Η κβαντική θεωρία που πεθαίνει το μυστήριο της μέτρησης!

Μια πρόσφατη δοκιμή επιβεβαίωσε τις προβλέψεις της θεωρίας των κβαντικών τροχιών, η οποία περιγράφει τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της μακρόχρονης μυστηριώδους “κατάρρευσης” ενός κβαντικού συστήματος.

Φανταστείτε εάν όλες οι επιστημονικές μας θεωρίες και μοντέλα μας είπαν μόνο για τους μέσους όρους: αν οι καλύτερες προβλέψεις καιρού μπορούσαν να σας δώσουν μόνο την μέση ημερήσια ποσότητα βροχής που αναμενόταν τον επόμενο μήνα ή αν οι αστρονόμοι μπορούσαν να προβλέψουν μόνο τον μέσο χρόνο μεταξύ των ηλιακών εκλείψεων.

Στις πρώτες μέρες της κβαντικής μηχανικής, αυτό φαινόταν να είναι ο αναπόφευκτος περιορισμός: Ήταν μια πιθανοτική θεωρία, που μας λέει μόνο τι θα παρατηρήσουμε κατά μέσο όρο αν συγκεντρώσουμε τα αρχεία για πολλά γεγονότα ή σωματίδια. Για τον Erwin Schrödinger, του οποίου η επίμονη εξίσωση καθορίζει πώς συμπεριφέρονται τα κβαντικά αντικείμενα, ήταν εντελώς άσκοπο να σκεφτόμαστε συγκεκριμένα άτομα ή ηλεκτρόνια που δρουν τα πράγματα σε πραγματικό χρόνο. “Είναι δίκαιο να δηλώνουμε,” έγραψε το 1952, “ότι δεν πειραματίζουμε με μόνα σωματίδια. … Εξετάζουμε τα αρχεία των γεγονότων πολύ καιρό μετά που συνέβησαν. “Με άλλα λόγια, η κβαντική μηχανική φάνηκε να λειτουργεί μόνο για” σύνολα “πολλών σωματιδίων. “Όταν το σύνολο είναι αρκετά μεγάλο, είναι δυνατό να αποκτήσετε επαρκή στατιστικά στοιχεία για να ελέγξετε αν οι προβλέψεις είναι σωστές ή όχι”, δήλωσε ο Michel Devoret, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale.

Αλλά υπάρχει ένας άλλος τρόπος να διαμορφώσουμε την κβαντική μηχανική, ώστε να μπορεί να μιλάει για μεμονωμένα γεγονότα που συμβαίνουν σε μεμονωμένα κβαντικά συστήματα. Ονομάζεται θεωρία των κβαντικών τροχιών (QTT) και είναι απόλυτα συμβατός με τον τυπικό φορμαλισμό της κβαντικής μηχανικής – είναι πραγματικά μια λεπτομερέστερη άποψη της κβαντικής συμπεριφοράς. Η τυπική περιγραφή ανακτάται σε μεγάλα χρονικά διαστήματα αφού υπολογιστεί ο μέσος όρος πολλών συμβάντων.

Σε μια άμεση πρόκληση για την απαισιόδοξη άποψη του Schrödinger, “το QTT ασχολείται ακριβώς με μεμονωμένα σωματίδια και με γεγονότα σωστά όπως συμβαίνουν”, δήλωσε ο Zlatko Minev, ο οποίος ολοκλήρωσε το διδακτορικό του στο εργαστήριο του Devoret στο Yale. Εφαρμόζοντας το QTT σε ένα πείραμα σε ένα κβαντικό κύκλωμα, ο Minev και οι συνεργάτες του πρόσφατα κατάφεραν να συλλάβουν ένα “κβαντικό άλμα” – μια εναλλαγή μεταξύ δύο κβαντικών ενεργειακών καταστάσεων – όπως ξεδιπλώθηκε με την πάροδο του χρόνου. Θα έπρεπε επίσης να επιτύχουν το αξιοσημείωτο κατόρθωμα να πιάσουν ένα τέτοιο άλμα στη μέση πτήση και να το αντιστρέψουν.

“Η θεωρία των κβαντικών τροχιών κάνει προβλέψεις που είναι αδύνατο να γίνουν με την τυποποιημένη διατύπωση”, δήλωσε ο Devoret. Ειδικότερα, μπορεί να προβλέψει πώς τα μεμονωμένα κβαντικά αντικείμενα, όπως τα σωματίδια, θα συμπεριφέρονται όταν παρατηρούνται – δηλαδή, όταν γίνονται μετρήσεις σε αυτά.

Η εξίσωση του Schrödinger δεν μπορεί να το κάνει αυτό. Προβλέπει με ακρίβεια πώς ένα αντικείμενο θα εξελιχθεί με την πάροδο του χρόνου αν δεν το μετρήσουμε. Αλλά προσθέστε μετρήσεις και όλα όσα μπορείτε να πάρετε από την εξίσωση Schrödinger είναι μια πρόβλεψη για το τι θα δείτε κατά μέσο όρο σε πολλές μετρήσεις, όχι αυτό που κάθε μεμονωμένο σύστημα θα κάνει. Δεν θα σας πει τι να περιμένετε από ένα μοναδικό κβαντικό άλμα, για παράδειγμα.

Η μέτρηση εκτροχιάζει την εξίσωση Schrödinger εξαιτίας ενός ιδιόρρυθμου φαινομένου που ονομάζεται κβαντική αντίδραση. Μια κβαντική μέτρηση επηρεάζει το παρατηρούμενο σύστημα: Η πράξη παρατήρησης εισάγει ένα είδος τυχαίου θορύβου στο σύστημα. Αυτό είναι τελικά η πηγή της διάσημης αρχής αβεβαιότητας του Heisenberg. Η αβεβαιότητα σε μια μέτρηση δεν είναι, όπως πίστευε αρχικά ο Heisenberg, μια επίδραση αδέξιας παρέμβασης σε ένα λεπτό κβαντικό σύστημα – ένα φωτόνιο που χτυπά ένα σωματίδιο και το πιέζει από την πορεία, ας πούμε. Αντίθετα, είναι ένα αναπόφευκτο αποτέλεσμα της εγγενώς τυχαίας επίδρασης της παρατήρησης. Η εξίσωση του Schrödinger κάνει πολύ καλά την πρόβλεψη του πώς εξελίσσεται ένα κβαντικό σύστημα – εκτός αν το μετρήσετε, οπότε το αποτέλεσμα είναι απρόβλεπτο.

Η κβαντική δράση πίσω μπορεί να θεωρηθεί ως μια ατελής ευθυγράμμιση μεταξύ του συστήματος και της συσκευής μέτρησης, δήλωσε ο Devoret, επειδή δεν ξέρετε τι είναι το σύστημα μέχρι να κοιτάξετε. Το συγκρίνει με την παρατήρηση ενός πλανήτη χρησιμοποιώντας ένα τηλεσκόπιο. Εάν ο πλανήτης δεν βρίσκεται στο κέντρο του πλαισίου του τηλεσκοπίου, η εικόνα θα είναι ασαφής.

Το QTT, ωστόσο, μπορεί να λάβει υπόψη τις παρεμβάσεις. Το αλκοόλ είναι ότι, για να εφαρμόσετε το QTT, πρέπει να έχετε σχεδόν πλήρη γνώση σχετικά με τη συμπεριφορά του συστήματος που παρατηρείτε. Κανονικά, μια παρατήρηση ενός κβαντικού συστήματος παραβλέπει πολλές πιθανές διαθέσιμες πληροφορίες: Κάποια εκπεμπόμενα φωτόνια χάνονται στο περιβάλλον τους, ας πούμε. Αλλά αν μετριέται σχεδόν όλα τα στοιχεία για το σύστημα – συμπεριλαμβανομένων των τυχαίων συνεπειών της πίσω δράσης – τότε μπορείτε να δημιουργήσετε ανατροφοδότηση στη συσκευή μέτρησης που θα κάνει συνεχείς προσαρμογές για να αντισταθμίσει την πίσω δράση. Είναι ισοδύναμο με την προσαρμογή του προσανατολισμού του τηλεσκοπίου για να κρατήσει τον πλανήτη στο κέντρο.

Για να λειτουργήσει αυτό, η συσκευή μέτρησης πρέπει να συλλέγει δεδομένα ταχύτερα από τον ρυθμό με τον οποίο το σύστημα υφίσταται σημαντική αλλαγή και πρέπει να το κάνει με σχεδόν τέλεια απόδοση. “Ουσιαστικά όλες οι πληροφορίες που εξέρχονται από το σύστημα και απορροφώνται από το περιβάλλον πρέπει να περάσουν από τη συσκευή μέτρησης και να καταγραφούν”, δήλωσε ο Devoret. Στην αστρονομική αναλογία, ο πλανήτης θα έπρεπε να φωτίζεται μόνο από το φως που προέρχεται από το παρατηρητήριο, το οποίο θα συλλέγει κατά κάποιον τρόπο και όλο το φως που αναπαράγεται.

Η επίτευξη αυτού του βαθμού ελέγχου και συλλογής πληροφοριών είναι πολύ δύσκολο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, παρόλο που το QTT υπήρξε εδώ και μερικές δεκαετίες, “μόνο τα τελευταία πέντε χρόνια μπορούμε να το δοκιμάσουμε πειραματικά”, δήλωσε ο William Oliver του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Ο Minev ανέπτυξε καινοτομίες για να εξασφαλίσει ποσοτική μέτρηση απόδοσης έως και 91% και “αυτή η βασική τεχνολογική εξέλιξη είναι αυτό που μας επέτρεψε να μετατρέψουμε την πρόβλεψη σε ένα επαληθεύσιμο και εφαρμόσιμο πείραμα”, ανέφερε.

Με αυτές τις καινοτομίες, “είναι δυνατόν να γνωρίζουμε ανά πάσα στιγμή το σύστημα, δεδομένης της πρόσφατης ιστορίας του, ακόμη και αν ορισμένα χαρακτηριστικά της κίνησης καθίστανται απρόβλεπτα μακροπρόθεσμα”, δήλωσε ο Devoret. Επιπλέον, αυτή η πληρέστερη γνώση του πώς το σύστημα αλλάζει ομαλά με την πάροδο του χρόνου επιτρέπει στους ερευνητές να “γυρίσουν την ταινία προς τα πίσω” και να αποφύγουν την φαινομενικά μη αναστρέψιμη “κατάρρευση της κυματομορφής” του τυπικού κβαντικού φορμαλισμού. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο οι ερευνητές κατάφεραν να αντιστρέψουν ένα κβαντικό άλμα στη μέση πτήση.

Η εξαίρετη συμφωνία μεταξύ των προβλέψεων του QTT και των πειραματικών αποτελεσμάτων υποδηλώνει κάτι βαθύτερο από το απλό γεγονός ότι η θεωρία λειτουργεί για μεμονωμένα κβαντικά συστήματα. Αυτό σημαίνει ότι η εξαιρετικά αφηρημένη “κβαντική τροχιά” στην οποία αναφέρεται η θεωρία (ένας όρος που δημιουργήθηκε στη δεκαετία του 1990 από τον φυσικό Howard Carmichael, συνυπογραφο του χαρτιού του Yale) είναι μια ουσιαστική οντότητα – στα λόγια του Minev, μπορεί να του αποδοθεί της πραγματικότητας “. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την κοινή άποψη κατά την πρώτη εισαγωγή του QTT, το οποίο έκρινε ότι ήταν απλώς ένα μαθηματικό εργαλείο χωρίς σαφή φυσική σημασία.

Αλλά τι ακριβώς είναι αυτή η τροχιά; Ένα πράγμα είναι σαφές: Δεν είναι σαν μια κλασική τροχιά, που σημαίνει ένα μονοπάτι που παίρνει στο διάστημα. Είναι περισσότερο σαν το μονοπάτι που περνάει μέσα από τον αφηρημένο χώρο των πιθανών καταστάσεων που μπορεί να έχει το σύστημα, το οποίο ονομάζεται Χίλμπερτ χώρος. Στην παραδοσιακή κβαντική θεωρία, αυτή η πορεία περιγράφεται από τη συνάρτηση κύματος της εξίσωσης Schrödinger. Όμως, το QTT μπορεί επίσης να εξετάσει το πώς οι μετρήσεις επηρεάζουν αυτή τη διαδρομή, την οποία η εξίσωση Schrödinger δεν μπορεί να κάνει. Στην πραγματικότητα, η θεωρία χρησιμοποιεί προσεκτικές και πλήρεις παρατηρήσεις για τον τρόπο με τον οποίο το σύστημα έχει συμπεριφερθεί μέχρι στιγμής για να προβλέψει τι θα κάνει στο μέλλον.

Μπορείτε να το συγκρίνετε χαλαρά με την πρόβλεψη της τροχιάς ενός μορίου αέρα. Η εξίσωση Schrödinger παίζει ένα ρόλο λίγο σαν την κλασική εξίσωση διάχυσης, η οποία προβλέπει πόσο κατά μέσον όρο ένα τέτοιο σωματίδιο ταξιδεύει με τον καιρό καθώς υφίσταται συγκρούσεις. Αλλά το QTT προβλέπει πού θα πάει ένα συγκεκριμένο σωματίδιο, στηρίζοντας τις προβλέψεις του σε λεπτομερείς πληροφορίες για τις συγκρούσεις που έχει βιώσει το σωματίδιο. Τυχαία είναι ακόμα στο παιχνίδι: Δεν μπορείτε να προβλέψετε τέλεια μια τροχιά και στις δύο περιπτώσεις. Αλλά το QTT θα σας δώσει την ιστορία ενός μεμονωμένου σωματιδίου – και την ικανότητα να βλέπετε πού θα κατευθυνθεί στη συνέχεια.

Πατήστε εδώ για να συνεχίσετε

ΑΦΗΣΤΕ ΜΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ

Please enter your comment!
Please enter your name here