2022 års Nobelpris i fysik erkände tre forskare som gjort banbrytande bidrag för att förstå ett av de mest mystiska av alla naturfenomen:kvantförsnärjning.
I enklaste termer betyder kvantintrassling att aspekter av en partikel i ett intrasslat par beror på aspekter av den andra partikeln, oavsett hur långt ifrån varandra de är eller vad som ligger mellan dem. Dessa partiklar kan till exempel vara elektroner eller fotoner, och en aspekt kan vara tillståndet den är i, till exempel om den "snurrar" i en eller annan riktning.
Den märkliga delen av kvantentanglement är att när man mäter något om en partikel i ett intrasslat par, så vet man omedelbart något om den andra partikeln, även om de skiljer sig miljontals ljusår. Denna märkliga koppling mellan de två partiklarna är omedelbar och till synes bryter mot en grundläggande lag i universum. Albert Einstein kallade fenomenet "spöklik action på avstånd."
Efter att ha ägnat större delen av två decennier åt att genomföra experiment med rötter i kvantmekaniken, har jag kommit att acceptera dess märklighet. Tack vare allt mer exakta och tillförlitliga instrument och arbetet från årets Nobelvinnare, Alain Aspect, John Clauser och Anton Zeilinger, integrerar fysiker nu kvantfenomen i sin kunskap om världen med en exceptionell grad av säkerhet.
Men även fram till 1970-talet var forskarna fortfarande delade om huruvida kvantförsnärjning var ett verkligt fenomen. Och av goda skäl - vem skulle våga säga emot den store Einstein, som själv tvivlade på det? Det krävdes utveckling av ny experimentell teknik och djärva forskare för att äntligen lägga detta mysterium till vila.
Innehåll
För att verkligen förstå det kusliga med kvantsammantrassling är det viktigt att först förstå kvantöverlagring. Quantum superposition är idén att partiklar existerar i flera tillstånd samtidigt. När en mätning utförs är det som om partikeln väljer ett av tillstånden i superpositionen.
Till exempel har många partiklar ett attribut som kallas spin som mäts antingen som "upp" eller "ner" för en given orientering av analysatorn. Men tills du mäter spinn av en partikel, existerar den samtidigt i en superposition av spin upp och spin ner.
Det finns en sannolikhet kopplad till varje tillstånd, och det är möjligt att förutsäga det genomsnittliga utfallet från många mätningar. Sannolikheten för att en enskild mätning är upp eller ner beror på dessa sannolikheter, men är i sig oförutsägbar.
Även om det är väldigt konstigt, har matematiken och ett stort antal experiment visat att kvantmekaniken korrekt beskriver den fysiska verkligheten.
Det kusliga med kvantintrassling kommer från verkligheten med kvantöverlagring och var tydlig för kvantmekanikens grundare som utvecklade teorin på 1920- och 1930-talen.
För att skapa intrasslade partiklar bryter man i princip ett system i två, där summan av delarna är känd. Till exempel kan du dela en partikel med ett spinn på noll i två partiklar som nödvändigtvis kommer att ha motsatta spins så att summan blir noll.
1935 publicerade Albert Einstein, Boris Podolsky och Nathan Rosen en artikel som beskriver ett tankeexperiment utformat för att illustrera en skenbar absurditet av kvantförveckling som utmanade en grundläggande lag i universum.
En förenklad version av detta tankeexperiment, tillskriven David Bohm, betraktar sönderfallet av en partikel som kallas pi meson. När denna partikel sönderfaller, producerar den en elektron och en positron som har motsatt spin och rör sig bort från varandra. Därför, om elektronsnurret mäts vara uppåt, kan det uppmätta spinnet för positronen bara vara nedåt, och vice versa. Detta är sant även om partiklarna är miljarder mil från varandra.
Detta skulle vara bra om mätningen av elektronspinnet alltid var upp och det uppmätta spinnet av positronen alltid var nere. Men på grund av kvantmekaniken är varje partikels spinn både delvis uppåt och delvis nedåt tills den mäts. Först när mätningen sker "kollapsar" kvanttillståndet för spinnet till antingen uppåt eller nedåt - och omedelbart kollapsar den andra partikeln i det motsatta spinnet. Detta tycks antyda att partiklarna kommunicerar med varandra genom några medel som rör sig snabbare än ljusets hastighet. Men enligt fysikens lagar kan ingenting färdas snabbare än ljusets hastighet. Visst kan det uppmätta tillståndet för en partikel inte omedelbart bestämma tillståndet för en annan partikel längst ut i universum?
Fysiker, inklusive Einstein, föreslog ett antal alternativa tolkningar av kvantintrassling på 1930-talet. De teoretiserade att det fanns någon okänd egenskap - kallade dolda variabler - som bestämde tillståndet för en partikel före mätning. Men på den tiden hade fysiker inte tekniken eller en definition av ett tydligt mått som kunde testa om kvantteorin behövde modifieras för att inkludera dolda variabler.
Det dröjde till 1960-talet innan det fanns några ledtrådar till ett svar. John Bell, en briljant irländsk fysiker som inte levde för att få Nobelpriset, utarbetade ett schema för att testa om begreppet dolda variabler var vettigt.
Bell producerade en ekvation som nu är känd som Bells ojämlikhet som alltid är korrekt – och bara korrekt – för teorier om dolda variabel, och inte alltid för kvantmekanik. Således, om Bells ekvation visade sig inte vara uppfylld i ett verkligt experiment, kan lokala teorier om dolda variabler uteslutas som en förklaring till kvantintrassling.
Experimenten från 2022 års Nobelpristagare, särskilt de från Alain Aspect, var de första testerna av Bells ojämlikhet. Experimenten använde intrasslade fotoner, snarare än par av en elektron och en positron, som i många tankeexperiment. Resultaten uteslöt definitivt förekomsten av dolda variabler, ett mystiskt attribut som skulle förutbestämma tillstånden för intrasslade partiklar. Tillsammans har dessa och många uppföljande experiment bekräftat kvantmekaniken. Objekt kan korreleras över stora avstånd på sätt som fysiken före kvantmekaniken inte kan förklara.
Viktigt är att det inte heller finns någon konflikt med speciell relativitetsteori, som förbjuder snabbare än ljus kommunikation. Det faktum att mätningar över stora avstånd är korrelerade innebär inte att information överförs mellan partiklarna. Två parter långt ifrån varandra som utför mätningar på intrasslade partiklar kan inte använda fenomenet för att skicka vidare information snabbare än ljusets hastighet.
Idag fortsätter fysiker att forska om kvantförsnärjning och undersöka potentiella praktiska tillämpningar. Även om kvantmekaniken kan förutsäga sannolikheten för en mätning med otrolig noggrannhet, är många forskare fortfarande skeptiska till att den ger en fullständig beskrivning av verkligheten. En sak är dock säker. Mycket återstår att säga om kvantmekanikens mystiska värld.
Andreas Muller är docent i fysik vid University of South Florida. Han får finansiering från National Science Foundation.
Denna artikel är återpublicerad från Konversationen under en Creative Commons-licens. Du kan hitta originalartikel här.
