4 kvantefysik misforståelser, busted

For at dette skal fungere, skal tilstandene (bølgerne) i superpositionen af ​​partiklen, der går gennem begge spalter, være "kohærente" - have et veldefineret forhold til hinanden.

Disse superpositionseksperimenter kan udføres med objekter af stadigt stigende størrelse og kompleksitet. Et berømt eksperiment af Anton Zeilinger i 1999 demonstrerede kvantesuperposition med store molekyler af kulstof-60 kendt som "buckyballs."

Så hvad betyder det for vores stakkels kat? Er den virkelig både levende og død, så længe vi ikke åbner kassen? Det er klart, at en kat ikke ligner en individuel foton i et kontrolleret laboratoriemiljø, den er meget større og mere kompleks. Enhver sammenhæng, som trillioner på billioner af atomer, som katten udgør, kan have med hinanden, er ekstremt kortvarig.

Dette betyder ikke, at kvantekohærens er umulig i biologiske systemer, bare at det generelt ikke vil gælde for store væsner såsom katte eller et menneske.

2. Simple analogier kan forklare sammenfiltring

Entanglement er en kvanteegenskab, som forbinder to forskellige partikler, så hvis du måler den ene, kender du automatisk og øjeblikkeligt den andens tilstand - uanset hvor langt fra hinanden de er.

Almindelige forklaringer på det involverer typisk hverdagsgenstande fra vores klassiske makroskopiske verden, såsom terninger, kort eller endda par ulige-farvede sokker. Forestil dig for eksempel, at du fortæller din ven, at du har lagt et blåt kort i en konvolut og et orange kort i en anden. Hvis din ven tager væk og åbner en af ​​konvolutterne og finder det blå kort, vil de vide, at du har det orange kort.

Men for at forstå kvantemekanikken skal du forestille dig, at de to kort inde i kuverterne er i en fælles superposition, hvilket betyder, at de er både orange og blå på samme tid (specifikt orange/blå og blå/orange). Åbning af én konvolut afslører én farve bestemt tilfældigt. Men åbning af det andet afslører stadig den modsatte farve, fordi det er "uhyggeligt" knyttet til det første kort.

Man kunne tvinge kortene til at fremstå i et andet sæt farver, svarende til at udføre en anden type måling. Vi kunne åbne en kuvert og stille spørgsmålet:"Er du et grønt eller et rødt kort?" Svaret ville igen være tilfældigt:grøn eller rød. Men afgørende, hvis kortene var viklet sammen, ville det andet kort stadig altid give det modsatte resultat, når det blev stillet det samme spørgsmål.

Albert Einstein forsøgte at forklare dette med klassisk intuition og antydede, at kortene kunne have været forsynet med et skjult, internt instruktionssæt, som fortalte dem, i hvilken farve de skulle se ud, givet et bestemt spørgsmål. Han afviste også den tilsyneladende "uhyggelige" handling mellem kortene, der tilsyneladende giver dem mulighed for øjeblikkeligt at påvirke hinanden, hvilket ville betyde kommunikation hurtigere end lysets hastighed, noget forbudt af Einsteins teorier.

Men Einsteins forklaring blev efterfølgende udelukket af Bells teorem (en teoretisk test skabt af fysikeren John Stewart Bell) og eksperimenter af 2022's nobelpristagere. Ideen om, at måling af et sammenfiltret kort ændrer det andets tilstand, er ikke sand. Kvantepartikler er bare mystisk korreleret på måder, vi ikke kan beskrive med dagligdags logik eller sprog - de kommunikerer ikke, mens de også indeholder en skjult kode, som Einstein havde troet. Så glem alt om hverdagsgenstande, når du tænker på sammenfiltring.

3. Naturen er uvirkelig og 'ikke-lokal'

Bells teorem siges ofte at bevise, at naturen ikke er "lokal", at et objekt ikke kun er direkte påvirket af dets umiddelbare omgivelser. En anden almindelig fortolkning er, at det antyder, at kvanteobjekters egenskaber ikke er "virkelige", at de ikke eksisterer før måling.

Men Bells sætning tillader os kun at sige, at kvantefysik betyder, at naturen ikke er både reel og lokal, hvis vi antager et par andre ting på samme tid. Disse antagelser omfatter ideen om, at målinger kun har et enkelt udfald (og ikke flere, måske i parallelle verdener), som årsag og virkning flyder frem i tiden, og at vi ikke lever i et "urværksunivers", hvor alt er forudbestemt siden tidernes morgen.

På trods af Bells teorem kan naturen godt være ægte og lokal, hvis du gav mulighed for at bryde nogle andre ting, vi betragter som sund fornuft, såsom at tiden går fremad. Og yderligere forskning vil forhåbentlig indsnævre det store antal potentielle fortolkninger af kvantemekanik. Men de fleste muligheder på bordet - for eksempel tiden, der flyder baglæns, eller fraværet af fri vilje - er mindst lige så absurd som at opgive begrebet lokal virkelighed.

4. Ingen forstår kvantemekanikf

Et klassisk citat (tilskrevet fysikeren Richard Feynman, men i denne form også parafraserende Niels Bohr) antager:"Hvis du tror, ​​du forstår kvantemekanik, forstår du det ikke."

Denne opfattelse er udbredt i offentligheden. Kvantefysik er angiveligt umulig at forstå, også af fysikere. Men fra et 21. århundredes perspektiv er kvantefysik hverken matematisk eller begrebsmæssigt særlig vanskelig for videnskabsmænd. Vi forstår det ekstremt godt, til et punkt, hvor vi kan forudsige kvantefænomener med høj præcision, simulere meget komplekse kvantesystemer og endda begynde at bygge kvantecomputere.

Superposition og sammenfiltring, når det forklares på kvanteinformationens sprog, kræver ikke mere end gymnasiematematik. Bells sætning kræver ikke nogen kvantefysik overhovedet. Det kan udledes på få linjer ved hjælp af sandsynlighedsteori og lineær algebra.

Hvor den sande vanskelighed ligger, er måske i, hvordan man forener kvantefysik med vores intuitive virkelighed. Ikke at have alle svarene forhindrer os ikke i at gøre yderligere fremskridt med kvanteteknologi. Vi kan simpelthen bare holde kæft og regne.

Heldigvis for menneskeheden nægtede nobelvinderne Aspect, Clauser og Zeilinger at holde kæft og blev ved med at spørge hvorfor. Andre som dem kan måske en dag hjælpe med at forene kvanteunderlighed med vores oplevelse af virkeligheden.

Alessandro Fedrizzi er professor i fysik ved Heriot-Watt University. Han modtager støtte fra U.K. Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).

Mehul Malik er professor i fysik ved Heriot-Watt University. Han modtager støtte fra UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) og European Research Council (ERC) Starting Grant PIQUaNT.

Denne artikel er genudgivet fra Samtalen under en Creative Commons-licens. Du kan finde original artikel her.