「非局所性。時空の考え方を変える現象」

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ビデオ: 量子物理学と自由意志-ベルの不等式、決定論、因果関係、非局所性、リアリズム 2022, 12月
「非局所性。時空の考え方を変える現象」
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Anonim

非局所性は私たちの周りの世界の驚くべき現象であり、私たちが属する空間(および時間)の直感的な認識と矛盾します。 「私たちが存在するので、ほとんどの場合、自然は局所性に従いますが、それでもその最も深い基盤において非局所性であることを示唆しています」と、本の著者であるジョージ・マッサーは書いています。時空、ブラックホール、ビッグバン、万物の理論の意味」、出版社「アルピナノンフィクション」、VyacheslavIonovとMariaTomsによるロシア語訳。 N + 1の読者には、マッサーの本の断片に慣れてもらうことをお勧めします。

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さまざまなタイプの非局所性

コルゲート大学にあるエンリケガルベスの研究室は、ほぼ2台の車のガレージと同じくらいの大きさで、ほとんどのガレージと同様に、あらゆる種類のものが詰め込まれています。壁に沿ってテーブルが並んでいて、道具が入った箱や何らかの形の電子機器が並んでいます。入り口の左側には、最も頻繁に使用される機械であるコーヒーメーカーがあります。部屋の真ん中には一対の光学ベンチがあります。ダイニングテーブルと同じ大きさの非常に頑丈なスチール製のプラットフォームで、鏡、プリズム、レンズ、フィルターを保持するための穴のネットワークが並んでいます。 「それは、建設セットをもう一度プレイするようなものです」と、アル・フランケンに非常に似ている陽気なペルー人のガルベスは言います。

量子もつれがどのように見えるかを世界に示すために誰かがそれを自分自身で受け止めたならば、それはガルベスです。エンタングルメントは、現代物理学者によって観察された最も有名なタイプの非局所性であり、アインシュタインを怖がらせたのはそれでした。英語のエンタングルメントという言葉には、ロマンチックな意味合いがあります。特別で、おそらく痛みを伴う関係です。絡み合った2つの粒子は、文字通り毛糸の玉のように絡み合っているのではなく、空間が関係ない特別なつながりがあります。この現象は、懐中電灯からの通常のビームではなく、絡み合った光子のビームを作成、偏向、測定することで観察できます。この実験の最初のバージョンでは、1970年代に実施されました。バークレー校とハーバード大学では、真っ赤なオーブン、積み重ねられた窓ガラス、ゴロゴロと鳴るテレタイプなど、「マッドサイエンティスト」の独創的な発明が関わっていました。ガルベスは、ブルーレイレーザーと光ファイバーを使用してセットアップのサイズを縮小し、学校の机に収まるようにしました。

私が知っている実験物理学者のほとんどは、宇宙の謎に劣らず独創的な装置を喜ぶ発明家です。シンガポールの量子技術センターの実験者は、彼の研究室では、新入生は特別なテストを受けなければならないと私に言いました。そこには物理学の質問は1つもありません。生徒は、家族が気付く前に、家電製品を分解して元に戻したことがあるかどうかを尋ねられます。この意味で洗濯機は成功しているようです。ガルベスに関しては、彼の子供の頃の情熱は化学でした:その爆発的な多様性。彼は子供時代を中流階級の近所のリマで過ごし、かつて友人と一緒に火薬を作ろうとしました。彼らは煙を出すだけでした、それはおそらく最高です。 「それはいくつかの爆発よりもはるかに楽しかったです」とガルベスは回想します。 「おそらく安全ではなかったでしょう。」

ガルベスによると、彼はほとんど偶然に非局所性のチャンピオンになりました。ほとんどの物理学者と同様に、彼は1990年代後半まで、同僚が非常にエキサイティングなニュースで彼のオフィスを調べたときまで、この現象についてあまり考えませんでした。オーストリアの物理学者アントンツァイリンガーと彼の研究室の同僚は、エンタングルメントを使用して粒子をある場所から別の場所にテレポートしていました。 。テレポーテーション?!スタートレックのファンが一人も無関心でいられることはありません。ツァイリンガーのグループは、揚陸艦の軍隊ではなく、個々の光子のみをテレポートしましたが、このイベントの興奮は、煙の排気に関連するすべてを覆い隠しました。さらに、テクニックは簡単でした。ラボの左半分から右半分にフォトンをテレポートしたいとします。まず、絡み合った光子のペアを作成し、一方をラボの半分に配置し、もう一方を残りの半分に配置して、テレポーターを準備します。その後、転送したいフォトンを取得し、左のパーティクルとの相互作用を整理します。絡み合った粒子は互いに特別な関係にあるため、この相互作用はすぐに右側に現れ、そこで光子を再現することができます。 (言葉に誤りを見つけ、このプロセスが本当にテレポートと呼ばれるかどうかを主張する人もいます。彼らは、その意味は「個人情報の盗難」に似ていると信じています。実験者は、左側の粒子からその特性を奪い、右側の粒子に押し付けます。しかし、粒子はそのプロパティを合計するだけなので、2つの説明は同等です。)

ガルベスと同僚はすでに必要なすべての機器を持っていて、すぐに彼らも実験室の周りで粒子を動かし始めました。 「私たちは楽しみのためだけにテレポートを理解しようとしていました」とガルベスは言います。別の同僚は、作詞家のための物理学のコースの学生でさえ繰り返すことができる絡み合いの実験を考え出すことを提案しました。テレポートはしませんが、このプロセスの最初の最も重要な段階が実行されます。つまり、エンタングルされたフォトンが作成され、配布されます。現在、設置は非常に簡単に見えますが、科学者のグループが2年間それをめぐって争いました。ガルベスは、物理教育協会であるALPhAの夏のワークショップを開催し、教師にこの実験の方法を示しました。また、DIY愛好家が地下室に絡み合った粒子を作成できるように、彼の指示をオンラインで投稿しました。 ALPhAの前大統領であるDavidvan Baakは、次のように述べています。巨大になりつつあります。」

ガルベスの研究室を訪れた日、光学ベンチの1つがエンタングルメント実験に割り当てられました。この実験の目的は、エンタングルメントを実証するだけでなく、この現象の考えられる原因を調査することでもありました。マシンは本質的にルーブゴールドバーグのハイテクコイントスマシンであるように私には思えます。それらはフィルターを通過するかどうかに応じて頭または尾に落ちます。システムは、正しいコイントスの場合のように、通過する確率が50から50になるように構成されています。基本的に、計画は次のとおりです。そのようなコインのペアを作成し、同時に投げ、どちら側に落ちるかを確認し、別のペアを作成し、投げるなど。実験を数千回繰り返し、統計を収集します。会話が量子コインについてであることを思い出すまで、私たちは予測可能な結果のために多くの努力を費やしているようです。コインの形での粒子の表現が比喩であることは明らかですが、文字通りに解釈されなければ、それは完全に正当です。物理学者自身が比喩を使って現象を理解しています。

セットアップに電力を供給するために、ガルベスは紫外線レーザービームを一連の光学要素に通して、適切な位置合わせを保証します。このビームは、1980年代初頭に中国の科学者によって発見された物質であるホウ酸バリウムの小さな結晶に当たり、紫外線ビームを2つの赤いビームに分割します。分裂は個々の粒子のレベルで起こります。ビームを光子の流れとして見ることができれば、いくつかの紫外線光子が結晶に当たり、2つの同一の赤い光子に分裂することに気付くでしょう。コインはこれだけです。結晶の真正面には、波長板と呼ばれる光学素子があり、ガルベスはこれを使用して結晶からの磁束を制御します。彼が波長板をどのように設定するかに応じて、赤い光子が絡まるかどうかが決まります。

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赤い光線が発散するとすぐに、それらは相互作用を停止します。ガルベスは、写真家がフレアを抑えるためにレンズにねじ込むのと同じように、各ビームを偏光フィルターに向けます。フィルタは、フォトンの向き、つまり偏光に応じて、フォトンを通過または停止します。ガルベスは、フィルターの側面にあるダイヤルを使用して、通過するフォトンを制御できます。この実験では、両方のフィルターが同じ方法で調整され、フォトンの半分をランダムに通過させて、コイントスをシミュレートします。

フィルタを通過する光子は検出器に送られ、検出器が電気インパルスに変換します。これらの検出器は、セットアップの中で最も高価で最も壊れやすい部分です。単一光子の検出を可能にする超高感度のため、1個あたり4,000ドルの費用がかかり、明るい光によって簡単に損傷します。ライトがオフになっている部屋でも、わずかな光のちらつきでも発火するため、検出器は必死のペースで光子を記録します。それらを見ていると、暗室と思われる部屋がどれほど明るくなるかがわかります。電話とラップトップが完全にオフになっていることを確認してください。1つのLEDをオンにすると、実験全体が台無しになる可能性があります。 「私たちは実験室で光っていたものすべてを黒いテープで覆う必要がありました」とガルベスは言います。 「球根がいくつあるかわかりません。」彼はカトラリーを黒い布で覆い、ベンチ全体を密な天蓋で覆っています。

最後に、検出器は、キャノピーの外側に配置された3つのデジタルディスプレイを備えたカウンターに接続されます。そのうちの2つは、左右の偏光フィルターを通過したフォトンの数を示しています。ガルベスがレーザーをオンにすると、これらの数字はストップウォッチでミリ秒のように点滅します。 3番目の表示には、「一致」の数が表示されます。ペアからの両方のフォトンがそれぞれ独自のフィルターを通過するときです。コインの比喩を続けると、偶然は両方のコインが頭を落としたことを意味します。ガルベスにとって、そのような偶然は量子非局所性を調べる機会です。

私のための短いツアーの後、ガルベスは実験する準備ができています。すべてが正しく機能していることを確認したいので、彼は最初にコイントスをシミュレートし、フォトンが絡まないようにプレートを調整します。カウンターは毎秒約25ヒットを示しています。比較のために、すべてのペアのすべての光子がフィルターを通過した場合、1秒あたり100回の一致が発生します。したがって、一致率は可能な最大値の約4分の1です。これはまさに確率論の法則に基づいて期待できることです。 2枚のコインを裏返すと、それぞれが半分の時間で頭を上げ、両方が4分の1の時間で頭を上げます。

ガルベスは、光子が絡み合うように波長板を調整するようになりました。一致率は毎秒ほぼ50に跳ね上がります。地下室の検針値を25から50に変更することに特別なことは何もないように思えるかもしれません。しかし、それは物理学です。私たちの周りの世界の秘密のベールを持ち上げるには多くの努力が必要であり、それを解決するためのヒントは非常に弱いですが、これからそれらはそれほど重要ではありません。この50を見て、私が何を観察しているのかを正確に理解し、畏敬の念を抱いているので、この瞬間のために何年も待って準備することは価値がありました。光子は一対の魔法のコインのように振る舞います。ガルベスはこれらのペアの何千もを裏返し、両方のコインは常に同じ側に着地します:両方の頭または両方の尾。これは偶然ではありません。

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私の友人の一人がパーティーでこのトリックを見せたとしたら、コインを投げて、同時に頭を2倍の頻度で着地させるとしたら、それは冗談だと思います。私の友人は魔術師の店に行って、両面に同じ特別なコインを購入したに違いありません。そのコインのトスの結果は事前に決定されています。そのようなトリックは、私がガルベスの研究室で観察したパターンを説明できますか?不正行為の可能性を排除するために、ガルベスは1960年代に提案した戦術を使用します。素粒子物理学を研究したアイルランドの科学者、ジョン・スチュアート・ベル。フィルターの1つを90度回転させます。これは、右手ではなく左手でコインを投げるのと同じように、粒子が通過する確率を変更しません。結果が実際に事前に決定されている場合は、何も変更されません。しかし、この一見無害に見える変化は、フォトンに影響を与えます。一致周波数はほぼゼロに低下します。1つの光子がフィルターを通過する場合、2番目の光子は通過しません。言い換えれば、魔法のコインは片側に落ちるのではなく、常に異なる側に落ちるようになりました。誰かがあなたをいたずらしたい場合、彼らはこのトリックを処理するために特別な器用さが必要になります。さらなる改善を通じて、ガルベスは考えられるすべてのニトピッキングを排除します。

もう一度光学ベンチを調べます。フィルター間の距離は私の手と同じくらい広いです。ツァイリンガーらの実験では数百マイルに達し、量子技術研究所の研究者たちは、距離がさらに長くなる宇宙でこの実験を行うために取り組んでいます。小さな粒子の場合、これは宇宙の反対側に相当します。フォトンは、その距離で一貫した方法で動作します。それらは互いに接触しておらず、既知の力がそれらを拘束していませんが、それでもそれらは1つとして動作します。ガルベスがベンチの左側にある偏光フィルターを回し、光子がそれを通過すると、その光子はフィルターと同じ方向に偏光されます。彼の混乱したパートナーは彼を正確にフォローしています。彼は同じ偏光を取得し、それに応じてフィルターと相互作用します。したがって、影響によってこの距離を克服する時間がない場合でも、左側で起こることは右側の光子に影響を与えます。このような影響は、即座に左から右に広がるはずです。無限に速く、光速よりも速い。これは明らかに相対性理論と矛盾している。これは、非局所性が私たちに尋ねる多くの謎の1つです。物理学者は、これはすべて、これまでに見たものよりも魔法に近いと述べました。 「学生はそれが大好きです」とガルベスは言います。 「優秀な学生は、 『何が問題なのかを知りたい』と言っています。

NS

全文を読む:

Masser D. Nonlocality:空間と時間の概念を変える現象と、ブラックホール、ビッグバン、万物の理論に対するその重要性/ George Masser;あたり英語からヴャチェスラフ・イオノフ、マリア・トムズ; [科学的。 ed。博士号NS。ドミトリー・ゴルブーノフ]。 -M 。:アルピナノンフィクション、2018.-- 360p。

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