Einstein yanılmış mıydı? Tarihteki en büyük Bell deneyi, onun kuantum mekaniğinden duyduğu memnuniyetsizliği bir kez daha doğruladı
Kuantum mekaniği yaklaşık bir asır önce ilk keşfedildiğinde, evren hakkındaki iki temel varsayımı tersine çevirdi; biri nesnel gerçeklik, diğeri ise "yerel olmama".
Klasik fizikle karşılaştırıldığında nesnel gerçeklik açısından kuantum mekaniği, gözlemciden bağımsız bir dünyanın var olmadığına ve sözde gerçekliğin gözlemlenene kadar tanımlanamayacağına inanır. İkinci soru olan "yerel olmama" üzerine, kuantum mekaniğindeki "dolaşıklık", Einstein'ın görelilik teorisini ihlal ederek, bir uzay-zamandaki olayların, görelilik teorisinde iken başka bir uzay-zamandaki olayları anında etkilemesine izin verebilir. , Işık hızı, evrendeki en yüksek hızdır.
Işık kuantumunun keşfi nedeniyle, Einstein kuantum teorisinin yaratıcılarından biri olarak kabul edilir, ancak Einstein sonraki kuantum mekaniğinden memnun değildi ve kuantum mekaniği teorisinin eksik olduğuna inanıyordu. Basit cümle: "Tanrı değil Zar atmak". Ona göre, kuantum mekaniğinin olasılık özelliği onun teorik eksikliğinin bir tezahürüdür Einstein her zaman arkasında bunu 1955'teki ölümüne kadar açıklayabilecek daha derin bir fiziksel ilke olması gerektiğine inanmıştı. Soru hala cevaplanmamış.
Bununla birlikte, bugüne kadarki en iddialı Bell deneyi, kuantum mekaniğinin güvenilirliğini bir kez daha doğruladı: kuantum mekaniğindeki önemli bir boşluk etrafında - seçim boşluğu, uluslararası bir ekip Bell deneylerini evrene "taşeronlaştırarak" evrenin katılmasına izin verdi. Maksimum rastgelelik elde etmek için rastgele sayılar üretin.
Ek olarak, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Pan Jianwei liderliğindeki Çin ekibi, deneylerinde seçilim açıkları da dahil olmak üzere kuantum mekaniğindeki üç güvenlik açığını da araştırdı.
Bu deneyler, yakında tüm dünyanın Einstein'ın yaşamı boyunca hoşlanmadığı bu teoriyi takip edebileceğini kanıtlayabilir.
(Kaynak: Quanta Magazine)
Kuantum mekaniği "doldurulmamış delikler"
Kuantum mekaniğini test ederken iyi bilinen bir deney, başlatıcısı Kuzey İrlandalı teorik fizikçi John Bell olan Bell Deneyidir.
1964'te John Bell nihayet deneycilere uygulanabilir bir kuantum mekaniği test yöntemi sağladı. Bell deneyinde, dolaşık bir foton kaynağı, sırasıyla Alice ve Bob'a fotonlar gönderir ve her gözlemci, dolaşık foton çiftlerinden birini elde eder. Alice ve Bob, alınan fotonların polarizasyonunu (polaritesini) ölçecek ve ardından iki ölçüm sonucu arasında bir korelasyon olup olmadığını belirlemek için ölçüm sonuçlarını karşılaştıracak.
Çoğu Bell deneyinde, bu belirli kuantum özelliği "belirli bir etkili yönde polarizasyon" olarak seçilir.
Klasik fizik, iki fotonun ölçüm sonuçları arasında bir bağlantı olmadığına inanır Bell deneyinde, gerçekliği ve yerelliği tanıyan herhangi bir teori, ölçüm sonuçları arasındaki korelasyonun maksimum bir değere sahip olduğunu öngörür. Kuantum mekaniğinin yerel olmaması, ölçümler arasındaki korelasyonun bu maksimumu aşmasına izin verir.
İlk nispeten eksiksiz Bell deneyi 1970'lerde tamamlandı.Sonuç, nesnel gerçeklik ve yerelliğin çöküşüydü ve kuantum mekaniği kazandı.
(Kaynak: Rezonans Bilim Vakfı)
Ancak bu erken Bell deneyleri, "gizli teori" nin varlığını tamamen ortadan kaldıramaz. Örneğin, deneyi yürüten iki kişi Alice ve Bob arasında yeterince uzak değilse, ışık hızında yayılan "gizli" etki, Alice'in ölçüm sonuçlarının Bob'un ölçümünü etkilemesine neden olabilir.
Az önce bahsedilen yerel boşluklara ek olarak, erken Bell Deneyinde bir örnekleme boşluğu ve bir seçim boşluğu da vardı. Örnekleme boşluğu, Alice ve Bob tarafından kullanılan dedektörlerin çok verimsiz olması ve fotonların yalnızca küçük bir bölümünü tespit edebilmesi durumunda, deneysel sonuçların var olmayan bir korelasyon üretebileceği ve seçim boşluğunun Alice ile ilgili olduğu anlamına gelir. Bobun ölçüm ayarları seçiminin tamamen bağımsız olup olmadığı ile ilgilidir, çünkü seçimin en ufak bir alaka düzeyi bile deneyin bütünlüğünü bozacaktır.
2015 yılında bir dizi deney, Alice ve Bob'u uzayda yeterince uzun bir mesafeyle ayırarak ve gözlemcileri yüksek hızlı rastgele sayı üreteçleri ve verimli dedektörlerle donatarak yukarıdaki üç boşluğu başarıyla doldurduklarını iddia etti. Sonuçlar, kuantum mekaniğinin hala doğru olduğunu gösteriyor.
Ancak, 2011 gibi erken bir tarihte, Avustralya Ulusal Üniversitesi'nden (Avustralya Ulusal Üniversitesi) Michael Hall, "rastgele sayı üreteçlerinin seçim boşluklarını doldurmak için yeterince etkili olmayabileceğini" öne sürdü. Rastgele sayı üreteçleri ve foton emisyon kaynaklarının bir tür Gizli mekanizma etkileşime girdi ve gözlemcinin ölçüm ayarları ve hatta sonuç olarak fotonun kendisinin bazı özellikleri etkilenecek ve deney, olmaması gereken bazı korelasyonları gözlemleyecektir.
İspanya'daki Fotonik Bilimler Enstitüsü'nden Morgan Mitchell şunları söyledi: "O zamanlar, rasgele sayı üreteci ile foton kaynağı arasında hiçbir bağıntı olmamasının nasıl sağlanacağı sektörde büyük bir sorun haline geldi ve hatta insanlara bir tür seçim boşluğu verdi." Belki 'hissini dolduramaz.'Ancak Mitchell ve meslektaşları daha sonra yenilikçi bir olası çözüm önerdiler: Ölçüm ayarları seçimini video oyunu oyuncularına dış kaynak sağlamak. "Büyük Çan Testi" nde, her oyun oyuncusunun hızlı bir şekilde 0 ve 1 dizisini oluşturması gerekir. Bilim adamları, makine öğrenimi algoritmalarını kullanarak oyuncunun seçimini tahmin etmeye çalışacak ve üretilen dizinin tahmin edilebilirliğini sağlayacak Oyuncunun puanı (ne kadar tahmin edilemezse puan o kadar yüksek olur).
30 Kasım 2016'da, yaklaşık 100.000 oyuncu, oyunda yaklaşık 100 milyon rastgele sayı üretti ve bu sayılar, dünya çapındaki 13 farklı Bell Experiments sürümüne aktarıldı.
Şekil Büyük Çan Testi (Kaynak: Büyük Çan Testi)
Big Bell deney ekibinin bu yılın başında açıkladığı gibi, tüm deneysel sonuçlar kuantum mekaniğinin kurulduğunu gösteriyor. Mitchell, "Eğer insanlar özgür iradeye sahipse, Big Bell deneyi seçim boşluğunu doldurmuştur" dedi.
Bununla birlikte, insanların özgür iradeye sahip oldukları son derece felsefi bir varsayımdır ve şu anda güvenilir değildir, ancak gerçekten de bu sorunu aşmanın bir yolu vardır.
Alice ve Bob'un ölçümü gibi zaman ve uzaydaki her olayın bir "geçmiş ışık konisi" vardır: bir uzay-zaman hacmi ve ışık hızından daha düşük veya ona eşit bir hızda hareket eden ve olayın sonucunu etkileyebilen bir "gizli". Faktör ve ölçüm ayarlarını oluşturmak için kullanılan rastgele olaylar ile geçmiş arasındaki korelasyonu olabildiğince azaltarak, yani geçmiş ışık konisinin hacmini mümkün olduğunca azaltarak, özgür irade varsayımını atlayabilir ve bir Seçim boşluklarını doldurmak için nispeten güvenilir bir yöntem.
Bu, MIT'den Andrew Friedman ve David Kaiser ve Harvey Mudd College'dan Jason Gallicchio tarafından önerilen bir alternatiftir.
David Kaiser, "Maksimum rastgeleliği elde etmek için rastgele sayı üretme işini evrenin kendisine aktarmaya çalışıyoruz" dedi.Evrenin yaratılışı üzerine deneyler
Yaptıkları deney, açık ara en büyük kuantum mekaniği test deneyidir.
Deney, milyarlarca yıl önce bazı galaksiler tarafından yayılan ışığı toplamak için 6 teleskop ve bir dizi optik cihaz kullanmayı, doğrulama kapsamını tüm evrene genişletmeyi ve ardından Einsteinın yaşamı boyunca ünlü görüşünü değerlendirmeyi planlıyor, "Quantum Mechanics Tuhaflık, algılarımızın tam olmaması ya da olmamasıdır.
Bu planın fikri çok basit ama aynı zamanda çok radikal.
Alice ve Bob, uzak gök cisimleri tarafından yayılan fotonları almak için teleskopları kullanabilir ve ölçüm ayarlarını belirleyen rastgele sayılar oluşturmak için her bir fotonun renk özelliklerini kullanabilir. Örneğin, bir eşik dalga boyundan daha kırmızı olan bir foton, iki polarizasyon yönünden birinde bir ölçümü tetikleyebilir ve bir eşik dalga boyundan daha mavi olan bir foton, diğer yönde bir ölçümü tetikleyebilir. Ölçüm parametrelerini ayarlamak için evrenin kendi fotonlarını kullanarak ve kuantum mekaniğinin hala geçerli olduğunu kanıtlayarak, ışığın dünyaya yayılması sırasında ölçüm ayarlarını etkileyebilecek hiçbir "gizli faktör" olmadığını kanıtlayabiliriz.
Bu fikri hayata geçirmek için Kaiser ve meslektaşları, doktora öğrencisi Dominik Rauch ve Avusturya Kuantum Optik ve Kuantum Enformasyon Enstitüsü'nün yöneticisi Anton Zeilinger ile çeşitli girişimlerde işbirliği yaptı. İlk deneyde, dolaşık foton kaynağını Viyana'daki Boltzmanngasse Enstitüsü'nün çatısına yerleştirdiler, Alice ve Bob ise iki binada bulunuyordu. Bob, foton kaynağının yaklaşık 1150 metre kuzeyinde, Doğal Kaynaklar ve Yaşam Bilimleri Üniversitesi'nin (Doğal Kaynaklar ve Yaşam Bilimleri Üniversitesi) beşinci katında ve Alice, foton kaynağının yaklaşık 550 metre güneyinde, Avusturya Ulusal Bankası'nın dokuzuncu katında.
Şekil Doğal Kaynaklar ve Yaşam Bilimleri Üniversitesi (Kaynak: Doğal Kaynaklar ve Yaşam Bilimleri Üniversitesi)
Gece düştüğünde, iki yerdeki araştırmacılar gökyüzündeki kuzey ve güney yönlerindeki yıldızları gözlemlemek için küçük teleskoplar kullanacaklar ve teleskopla toplanan foton bilgileri, optik fiber ile dalga boyunu ölçebilen bir alete iletilecek. Fotonun dalga boyu 700 nanometreden azsa, cihaz sonucu tek bir şekilde (örneğin 1 sayısını üretmek gibi) üretecek ve tersi olacak ve ardından ölçüm parametrelerini ayarlamak için gök cismi tarafından yayılan fotonlara göre rastgele 0 ve 1 üretecektir.
Ve önceki tüm deneyler gibi, Viyana çatı deneyi de, kuantum mekaniğinin doğru olduğunu ve fotonlar dünyaya ulaştığında yaklaşık 600 yıl boyunca gözlemsel ayarları etkileyebilecek hiçbir "gizli faktör" olmadığını gösteriyor.
(Kaynak: MIT Technology Review)
Ancak, Kaiser ve meslektaşları tarafından önerilen orijinal plan Viyana çatı deneyinden daha iddialıydı ve Dünya'dan milyarlarca ışıkyılı uzaklıkta kuasarları rastgele sayı üreteci olarak kullanmak istediler.
Araştırma ekibinin bir üyesi olan Thomas Scheidl, "Kuasar, bizden en uzaktaki nesnelerden biridir. Işık yoğunluğu, optik teleskoplarla gözlemlenmesine izin verir, ancak deneyler yapmak için daha büyük teleskoplara ihtiyacımız var" dedi.
Viyana çatı deneyi gibi, yeni deney de Alice ve Bob'u iki yerde barındırmak için üç farklı coğrafi konum ve aralarındaki dolaşık fotonların kaynağını gerektiriyor.
La Palma'daki Roque de los Muchachos dağının tepesinde, deneyler için neredeyse mükemmel olan büyük bir teleskop var. Alice, fotonları toplamak için İtalya'daki Galileo Ulusal Teleskopunu kullanacak, Bob, fotonları toplamak için Hollanda, İspanya ve Birleşik Krallık tarafından ortaklaşa finanse edilen William Herschel teleskopunu kullanacak ve dolaşık foton çiftleri oluşturmak için kullanılan optik bir alet yerleştirilecek. Konteynırlardan yapılmış geçici ofis İskandinavya İskandinav Optik Teleskobu'nun otoparkında yer alıyor.Bu konum neredeyse tam olarak Alice ve Bob arasında, her birine yaklaşık 500 metre uzaklıkta.
Deneyde, Alice ve Bob tarafından gözlemlenen kuasarlar Dünya'dan sırasıyla 7,8 milyar ışıkyılı ve 12,2 milyar ışıkyılı uzaklıkta bulunan araştırmacılar, yaklaşık 18.000 çift fotonun verilerini toplayıp analiz ettiler ve sonuçlar bir kez daha kuantum mekaniğini gösterdi. doğru.
Şekil La Palma, Kanarya Adaları'ndaki İtalyan Galileo Ulusal Teleskopu (Kaynak: Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi)
Einsteinın hayali evreni gerçekten varsa, henüz arama menzilimizde olmayabilir
İki kuasar gökyüzünde farklı konumlarda olduğundan, geçmiş ışık konileri, olası "gizli faktörlerin"% 96'sı hariç, yalnızca yaklaşık 13.15 milyar ışık yılıyla örtüşüyor.
Kaiser, "Aslında, evren doğduğunda onların geçmişteki ışık konileri Büyük Patlama'ya kadar uzanıyordu" dedi.
Şekil | (Kaynak: MIT Technology Review)
Ancak sorun hala var Deney yerel güvenlik açığı sorununu çözmüş ve seçim güvenlik açığını en aza indirmiş olsa da, örnekleme güvenlik açığı hala mevcuttur.
Deney, ışık kaynağından gelen fotonları havadan Alice ve Bob'a iletmelidir, bu da dedektörün algılama oranının standarda ulaşmasını sağlamak için yeterli sayıda foton gerektiği anlamına gelir. Kaiser, "Örnekleme boşluğunu doldurmaya bile çalışmadık" dedi.
Aynı zamanda, eski bir Zeilinger öğrencisi ve Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Pan Jianwei liderliğindeki Çin ekibi, deneylerindeki üç boşluğa karşı bazı önlemler aldı.
Foton kaynağından dolaşık fotonları Şangay banliyölerindeki Alice ve Bob'a iletmek için optik fiberler kullandılar ve böylece foton kaybını en aza indirdiler.Ayrıca, tasarım için rastgele sayılar oluşturmak için dünyadan yaklaşık 11 ışıkyılı uzaklıkta yıldızların yaydığı ışığı kullandılar. Gözlem parametrelerini ayarlayın ve sonuçlar ayrıca kuantum mekaniğinin doğru olduğunu gösterir.
Şu anda iki ekip, boşluk deliğinin deneysel sonuçlar üzerindeki etkisini, örneğin Büyük Patlama ve kozmik mikrodalga arka plan radyasyonundan üretilen fotonlarla gözlem parametrelerini ayarlayarak daha fazla kontrol etmeyi düşünüyor. Kaiser şöyle dedi: "Bu, fikrin çok cazip ama çok karanlık bir gerçekleşmesidir, biliyorsunuz, evrendeki arka plandaki radyasyondan daha eski bir foton yoktur."
İki takımın deneyleri Einsteinın fikirlerinin yanlış olduğunu kesin olarak söyleyemese de, çoğu fizikçi kuantum mekaniğinin güvenilirliği konusunda bir fikir birliği oluşturdu ve deneysel sonuçlara şaşırmadı. Ancak Einstein'ın doğru olma olasılığını dışlamadılar, ancak Einstein'ın tasavvur ettiği evren gerçekten var olsaydı, evrenin küçük bir köşesine sıkıştırılmış olmalıydı.
Kuantum mekaniğiyle ilgili sorular hala eskisi kadar anlaşılmaz olabilir. Ancak Kaiser için bu yüzden kutlanmayı hak ediyorlar. Kaiser, "Bence kuantum teorisi artık eskisi kadar iyi görünüyor ve hala harika."
