Какво е парадоксът на Айнщайн-Подолски-Розен и защо е важен

И зползвайки два вплетени кондензанта на Бозе-Айнщайн, всеки от които състоящ се от 700 атома, екип от физици, ръководен от Паоло Колчаги и Ифан Ли от университета в Базел в Швейцария, показа, че парадоксът на Айнщайн-Подолски-Розен (EPR) се увеличава.

Изследователите казват, че това има важни последствия за квантовата метрология – наука за измерване на нещата според квантовата теория.

„Нашите резултати са следствие от първото наблюдение на парадокса на EPR с пространствено разделени системи изградени от много частици“, пишат изследователите в своята статия.

Physicists Conduct The Most Massive Test Ever of The Einstein-Podolsky-Rosen Paradox https://t.co/RlTn5lqTOm

— ScienceAlert (@ScienceAlert) June 12, 2023

„Те показват, че конфликтът между квантовата механика и локалния реализъм не изчезва, когато размерът на системата се увеличи до повече от хиляда масивни частици.“

Въпреки че сме доста добри в това да описваме Вселената математически, разбирането ни за това как работят нещата е в най-добрия случай неравномерно.

Един от инструментите, които използваме, за да запълним част от пропуските, е квантовата механика - теория, възникнала в началото на 20-ти век, подкрепяна от физика Нилс Бор, която описва поведението на атомната и субатомната материя. В пределите на това „малко царство“ класическата физика търпи разпад. Там установените правила не важат и има нужда от нови.

Phys. Rev. Lett. 129, 220402 (2022) - Synthetic Topological Vacua of Yang-Mills Fields in Bose-Einstein Condensates https://t.co/RuyMaDuauQ pic.twitter.com/0zcp31rNnm

— The Innovation | Physics (@InnovationPhys) November 22, 2022

Но квантовата механика също има своите недостатъци. През 1935 г. трима известни физици открили нещо доста озадачаващо. Алберт Айнщайн, Борис Подолски и Нейтън Розен описали известния парадокс Айнщайн-Подолски-Розен.

Всички сме чували, че нищо не може да се движи по-бързо от светлината, нали? Но нещата значително се усложняват, ако разгледаме квантовото заплитане, което Айнщайн нарича "призрачно действие от разстояние". Това е мястото, където две или повече частици се свързват - ако едната частица се върти в едната посока, другата се върти в другата.

A new technique based on quantum entanglement doubles the resolution of optical microscopes without the need for shorter-wavelength/higher-energy light that can damage delicate biological structures. https://t.co/lpaOTfvlJd

— Physics World (@PhysicsWorld) June 6, 2023

Свързаните частици запазват тази връзка дори на огромни разстояния и не е ясно как и защо се случва това. Учените знаят, че ако изследвате свойствата на една частица, можете да направите извод за свойствата на другата, от разстояние.

И сега, за да стане още по-объркващо - частицата няма да има тези свойства, докато не я измерите (хипотеза, изследвана при експеримента с котката на Шрьодингер).

Според квантовата механика, ако знаете едно от свойствата на дадена частица, например нейната позиция, не можете да знаете за друго с никаква сигурност. Това е принципът на неопределеността на Хайзенберг.

The EPR Paradox and Bell's Theorem:

The EPR paradox, proposed by Einstein, Podolsky, and Rosen, argued that quantum mechanics must be incomplete because it allows for "spooky action at a distance" (i.e., quantum entanglement).

However, Bell's theorem showed that any hidden… pic.twitter.com/AdV7Me89ze

— Physics In History (@PhysInHistory) May 20, 2023

Концепцията на класическата физика също гласи, че за да може един обект или енергия да повлияе на друг, то те трябва да си взаимодействат.

Следователно парадоксът на EPR се оказва доста сложен. Когато измервате частица вплетена в система, това измерване по някакъв начин влияе на другата частица, въпреки че измерването не се извършва върху нея.

Освен това знаете повече за частиците, отколкото би следвало според принципа на неопределеността на Хайзенберг. Това влияние се случва мигновено, предизвиквайки скоростта на светлината.

Quantum Entanglement:

🧪🔗 Quantum entanglement is a phenomenon where two or more particles become interconnected, sharing a mysterious link regardless of the distance between them. It has implications for secure communication and the development of quantum computers. pic.twitter.com/fLeq67b0JQ

— FiDon (@FiDon45) June 11, 2023

Поради това от парадокса на EPR следва, че теорията на квантовата механична е непълна - тя не описва напълно реалността на Вселената, в която живеем. Физиците са го тествали най-вече върху малки заплетени системи, състоящи се само от двойка атоми или фотони, известно като тест на Бел (наречен на създателя си, физика Джон Стюарт Бел).

Досега всеки проведен тест на Бел е установявал, че светът, в който живеем се държи по начин, несъвместим с локалния реализъм. Но колко дълбок е парадоксът?

Ето тук стигаме до кондензацията на Бозе-Айнщайн - състояние на материята, постигната чрез охлаждане на облак от бозони до малко преди абсолютната нула. При толкова ниски температури атомите стигат до възможно най-ниското си енергийно състояние, но не спират напълно движението си.

#Darkmatter #bigbangtimezero #materia #materia85xlll and gaseous vapor—but other states are also possible, such as plasma, Bose-Einstein condensates, fermionic condensates, and quark-gluon plasma.4 Typically, atoms can be thought of as a nucleus of protons and neutrons and a c pic.twitter.com/TPaX77x4E5

— ☀bigbangtimezero ☀🌌🌙🦕🙅‍♂️🙅‍♀️sun (@bigbangtimezero) June 11, 2023

Когато достигнат тези ниски енергийни състояния, квантовите свойства на частиците вече не могат да си пречат една на друга и започват да се движат достатъчно близо едни до други. Това води до образуването на облак с висока плътност от атоми, който се държи като един „супер атом“ или вълна от материя.

Колчиаги, Ли и техните колеги физици Филип Тройтлайн и Тилман Зиболд, също от университета в Базел, генерирали два кондензанта на Бозе-Айнщайн, използвайки два облака, всеки, от които се състоял от 700 атома рубидий-87. Те разделили тези кондензати пространствено със 100 микрометра и измерили свойствата им.

Открили, че свойствата на двата кондензата изглеждат корелирани по начин, който не може да се припише на случайността, демонстрирайки парадокса на EPR, който се проявил дори по-ясно отколкото при предишни тестове на Бел.

RT @ScienceNews Quantum mechanics really is weird, according to Bell tests. Now those tests can also underlie ultrasecure communications. https://t.co/nwsisc78jm #quantum #physics #tech

— Lucasoft co.uk (@lucasoft_co_uk) July 31, 2022

Изводите на екипа, от проведения експеримент, са от голямо значение за бъдещите квантови изследвания.