Experiență Aspe

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 23 martie 2021; verificările necesită 19 modificări .

Experimentul lui Aspe a fost primul experiment din mecanica cuantică care a demonstrat încălcarea inegalităților lui Bell . Rezultatul său indiscutabil a permis testarea ulterioară a principiilor întanglementării cuantice și a localității . De asemenea, a devenit un răspuns experimental la paradoxul EPR , propus acum aproximativ cincizeci de ani de Albert Einstein , Boris Podolsky și Nathan Rosen .

Experimentul a fost realizat de către fizicianul francez Alain Aspe la École d'Superière OPTIQUE între 1980 și 1982. Comunitatea științifică a recunoscut imediat importanța experienței, el a fost pe coperta revistei de știință populară Scientific American . Deși metodologia lui Aspe prezintă un potențial defect, loophole , rezultatul său este considerat decisiv și a condus la numeroase alte experimente care au confirmat experiența originală a lui Aspe [1] .

Experimentele lui Aspe (1980-1982)

În 1975, din moment ce nu exista încă un experiment decisiv pentru a testa încălcările inegalităților lui Bell și validitatea întanglementării cuantice, Alain Aspe a propus într-o lucrare un experiment destul de riguros: un experiment propus pentru a testa inseparabilitatea mecanicii cuantice . [2] [3]

Alain Aspe , pentru persuasivitate, a detaliat experimentul său în acest fel:

Sursa particulelor încurcate ar trebui să fie ideală în ceea ce privește reducerea duratei experimentului și asigurarea faptului că încălcarea inegalităților lui Bell este cât se poate de clară.
Nu ar trebui să arate doar corelațiile din rezultatele măsurătorilor, ci și să demonstreze că aceste corelații sunt într-adevăr rezultatul unui efect cuantic (și, prin urmare, al unui efect instantaneu) și nu al unui efect subluminal clasic.
Designul experimental ar trebui să se potrivească cât mai aproape cu cel al lui John Bell pentru a-și demonstra inegalitățile, astfel încât potrivirea dintre rezultatele măsurate și cele prezise să fie cât mai apropiată.

Schema „ideală” a lui John Bell

Ilustrația de mai sus arată schema de circuit în care John Bell și-a demonstrat inegalitatea: sursa de fotoni încurcați S emite simultan doi fotoni și , a căror polarizare este pregătită astfel încât vectorul de stare al ambilor fotoni: $\nu 1$ $\nu 2$

$|\psi (\nu 1,\nu 2)\rangle ={1 \over {\sqrt {2))}\left\{|\uparrow ,\uparrow \rangle +|\rightarrow ,\rightarrow \ dreapta\}$

Această formulă înseamnă pur și simplu că fotonii sunt într-o stare de suprapunere : ambii sunt polarizați vertical, orizontal sau liniar cu probabilitate egală.

Acești doi fotoni sunt apoi măsurați folosind doi polarizatori P1 și P2, fiecare cu unghi de măsurare reglabil: α și β. Rezultatul măsurării fiecărui polarizator poate fi (+) sau (-) în funcție de faptul că polarizarea măsurată este paralelă sau perpendiculară pe unghiul de măsurare al polarizatorului.

Un punct demn de remarcat este că polarizatoarele prezentate pentru acest experiment ideal dau un rezultat măsurabil atât în situații (-) cât și în (+). Nu toate polarizatoarele reale sunt capabile să facă acest lucru: unii, de exemplu, detectează situația (+), dar nu pot detecta nimic în situația (-) (fotonul nu părăsește niciodată polarizatorul). În primele experimente, a fost folosit ultimul tip de polarizator. Polarizatoarele lui Alain Aspe sunt mult mai capabile să detecteze ambele cazuri și, prin urmare, sunt mult mai aproape de un experiment ideal.

Având în vedere dispozitivul și starea inițială de polarizare dată fotonilor, mecanica cuantică este capabilă să prezică probabilitățile de măsurare (+, +), (-, -), (+, -) și (-, +) pe polarizatoare (P1, P2) orientat pe unghiurile (α, β):

$P_{++}(\alpha ,\beta )=P_{--}(\alpha ,\beta )={1 \over 2}\cos ^{2}(\alpha -\beta )$

$P_{+-}(\alpha ,\beta )=P_{-+}(\alpha ,\beta )={1 \over 2}\sin ^{2}(\alpha -\beta )$

Încălcarea maximă a inegalităților lui Bell este prezisă pentru | α-β | = 22,5°

Rezultatele experienței

Inegalitățile lui Bell stabilesc o curbă teoretică pentru numărul de corelații (++ sau --) dintre doi detectoare în raport cu unghiul detectorilor . Forma curbei caracterizează încălcări ale inegalităților lui Bell. Măsurătorile corespunzătoare formei curbei au stabilit cantitativ și calitativ o încălcare a inegalităților lui Bell. $(\alpha -\beta)$

Experimentele lui Aspe au confirmat fără ambiguitate încălcarea, așa cum a prezis interpretarea de la Copenhaga a mecanicii cuantice, subminând astfel realismul local al lui Einstein în mecanica cuantică și locale ascunse . Pe lângă confirmare, încălcarea a fost confirmată în modul exact prezis de mecanica cuantică , cu acord statistic de până la 40 de abateri standard .

Având în vedere calitatea tehnică a experienței, evitarea scrupuloasă a artefactelor experimentale și acordul statistic cvasi-perfect, această experiență a convins comunitatea științifică în general că mecanica cuantică a încălcat inegalitățile lui Bell și, prin urmare, că fizica cuantică este non-locală .

Limite de experiență

După ce au primit rezultatele, unii fizicieni au încercat să găsească defecte în experiența lui Aspe și să găsească oportunități de îmbunătățiri pentru a contracara criticile.

Câteva obiecții teoretice posibile la configurația experimentală:

aspectul cvasi-periodic al oscilațiilor de șunt împiedică validitatea experienței deoarece poate provoca corelații prin cvasisincronizare rezultată din două direcții;
corelațiile (+, +), (-, -), etc. au fost calculate în timp real la momentul detectării. Prin urmare, două canale (+) și (-) ale fiecărui polarizator au fost conectate prin circuite fizice. Exista posibilitatea unor corelații induse.

Un experiment ideal, care ar anula orice posibilitate imaginabilă de corelații induse, ar:

utilizați manevrare pur aleatorie;
înregistrați rezultatele (+) sau (-) pe fiecare parte a dispozitivului fără nicio legătură fizică între cele două părți. Corelațiile sunt calculate după experiment prin compararea rezultatelor înregistrate de ambele părți.

Condițiile de experiență suferă și de lacuna de detectare [1] .

Concluzie

În prezent (în 2018), încălcarea inegalităților lui Bell în mecanica cuantică este clar stabilită . Încălcarea inegalității de către Bell este folosită și pentru unele protocoale de criptografie cuantică , în care prezența unui spion este detectată prin oprirea încălcărilor inegalității de către Bell.

În consecință, nonlocalitatea cuantică și întricarea trebuie recunoscute .

Experiența lui Aspe provoacă cauzalitatea relativistă?

Problema este ridicată de noțiunea larg răspândită că „un obiect cuantic este o stare care depinde instantaneu de starea altui obiect cu care este încurcat”. Această introducere a „influenței non-locale” este adesea folosită în reviste de știință populară și, de asemenea, (intenționat) de către unii oameni de știință care aderă la realism , inclusiv Alain Aspe însuși și Bernard d'Espagnate . [patru]

Există trei opțiuni:

În primul rând, experimentatorii ar trebui să folosească numai calcule cu rezultate compatibile cu experimentul, fără a recurge la o explicație derivată din logica noastră „macroscopică”. Această abordare, derivată din Interpretarea de la Copenhaga , este cea mai larg acceptată în rândul fizicienilor. Se bazează pe faptul că nicio explicație a fenomenelor EPR nu duce la teste sau predicții măsurabile. În consecință, majoritatea fizicienilor cred că explicațiile pentru această experiență depășesc domeniul de aplicare al științei (vezi criteriul de falsificare al lui Karl Popper ). Majoritatea explicațiilor chiar lipsesc de formalizare teoretică. Prin urmare, se utilizează o abordare empirică , care urmărește evitarea depășirii domeniului științific. În lucrarea lor „The Undivided Universe: An Ontological Interpretation of Quantum Theory”, fizicienii David Bohm și Basil Haley consideră obiecțiile la principiul nonlocalității ca fiind nefondate [5] . Răspunzând celor care văd acceptarea nonlocalității ca un obstacol în calea izolării științifice și a observării oricărui obiect anume, Bohm și Haley susțin că în lumea macroscopică această știință este posibilă deoarece localitatea nu este esențială : interpretarea permite același grad de sistem. separabilitatea care este necesară pentru „munca științifică reală. Contrastarea relativității speciale cu nonlocalitatea (vezi paradoxul EPR ) este mai dificilă, dar Bohm, ca și John Stuart Bell [6] , subliniază că semnalizarea nu joacă un rol în conceptul de nonlocalitate.

Bohm și Haley, ca și Bell, văd și alți factori, pe lângă cei științifici, în respingerea non-localității:

John Bell: Prelegere la CERN (1990).	Haley și Bohm: Despre obiecțiile la conceptul de nonlocalitate. (1993)
Simpla idee de acțiune înfiorătoare la distanță respinge fizicienii. Dacă aș avea o oră, te-aș bombarda cu citate din Newton, Einstein, Bohr și toți acei oameni grozavi. Ți-aș spune cât de de neconceput este să poți schimba o situație îndepărtată făcând ceva aici. Cred că părinții fondatori ai mecanicii cuantice nu prea aveau nevoie de argumentele lui Einstein despre necesitatea de a exclude acțiunea la distanță, pentru că căutau în altă parte. Ideea de determinism sau acțiune la distanță era atât de dezgustătoare pentru ei, încât s-au întors. Ei bine, este o tradiție și trebuie să învățăm uneori în viață să învățăm tradiții noi. Și s-ar putea să nu acceptăm atât acțiunile la distanță, cât și insuficiența „lipsei de acțiune la distanță”. [6]	[Obiecțiile față de nonlocalitate] par să corespundă mai mult sau mai puțin cu prejudecățile predominante în știința modernă. […] În primele etape ale dezvoltării științei, a existat un lung argument pentru a renunța la ceea ce ar putea fi perceput ca superstiții primitive și noțiuni magice. Nonlocalitatea a fost în mod clar conceptul cheie. Poate exista o teamă adânc înrădăcinată de ideea ca non-localitatea să redeschidă porțile care ne protejează de ceea ce sunt percepute ca gânduri iraționale care se află sub suprafața culturii contemporane. Chiar dacă ar fi, nu ar fi un argument valid împotriva non-localității [5]

A doua posibilitate este că încurcarea a „unificat” cele două obiecte prezente în interacțiune: cele două obiecte rămân „unul” în ciuda distanței lor spațiale („ non-localitatea lui Bernard d’Espagnat ”). Această distanțare poate fi chiar și temporală: este practic spațio-temporală. În prezent, nu există o explicație pentru ceea ce este considerat rezultatul unui experiment și nu o explicație sau interpretare a acestui rezultat. Această abordare, care își propune să explice faptele unui experiment, este abordarea raționalistă .
A treia opțiune este să ne schimbăm concepția despre cauzalitate și să acceptăm principiul cauzalității retrograde (fluxul cauzal din viitor în trecut), care, totuși, nu poate fi comparat cu „ cauza finală ” „teleologică” a filosofilor clasici. . Nimeni nu poate orienta evenimentele în funcție de scop: natura cauzalității înapoi este identică cu cauzalitatea așa cum o înțelegem noi („cauzalitatea efectivă” a filozofilor clasici), cu excepția faptului că ea curge înapoi în raport cu timpul și se poate „adăuga” la cauzalitate „clasică”. Această interpretare necesită ca natura ireversibilă a timpului să fie adevărată numai la scară macroscopică ( a doua lege a termodinamicii ). Mulți fizicieni se opun acestei idei, cum ar fi fizicianul și filozoful Etienne Klein, care subliniază că axa timpului , spune el, este înscrisă în simetriile fizicii particulelor. Această interpretare are un oarecare succes în rândul celor care dezvoltă interpretări ezoterice ale experimentului și o folosesc pentru fenomene parapsihologice (discutabil în comunitatea științifică, în special precogniție . Olivier Costa de Beauregard este renumit pentru apărarea unor astfel de teze. [7] ) Dar această interpretare în mod clar contrazice rezultatele experimentului, deoarece acestea au fost cel mai adesea efectuate: linia lumii care leagă evenimentele „dimensiunea P1” și „dimensiunea P2” ale spațiu-timpului este o curbură a spațiului . De fapt, pentru a infirma o posibilă interpretare alternativă a corelațiilor observate în aceste experimente, experimentatorii au trebuit să arate că „cauzalitatea” relativistă a fost cel puțin parțial incapabilă de a explica aceste rezultate incluse în scenarii, cum ar fi: fotonul informează fotonul prin intermediul unor procese relativiste despre starea sa cuantică după prima măsurare...". Cu toate acestea, este destul de clar că precauțiile experimentatorilor de a elimina toate explicațiile "cauzale" relativiste elimină simultan, conform opiniei predominante, orice " explicație retro-cauzală". În cele din urmă, pentru adepții conceptului de conducere, acest concept este o interpretare conjecturală și nu se aplică cu adevărat experimentelor existente, în opinia lor, duce la interpretări la vârful științei, sau chiar la pseudoștiință . , și implică mecanica cuantică într-o controversă căreia nu aparține. $\nu 1$ $\nu 2$

Niciun fizician nu crede că rezultatele experimentului EPR în general și ale experimentului Aspe în special - în deplină concordanță cu interpretarea de la Copenhaga a mecanicii cuantice - contestă în vreun fel principiul relativității, conform căruia nu există nicio formă de energie (materia sau forță), și, prin urmare, nicio informație utilă nu poate călători mai repede decât viteza luminii și, ca urmare, nu contestă principiul derivat al cauzalității relativiste. Este ușor de demonstrat că întanglementul cuantic nu poate fi folosit pentru a transfera instantaneu informații dintr-un punct din spațiu-timp în altul. Rezultatele măsurate pe prima particulă sunt aleatorii; schimbările de stare asupra celeilalte particule cauzate de aceste măsurători – cât de instantanee pot fi conform interpretării de la Copenhaga a mecanicii cuantice și ale rezultatelor experimentului Aspe – duc la măsurători despre a doua particulă care sunt aparent la fel de aleatorii: nu din măsurare se pot obține informații utile, iar până când rezultatele sunt comparate, corelațiile rămân nedetectabile. Acest tip de experiment demonstrează nevoia inevitabilă a unui semnal „clasic” în sens relativist pentru a transmite informațiile necesare pentru a detecta aceste corelații. Fără acest semnal, nimic nu poate fi transmis. Ea determină rata de transfer de informații, ceea ce confirmă principiul fundamental al relativității. Ca urmare, principiul cauzalității relativiste este pe deplin compatibil cu rezultatele experimentelor EPR.

Vezi și

Teoria parametrilor ascunși
Superdeterminism

Note

↑ 1 2 Bailly. L'intrication quantique confirmée par o experiență de Bell sans faille (franceză) ? . Pour la science (29 octombrie 2015). Preluat la 2 septembrie 2016. Arhivat din original la 24 septembrie 2018. (nedefinit)
↑ Nikseresht, Iraj. La physique quantique: origini, interpretări și critici (franceză) . - Paris: Elipse, 2005. - P. 235. - ISBN 978-2-7298-2366-5 .
↑ Alan; Aspect. Experiment propus pentru a testa nonseparabilitatea mecanicii cuantice (engleză) // Physical Review D : jurnal. - 1976. - 15 octombrie ( vol. 14 , nr. 8 ). - P. 1944-1951 . - doi : 10.1103/PhysRevD.14.1944 .
↑ Vezi, de exemplu , Corrélations, Causalité, Réalité Arhivat 25 noiembrie 2018 la Wayback Machine (în franceză).
↑ 1 2 Hiley, BJ; Bohm, David. Universul nedivizat: o interpretare ontologică a teoriei cuantice . - New York: Routledge , 1993. - P. 157-158. - ISBN 978-0-415-06588-7 .
↑ 1 2 John Bell Inequality Video Arhivat 14 noiembrie 2019 la Wayback Machine . 22 ianuarie 1990.
↑ D'Einstein à la telepathie . Consultat la 23 februarie 2011. Arhivat din original pe 23 februarie 2011. (nedefinit)

Link -uri

Videoconferință despre optica cuantică (17 minute), Alain Aspe , șef de cercetare la Institutul de Optică din Orsay (în franceză).
Center for Quantum Philosophy Arhivat 28 octombrie 2019 la Wayback Machine