati dalam percobaan yang dimodifikasi dengan pilihan yang tertunda.

Selain itu, eksperimen ini tidak menyangkal teori variabel tersembunyi yang paling populer. Teori de Broglie-Bohm , alternatif deterministik dan realistis untuk mekanika kuantum standar, mampu menjelaskan eksperimen dengan pilihan yang ditunda. Menurut teori ini, partikel selalu memiliki lokasi (yang merupakan variabel tersembunyi), dan, oleh karena itu, realitas objektif, tetapi pada saat yang sama mereka dipandu oleh gelombang. Karena itu, realitas adalah gelombang dan sel hidup. Gelombang bergerak di sepanjang kedua jalur, dan sebuah partikel bergerak di sepanjang salah satu dari dua jalur. Ada atau tidaknya pembagi berkas kedua memengaruhi gelombang yang membawa partikel ke detektor - dan hasil ini bertepatan dengan mekanika kuantum standar.

Bagi Wiseman, perdebatan tentang konfrontasi antara interpretasi Kopenhagen dan teori de Broglie-Bohm masih jauh dari lengkap. "Dalam interpretasi Kopenhagen tidak ada sirkulasi waktu yang aneh justru karena kita tidak punya hak untuk berbicara tentang masa lalu foton," tulisnya dalam email. Dalam penafsiran de Broglie-Bohm, ada kenyataan yang independen dari pengetahuan kita, tetapi tidak ada masalah, karena tidak ada pembalikan waktu - tetapi ada deskripsi kausal yang unik (pandangan ke depan). "

Kaiser, memuji upaya yang dilakukan, ingin melanjutkan. Dalam percobaan saat ini, pilihan untuk menambah atau tidaknya pergeseran fase kedua atau pembagi berkas kedua dilakukan oleh generator bilangan acak kuantum. Tetapi dalam percobaan ini, mekanika kuantum sendiri diuji, karena itu memiliki aftertaste ketergantungan sirkular. "Akan menyenangkan untuk memeriksa apakah hasil eksperimen tetap konsisten bahkan dengan desain yang didasarkan pada sumber keacakan yang sama sekali berbeda," kata Kaiser.

Untuk tujuan ini, Kaiser dan rekannya menciptakan sumber keacakan dengan menggunakan foton yang berasal dari quasar yang jauh, banyak di antaranya melewati lebih dari setengah dari Semesta [yang diamati]. Foton dikumpulkan oleh teleskop setinggi satu meter di Table Mountain Observatory di California. Jika panjang gelombang foton tidak melebihi ambang tertentu, generator angka acak memberikan 0, jika tidak 1. Pada prinsipnya, bit ini dapat digunakan untuk memilih kondisi eksperimental secara acak. Jika hasilnya terus mendukung pernyataan awal Wheeler, maka "ini akan memberi kami alasan lain untuk mengatakan bahwa dualitas gelombang-partikel tidak dapat dijelaskan dalam fisika klasik," kata Kaiser. - Kisaran alternatif konseptual untuk fisika kuantum telah kembali berkurang, dan telah terpojok. Dan inilah tepatnya yang kita perjuangkan. ”

Sementara itu, tubuh naga, yang muncul di depan mata selama beberapa minggu, kembali menjadi berasap dan tidak jelas.

Lebih banyak artikel tentang topik sains populer dapat ditemukan di golovanov.net . Berlangganan pembaruan melalui email atau RSS . Artikel juga diduplikasi di saluran Yandex.Zen .