บทความนี้เขียนโดยPeter Mosleyจากมหาวิทยาลัยบา ธและได้รับการเผยแพร่ครั้งแรกโดยบทสนทนา
โลกของกลศาสตร์ควอนตัมนั้นแปลก วัตถุที่อยู่ห่างไกลกันได้มีอิทธิพลต่อกันและกันในสิ่งที่อัลเบิร์ตไอน์สไตน์เรียกว่า "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" และแมวสามารถทำได้ตายและมีชีวิตอยู่ในเวลาเดียวกัน เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามพิสูจน์ว่าผลกระทบเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงแค่ความแปลกประหลาดทางคณิตศาสตร์ แต่เป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของโลกทางกายภาพ
และพวกเขากำลังไปที่ไหนสักแห่ง นักวิจัยมีได้รับการพิสูจน์ในที่สุดในการศึกษาใหม่การเชื่อมโยงระหว่างอนุภาคที่ระยะไกลสะท้อนให้เห็นว่าจักรวาลมีพฤติกรรมอย่างไรแทนที่จะเป็นสิ่งประดิษฐ์ทดลอง ในขณะเดียวกันทีมนักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตที่มีชีวิตแม้ว่าจะเป็นแบคทีเรียสามารถอยู่ในสองสถานะควอนตัมที่แตกต่างกันในเวลาเดียวกัน - เช่นเดียวกับแมวในการทดลองทางความคิดของSchrödinger
แต่เริ่มต้นด้วยกระดาษที่เผยแพร่ในธรรมชาติซึ่งพิสูจน์ให้เห็นว่าโลกนั้นน่ากลัวโดยเนื้อแท้ ระบบทั้งหมดที่อธิบายโดยกลศาสตร์ควอนตัมสามารถแสดงที่เรียกว่าความพัวพัน- ตัวอย่างเช่นอิเล็กตรอนเช่นเหรียญสามารถหมุนได้สองทิศทาง (ขึ้นและลง) แต่อิเล็กตรอนสองตัวสามารถเข้าไปพัวพันเพื่อการวัดการหมุนของอิเล็กตรอนหนึ่งจะกำหนดการหมุนของอีกตัว
ตามกลศาสตร์ควอนตัมสปินของอิเล็กตรอนหนึ่งไม่สามารถรู้ได้ก่อนการวัด แต่จะมีความสัมพันธ์อย่างสมบูรณ์แบบกับสิ่งอื่น ๆ แม้ว่ามันจะอยู่ในตำแหน่งที่ห่างไกล ไอน์สไตน์ไม่ชอบสิ่งนี้เพราะดูเหมือนจะบอกเป็นนัยว่าข้อมูลสามารถส่งจากอิเล็กตรอนหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่งได้ทันที - ทำลายกฎที่บอกว่าไม่มีอะไรสามารถเดินทางได้เร็วกว่าความเร็วแสง เขาคิดว่ามี "ตัวแปรที่ซ่อนอยู่"เข้ารหัสในแต่ละอิเล็กตรอนที่สามารถกำหนดผลลัพธ์ได้หากเราสามารถเข้าถึงได้
แต่ในปี 1960 นักวิทยาศาสตร์ชาวไอริชตอนเหนือจอห์นเบลล์มาพร้อมกับวิธีการทดสอบทฤษฎีของ Einstein -ความไม่เท่าเทียมของเบลล์'มีความพึงพอใจเฉพาะในกรณีที่การกระทำในสถานที่หนึ่งไม่สามารถส่งผลกระทบต่ออีกทันทีและผลลัพธ์ของการวัดได้รับการกำหนดไว้ล่วงหน้าอย่างดี - สิ่งที่ขนานนามว่า' ความสมจริงในท้องถิ่น '
เบลล์แสดงให้เห็นในทางทฤษฎีว่าการพัวพันควอนตัมจะละเมิดการทดสอบความไม่เท่าเทียมของเขา แต่ทฤษฎีความจริงในท้องถิ่นที่มีตัวแปรที่ซ่อนอยู่ของไอน์สไตน์จะไม่ นี่เป็นเพราะการเชื่อมโยงระหว่างอนุภาคที่พันกันนั้นแข็งแกร่งกว่าที่ Einstein ต้องการเชื่อ ดังนั้นหากความสัมพันธ์ที่วัดได้ระหว่างคู่ของอนุภาคจากการทดลองนั้นสูงกว่าเกณฑ์ที่แน่นอนมันจะไม่เข้ากันกับตัวแปรที่ซ่อนอยู่และสิ่งพ่วงจะชนะในวันนี้
ความปรารถนาที่จะทดสอบสิ่งนี้ในห้องแล็บทำให้เกิดความก้าวหน้าในการทดลองอย่างมากในช่วง 51 ปีนับตั้งแต่กระดาษของเบลล์ อย่างไรก็ตามการใช้งานการทดสอบ Bell ทั้งหมดจนถึงปัจจุบันมีมีช่องโหว่ที่เหลือห้องเลื้อยสำหรับจักรวาลเพื่อเชื่อฟังทฤษฎีความจริงในท้องถิ่น
หนึ่งในนั้นคือประสิทธิภาพของการวัดต่ำเกินไป (เรียกว่าช่องโหว่การตรวจจับ) แม้ว่าข้อมูลที่ได้รับการทดสอบความไม่เท่าเทียมของเบลล์ละเมิด แต่อาจไม่ใช่ตัวอย่างตัวแทนของชุดที่สมบูรณ์เนื่องจากไม่สามารถตรวจพบโฟตอนในการทดลองได้ ช่องโหว่อีกอย่างหนึ่งคือการวัดช้าเกินไป (ช่องโหว่ในท้องที่) หากอุปกรณ์การวัดสามารถสื่อสารผ่านช่องทางที่ไม่รู้จักและช้ากว่าบางช่องพวกเขาสามารถแบ่งปันข้อมูลและมีอิทธิพลต่อผลลัพธ์ของการวัดที่ใกล้เข้ามา
การศึกษาใหม่เป็นการทดลองครั้งแรกที่จะปิดช่องโหว่ทั้งสองนี้พร้อมกันในการทดสอบความไม่เท่าเทียมของเบลล์ นักวิทยาศาสตร์ใช้เลเซอร์ในการสร้างอิเล็กตรอนสองตัวแต่ละตัวภายในเพชรที่อยู่ห่างกันมากกว่า 1 กม. เพิ่มพลังงานและปล่อยอนุภาคแสง (โฟตอน) ซึ่งเข้าไปในสถานะของอิเล็กตรอน โฟตอนจะถูกส่งผ่านเส้นใยออปติกเพื่อรวมกันในที่ที่สาม หากพวกเขามาถึงในเวลาเดียวกันโฟตอนจะโต้ตอบซึ่งกันและกันและเข้าไปพัวพัน - หมายถึงเพื่อนอิเล็กตรอนระยะไกลของพวกเขาก็จะเข้าไปพัวพันกับพวกเขาเช่นกัน
การหมุนของอิเล็กตรอนนั้นถูกวัดเพื่อทดสอบความไม่เท่าเทียมของเบลล์ ช่องโหว่ทั้งสองถูกปิดโดยทำให้มั่นใจได้ว่าประสิทธิภาพและความเร็วของการอ่านนั้นสูงพอสมควร เป็นผลให้ทีมสามารถแสดงให้เห็นได้อย่างชัดเจนว่าจักรวาลไม่เชื่อฟังความสมจริงในท้องถิ่น: ผลลัพธ์ของการวัดไม่สามารถทราบได้ล่วงหน้าและครึ่งหนึ่งของรัฐที่พุ่งเข้ามาสามารถออกแรงกระทำที่น่ากลัวในพันธมิตรระยะไกล
แมวที่มีชื่อเสียงของฟิสิกส์
การพัวพันไม่ได้เป็นเพียงประเภทเดียวของพฤติกรรมควอนตัมที่ผิดปกติ ผลอีกอย่างหนึ่งที่เรียกว่าการซ้อนทับคือความสามารถของอนุภาคที่มีอยู่ในสองสถานะ (เช่นการหมุนหรือตำแหน่งแม้กระทั่งสถานที่) พร้อมกันและตอนนี้ได้รับการสังเกตอย่างสม่ำเสมอในห้องปฏิบัติการทั่วโลก ตัวอย่างเช่นอิเล็กตรอนเป็นที่รู้กันว่าเดินทางผ่านสองช่องในเวลาเดียวกัน - เมื่อเราไม่ได้ดู นาทีที่เราสังเกตแต่ละช่องเพื่อจับพฤติกรรมนี้ในการปฏิบัติอนุภาคเลือกเพียงหนึ่ง
อย่างไรก็ตามเราไม่ได้สังเกตผลกระทบเหล่านี้โดยตรงในชีวิตประจำวัน ตัวอย่างเช่นแก้วของฉันไม่สามารถอยู่ในสองแห่งในครั้งเดียวหรือฉันจะพยายามดื่ม แต่เนื่องจากเราไม่ได้พบกับสิ่งที่แปลกประหลาดเช่นนี้จึงดูสมเหตุสมผลที่ในบางสิ่งที่ 'เปลี่ยน' จากโลกแปลก ๆ ของควอนตัมไปจนถึงทุกวันที่เราคุ้นเคย
แต่สเกลที่สวิตช์นี้เกิดขึ้นคืออะไร? หากเรามีการทดลองที่สมบูรณ์แบบทางเทคนิคเราจะสามารถสังเกตวัตถุขนาดใหญ่ในสถานะการซ้อนทับเหล่านี้ได้หรือไม่? นี่คือคำถามที่โพสต์โดยการทดลองทางความคิดของSchrödingerซึ่งแมวถูกวางไว้ในกล่องที่ปิดผนึกด้วยขวดพิษและอะตอมกัมมันตรังสีเดียวซึ่งจะได้รับการสลายตัวในเวลาสุ่ม หากอะตอมสลายตัวขวดจะถูกทำลายและแมวจะถูกวางยาพิษ ถ้าไม่เป็นเช่นนั้นแมวก็ยังมีชีวิตอยู่ โดยรอให้อะตอมสลายตัวแมวมีอยู่ในทั้งสองรัฐในทันทีที่อะตอมทำหรือไม่? เรารู้ว่าเมื่อเราเปิดกล่องเราต้องพบแมวที่มีชีวิตอยู่หรือตาย แต่มันเป็นทรัพย์สินของจักรวาลหรือผู้สังเกตการณ์ที่ทำให้แมว 'เลือก' สถานะของมัน?
กลับไปที่ทีมเตรียมที่จะตอบคำถามนี้ข้อเสนอของพวกเขาเกี่ยวข้องกับการวางแบคทีเรียแทนที่จะเป็นแมวในสถานะของการซ้อนทับ ความก้าวหน้าทางเทคนิคล่าสุดขึ้นอยู่กับตัวนำยิ่งยวด- อุปกรณ์ที่ใช้ในการตรวจจับการแผ่รังสีและสำหรับการคำนวณควอนตัม - ทำให้นักฟิสิกส์สามารถสังเกตผลของควอนตัมในเยื่ออลูมิเนียมขนาดเล็กที่ยืดหยุ่นได้
เมมเบรนเล็ก ๆ นับเป็นวัตถุขนาดใหญ่ในโลกของฟิสิกส์ควอนตัมเพราะแม้จะมีมวลเพียง 50 picograms (50 ล้านล้านกรัม) พวกเขามีอะตอมหลายร้อยล้านอะตอม อย่างไรก็ตาม resonators เหล่านี้จะต้องเย็นลงภายในเศษส่วนของศูนย์สัมบูรณ์ (-273 ° C) ก่อนที่พฤติกรรมควอนตัมจะปรากฏขึ้น มิฉะนั้นการสั่นสะเทือนความร้อนจะปกปิดผลกระทบ
ทีมวางแผนที่จะวางแบคทีเรียไว้บนเมมเบรนดังกล่าวซึ่งจะถูกทำให้เย็นลงในสถานะพลังงานต่ำที่สุด เมมเบรนจะถูกวางลงในการซ้อนทับของสองสถานะที่แตกต่างกันของการเคลื่อนไหว: การแกว่งสองประเภทที่แตกต่างกัน พวกเขามุ่งมั่นที่จะแสดงให้เห็นว่าผลกระทบของแบคทีเรียที่มีต่อคุณสมบัติของออสซิลเลเตอร์นั้นน้อยที่สุดโดย oscillator มีประสิทธิภาพราวกับว่าแบคทีเรียไม่ได้อยู่ที่นั่น ด้วยวิธีนี้แบคทีเรียจะอยู่ในสองสถานะของการเคลื่อนไหวในครั้งเดียว นักวิจัยยังวางแผนที่จะพัวพันกับตำแหน่งของแบคทีเรียด้วยการหมุนของอิเล็กตรอนภายใน
การทดลองที่เสนอจะน่าประทับใจ - แต่ส่วนใหญ่แสดงให้เห็นว่ากลศาสตร์ควอนตัมถือเป็นจริงสำหรับวัตถุที่ใหญ่กว่าอนุภาค subatomic แต่ดูเหมือนว่าไม่น่าจะตอบว่าแมวของSchrödingerสามารถมีชีวิตอยู่และตายได้ในเวลาเดียวกันหรือไม่เพราะแบคทีเรียจะยังคงอยู่ในสถานะของการเก็บรักษาด้วยการแช่แข็งเหมือนแก้ว หากนี่คือแมวมันจะมีอยู่ในแอนิเมชั่นที่ถูกระงับมากกว่าในการซ้อนทับของชีวิตและความตายพร้อมกัน
Peter Mosleyอาจารย์สาขาฟิสิกส์มหาวิทยาลัยบา ธ
บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกโดยบทสนทนา- อ่านบทความต้นฉบับ-
