Superfizika Smackdown: Relativitāte pret kvantu mehāniku… Kosmosā

Viena no lielākajām mūsdienu zinātnes mīklām ir tāda, ka likumi, kas valda Visumā vislielākajā mērogā, pilnīgi atšķiras no tiem, kas valda mazākajā mērogā.

Tas ir dīvaini, jo visa mūsu intuīcija par Visumu ir tāda, ka tam vajadzētu būt iekšēji konsekventam, nevis pretrunā pašam ar sevi. Tāpēc fiziķi ir nesaraujami saistīti ar domu, ka relativitātei un kvantu mehānikai ir jābūt lielākas un labākas idejas izpausmēm, kas aptver tos abus.

Atšķirības starp vispārējo relativitāti un kvantu mehāniku ir tik lielas, ka visi mēģinājumi tās saskaņot līdz šim ir bijuši neveiksmīgi. Tomēr šie mēģinājumi ir bijuši pilnībā teorētiski, un tas dod tiem ierobežotu lietderību.

Piemēram, fiziķi regulāri mēra sapīšanās kvantu fenomenu, nosūtot sapinušies fotonu pārus no vienas vietas uz otru. Šajos eksperimentos gan sūtītājam, gan saņēmējam ir jāmēra fotonu polarizācija, piemēram, vertikālā vai horizontālā. Bet tas var notikt tikai tad, ja abas puses zina, kurš virziens ir uz augšu.

To ir viegli norādīt, kad tie atrodas tuvu viens otram. Bet tas kļūst daudz grūtāk, ja tos atdala attālumi, pār kuriem spēlē telpas laika izliekums. Problēma ir tāda, ka atbilde ir neskaidra un ir atkarīga no ceļa, ko katrs fotons iet cauri telpas laikam.

Eksperimenta veicēji to var atrisināt, izsekojot katra fotona ceļu atpakaļ uz to kopējo avotu, ja tas ir zināms. Bet kā tad katrs fotons “zina” ceļu, ko otrs ir nogājis? Teorētiķi var tikai minēt.

Vēl viena problēma rodas, ja šāda veida eksperimenti tiek veikti ar sūtītāju un uztvērēju, kas pārvietojas ar relatīvu ātrumu. Tas iepazīstina ar labi zināmo notikumu secības noteikšanas problēmu, par kuru Einšteins lieliski parādīja, ka tā ir atkarīga no novērotāju viedokļiem.

Tas ir krasā pretstatā kvantu mehānikas prognozēm. Šeit viena sapinušies fotona mērījumi uzreiz nosaka nākamā mērījuma rezultātu uz otru, neatkarīgi no attāluma starp tiem.

Ja īpašā relativitāte nodrošina, ka notikumu secība ir neskaidra, ko dod? Atkal teorētiķi ir zaudējuši.

Protams, veids, kā atbildēt uz šiem jautājumiem, ir tos pārbaudīt un redzēt.

Šodien Deivids Rideouts no Kalifornijas Universitātes Sandjego un daži draugi izklāsta dažādus veidus, kā salauzt šos riekstus, un viņi saka, ka šāda veida eksperimentiem vajadzētu būt iespējamiem tuvākajā nākotnē.

Tas lielā mērā ir tāpēc, ka nepieciešamais eksperimentālais aprīkojums ir standarts daudzās optikas laboratorijās, tāpēc to kvalificēšanai lietošanai kosmosā jābūt vienkāršai.

Divas grupas jau ir ierosinājušas veikt šāda veida eksperimentus kosmosā. Viena grupa vēlas Starptautiskajā kosmosa stacijā ievietot paketi, kas spēj radīt sapinušos fotonus, lai tie varētu izstarot atpakaļ uz Zemi. Cits vēlas noturēt kvantu aprīkojumu uz zemes un atsist fotonus no vienkārša mikrosatelīta zemā Zemes orbītā, kas, viņuprāt, būs lētāka, vienkāršāka un labāka.

Nevienai grupai nav prātā palaišanas datums vai pat garantēti līdzekļi sava aprīkojuma izgatavošanai. Taču tas varētu mainīties, ņemot vērā pieaugošo interesi par šo jomu un iespēju, ka Ķīnas darbs varētu atspēkot Rietumu centienus.

Turklāt pastāv ilgtermiņa iespējas izstarot fotonus no tālākām vietām, piemēram, no Mēness vai starpplanētu kosmosa kuģiem.

Lielāka aina ir tāda, ka, lai atrastu jaunu fiziku, zinātniekiem ir jāpieliek eksperimenti līdz jaunām robežām. Fiziķiem nav izdevies pārbaudīt vispārējo relativitāti kvantu mērogā (ti, Planka skalā 10^-34m). Tomēr tagad tiek mēģināts izpētīt šo mērogu, izmantojot atomu interferometrus.

Un līdz šim fiziķi nav spējuši pārbaudīt kvantu mehāniku vispārējās relativitātes teorijas mērogā, jo attālumi, kuros telpas laika izliekums kļūst nozīmīgs, ir tik lieli. Tikai pirms dažām nedēļām mēs redzējām, ka kvantu objektu teleportēšanas rekords ir tikai 150 km, kas ir pārāk maz, lai vispārējā relativitāte varētu darboties.

Rideout un citi saka, ka nākamajos gados tas noteikti mainīsies. Par kvantu mehānikas paradoksiem 20. gadsimta 20. un 30. gados pirmo reizi apsprieda Einšteins, Bors un citi. Taču dažādu iemeslu dēļ, tostarp akli aizspriedumi pret šāda veida darbiem, fiziķi sāka tos eksperimentāli pārbaudīt tikai 1970. un 80. gados.

Kvantu mehānikas un relativitātes teorijas tikšanās radītie paradoksi ir tikpat seni un, iespējams, dziļāki. Un tomēr fiziķiem vēl ir jāsāk saskaņoti centieni tos eksperimentāli izpētīt.

Pēdējais laiks satvert šo nātru.

Atsauce: arxiv.org/abs/1206.4949 : fundamentālie kvantu optikas eksperimenti, kas iedomājami ar satelītiem, kas sasniedz relatīvistiskos attālumus un ātrumus

paslēpties