Czym jest kwantowe splątanie? Wykładane było od przynajmniej siedemdziesięciu lat w każdym podręczniku mechaniki kwantowej, tyle, że nie miało specjalnej nazwy. Elementarz teorii kwantów. Dziś ma nazwę i interesuje się nim wojsko – bo czym się wojsko dziś nie interesuje? Wojsko, oczywiście nie nasze wojsko, ma pieniądze, więc kupuje wszystko, przeżuwa, a co mu się nie przydaje zostawia tzw. nauce. Trzyma rękę pulsie, monitoruje wszelką komunikację, gdy trzeba interweniuje zamykając usta zbyt gadatliwym tam gdzie to się opłaca, a tam gdzie nie – robi zamęt wpuszczając w obieg dezinformację. Trudno się zresztą temu dziwić. Od tego wojsko jest. Kwantowe splątanie, czyli po prostu – zastosowania teorii kwantów w dziedzinie mzezoskopowej (nano-układy) i makroskopowej (SQUIDy i takie tam) jest dziś w nagłówkach gazet. A to szyfrowanie i komputery kwantowe, a to teleportacja i klonowanie – czegóż tu nie ma. I wszystko owinięte w piękne słówka – kwantowa rewolucja. A wszystko to wynika z faktu, że fizyka podstawowa od stu lat stoi w miejscu, więc trzeba się czymś zająć. Najlepiej patrzeć co jeszcze by tu można zastosować. No bo jak nic nowego nie można wymyślić, trzeba stosować stare. Wycisnąć ze starego ile się da.
Obiecałem, że o splątaniu kwantowym napiszę, że je zdemistyfikuję. Kiedy się jednak do tematu przymierzyłem, stwierdziłem, że nie temat to na jedną notkę. Stąd notka dzisiejsza, z numerem 2a, będzie tylko autorskim wprowadzeniem do tematu. A zaczęło się to w roku 1935, kiedy to ukazała się ta oto publikacja:
15 maja 1935 Physical Review Tom 47
Czy kwantowo-mechaniczny opis rzeczywistości można uznać za kompletny?
A. Einstein, B. Podolsky i N. Rosen, Institute for Adavanced Study, Princeton, New Jersey
(wpłynęło do druku 25-go marca 1935)
W kompletnej teorii każdemu elementowi rzeczywistości winien odpowiadać jakiś element tej teorii. Warunkiem wystarczającym by uznać jakąś wielkość fizyczną za rzeczywistą jest możliwość przewidzenia tej wielkości z pewnością, bez zaburzania układu. W mechanice kwantowej, gdy mamy do czynienia z dwiema wielkościami fizycznymi opisywanymi przez operatory nieprzemienne ze sobą, znajomość jednej z tej wielkości wyklucza znajomość tej drugiej. Zatem albo (1) opis rzeczywistości dawany w mechanice kwantowej przez funkcję falową jest niekompletny, albo (2) nie można przypisać jednoczesnej rzeczywistości obu wielkościom. Analiza problemu przewidywania dla układu na podstawie pomiarów dokonanych na drugim z układów, który wcześniej oddziaływał z tym pierwszym prowadzi do wniosku, że jeśli (1) jest fałszywe, wtedy i (2) jest fałszywe. Wynika stąd z koniecznością, że opis rzeczywistości dawany przez funkcję falową jest niekompletny.
Całe to poplątane rozumowanie jest żartem. Niemniej ten żart narobił więcej zamieszania w fizyce (i nie tylko) niż większość innych żartów. Dlaczego piszę, że to żart? Bo weźmy rozpad radioaktywny atomu. W pewnej chwili atom się rozpada. Tą chwilę można zaobserwować. Jest oczywistym, że rozpad jest rzeczywisty, nie urojony i że chwila jest rzeczywista a nie urojona. Teoria kwantów, ta którą zajmowali się trzej panowie, nie jest w stanie przewidzieć tej chwili, nie ma w niej elementu odpowiadającego czasowi rozpadu. Zatem jest niekompletna. I o czym tu mówić? No ale Podolsky i Rosen rozważali sobie, po swojemu, opisany w pracy problem, potem zaangażowali Einsteina do zredagowania artykułu, Einstein wstawił swoje nazwisko na przedzie i tak praca trzech fizyków, wszyscy trzej pochodzenia żydowskiego, weszła do historii. Dzisiejsze splątanie kwantowe wywodzi się z pracy tych trzech panów. Einsteina przedstawiać nie muszę. A oto pozostali dwaj bohaterowie:
Boris Podolsky, pochodzący z bogatej rodziny żydowskiej z Rosji:
Boris Podolsky
oraz Nathan Rosen, rodem z Nowego Jorku, ale w latach 1936-1937 pracował na Uniwersytecie w Kijowie, a od roku 1953 w Haifie (Izrael):
Nathan Rosen
Polska Wikipedia pod hasłem EPR ma krótki wpis, pisany przez ludzi nie w pełni rozumiejących o czym piszą, choć starali się chłopcy jak mogli, angielska znacznie obszerniejszy i wyważony, choć nie brak tam też elementów satyrycznych.
Skoncentruję się na wybranych fragmentach z angielskiej Wiki. Nie będę przy tym tłumaczył o co w tym eksperymencie, kiedyś myślowym a dziś zwyczajnym idzie. Jak ktoś chce to sobie znajdzie. Poprzestanę na przejechaniu się po Wikipedii. Tak samo mógłbym się przejechać po uczonych monografiach – niewiele są lepsze, chyba, że są to materiały z konferencji, gdzie eksperci się naprawdę spierają, lub też monografie odszczepieńców, których naprawdę poważny wydawca nie waży się opublikować.
Przejadę się na Wikipedii angielskiej, bo na polskiej to nie byłoby sportowo.
I tak, zaraz na początku artykułu w Wikipedii znajdujemy:
„As it was shown later by Bell one cannot introduce the notion of "elements of reality" without affecting the predictions of the theory. That is, one cannot complete quantum mechanics with these "elements", because this automatically leads to some logical contradictions.”
Krótko: John Bell miał jakoby wykazać, żę nie można wprowadzić elementów rzeczywistości do teorii kwantów, bo prowadzi to nieuchronnie do logicznych sprzeczności. Trochę niżej jest jednak paragraf „Hidden variables” - „Ukryte parametry”, gdzie mówi się o tym, że można wprowadzić do teorii kwantów elementy rzeczywistości i nie prowadzi to do logicznych sprzeczności. Widać tu zaletę metody Wikipedii – jest wielu anonimowych autorów a to, że jeden będzie pisał coś sprzecznego z tym co pisze drugi jest rzeczą, dla tego typu redagowania, normalną.
Jeszcze trochę dalej, w paragrafie „"Acceptable theories", and the experiment” dowiadujemy się alternatywna dp standardowej teorii kwantowej teoria de Broglie'a-Bohma, ta z elementami rzeczywistości, jest, jak dotąd, eksperymentalnie nierozróżnialna od mechaniki kwantowej. Krótko mówiąc praca trzech panów EPR zupełnie o niczym nie mówi i jest na poziomie ćwiczenia dla początkującego studenta. Jej wartość poznawcza jest zerowa. Nic dziwnego, że sam Einstein nie był z tej pracy zadowolony. Chciał obalić filozoficznie mechanikę kwantową i mu się nie udało. A de Broglie i Bohm miast obalać zaproponowali teorię alternatywną i im się udało.
W notce z Wiki znajdujemy też wielce interesujący akapit mówiący nam o tym, jakiego typu argumentów używają fizycy:
„Implications for quantum mechanics
Most physicists today believe that quantum mechanics is correct, and that the EPR paradox is a "paradox" only because classical intuitions do not correspond to physical reality. „
Większość fizyków wierzy w poprawność mechaniki kwantowej .... No, no, co za argument. I czym tu ma się różnić nauka od religii. Jedni wierzą i drudzy wierzą. Inny akt wiary zostaje wyznany również i w tym akapicie:
„Locality in the EPR experiment
The principle of locality states that physical processes occurring at one place should have no immediate effect on the elements of reality at another location. At first sight, this appears to be a reasonable assumption to make, as it seems to be a consequence of special relativity, which states that information can never be transmitted faster than the speed of light without violating causality. It is generally believed that any theory which violates causality would also be internally inconsistent, and thus deeply unsatisfactory.”
Przetłumaczę tylko ostatnie zdanie: „Ogólnie wierzy się w to, że każda teoria naruszająca przyczynowość jest wewnętrznie niespójna i zatem głęboko niesatysfakcjonująca.” Mamy tez odsyłacz to terminu „przyczynowość”. Zaglądamy tam i co czytamy? Dowiadujemy się, że naruszenie przyczynowości prowadzi do Paradoksu dziadka”. Zaglądamy więc do Paradoksu dziadka by tam się dowiedzieć, że i owszem, naruszenie przyczynowości jest możliwe, nie prowadzi do paradoksów i że tym właśnie wielu fizyków się zajmuje.
W sumie, czytając Wikipedię można jednak wyjść na swoje. Pod warunkiem jednak, że się zajrzy do wszystkich istotnych zlinkowanych artykułów w Wikepedii i poza nia.
W notce 2b zajmę się konkretną demistyfikacją splątania kwantowego, to znaczy pokaże jak się tajemniczości można pozbyć, otrzymać splatanie czysto klasycznie – pod warunkiem, że użyjemy odpowiedniej klasycznej teorii. I to poprowadzi nas do następnych notek o wyższych numerach.
