양자 기묘함을 길들이는 방법

Quantum Mechanics는 Niels Bohr가 쫓겨 난 것처럼 보편적으로 이상한 것으로 간주됩니다.“충격을받지 않으면 실제로 이해하지 못합니다.” 양자 역학에 의해 예측 된 가장 충격적인 현상 중 하나는 양자 얽힘으로 아인슈타인은“거리에서 짜증나는 행동”이라고 불렀습니다. 그는 더 완전한 이론이 그것을 피할 수 있다고 생각했지만, 1964 년 John Bell은 양자 역학의 예측이 사실이라면, 어느 정도의 합리적인 가정을 고려할 때 멀리서의 으스스한 행동이 실제로 일어나야한다는 것을 보여 주었다. 지난 주, 그녀의 기사에서“실험은 양자 이상감을 재확인한다”고 나탈리 울 가버 (Natalie Wolchover)는 물리학 자들이 이러한 가정과 관련된 흥미로운 허점으로 문을 닫고 있다고보고했다. 이“선택의 자유”허점은 다이 하드에게 멀리서 짜증나는 행동을 믿지 않는 가능한 방법을 제공했습니다.

이번 달의 통찰력 퍼즐은 벨의 정리에 의해 암시 된 바와 같이 양자 영역의 충격적인 이상함을 취합니다. 그것은 친숙한 물체와 현상을 사용하여 양자 입자에 대한 추론을 직관적 인 방식으로 추론하여 기이함을 제거하거나 최소한 시야에서 벗어나서 결과가 전혀 이상하지 않도록합니다. 양자 역학의 간단한 물리적 모델이 가능합니까? 아마도! 당신은 판사입니다.

그러나 먼저 Bell의 정리를 검토하고 퍼즐을 소개합시다 :

서로 반대되는 두 학생 A와 B는 양자 역학에 대한 과정을 수행하기 위해 준비하고 있습니다. 코스 전 33 일 (–37 일)은 100 개의 참/거짓 질문으로 구성된 컴퓨터 테스트를 수행합니다. A가 참으로 대답하고 B가 거짓으로 대답하고 그 반대의 모든 질문은 그 대답이 완벽하게 반사적입니다. 코스가 시작될 때 (0 일), 두 사람은 다시 같은 테스트를 수행합니다. 그들의 대답 중 일부는 이제 처음으로 무엇이되었는지와 다르지만 여전히 완벽하게 반사적입니다. 32 일 후 (+37 일), 그들은 세 번째로 같은 테스트를합니다. 다시 말하지만, 그들의 대답 중 일부는 다르지만 여전히 완벽하게 반응이 있습니다.

당신과 친구는 별도의 컴퓨터 터미널에 앉아 테스트를 비교합니다. 주어진 시간에 컴퓨터 화면에서 A의 테스트 중 하나만 가져올 수 있지만 친구는 B 중 하나만 가져올 수 있습니다. 먼저, 두 사람은 학생들이 같은 날에 취한 시험을 시작하여 A의 날 –37 테스트와 B의 날 –37 테스트 등을 비교합니다. 물론, 그것들은 모두 완벽하게 반사가되어 있으며, 전혀 일치하는 답변이 없습니다. 다음으로 A의 Day 0 테스트와 B의 날 –37 테스트를 비교합니다. 이 경우 정확히 10 개의 답변이 일치합니다. 마찬가지로 B의 Day 0 테스트에는 A의 날 +37 테스트와 일치하는 10 개의 답변이 있습니다. 마지막으로 B 'Day –37 테스트를 A의 날 +37 테스트와 비교합니다. 그리고 여기에 놀라움이 온다…

질문 1 : 이 두 테스트에 대해 기대할 최소 및 최대 일치 답변 수는 얼마입니까?

질문 2 : 일치하는 36 개의 답변이 있다는 것을 알게되면 어떻게 설명 하시겠습니까?

질문 3 : 위의 시나리오 (–37, 0, +37, 10 및 36)의 모든 숫자는 어디에 있습니까? (모르는 경우 힌트를 읽으십시오.)

좋아,이 모든 것이 벨의 정리와 어떤 관련이 있습니까? 견적 Wolchover :

… 이 함수는 2 개의 얽힌 광자가 수직 방향으로 편광되도록 지정할 수 있으며, 일부는 광자 A가 수직 편광되고 광자 B가 수평 편광되고 반대의 가능성이있을 가능성이 있습니다. 두 광자는 연간으로 이동할 수 있지만, 그것들은 연결되어 남아 있습니다 :광자 A를 수직 편광으로 측정하고, B의 상태가 순간에 지정되지 않은 경우에도 광자 A를 순간적으로 편광으로 분산하게됩니다. 이것은 아인슈타인이 1930 년대와 40 년대에 양자 역학의 완전성에 대한 그의 주장에 대해 회의적으로 유명한“으스스한 행동”입니다.

1964 년 북 아일랜드 물리학 자 John Bell 은이 역설적 개념을 시험에 넣을 수있는 방법을 찾았습니다. 그는 입자가 아무도 보지 않는 경우에도 명확한 상태를 가지고 있고 ( "현실주의"로 알려진 개념), 실제로 신호가 빛보다 빠르게 이동하지 않는다면 ( "위치"), 두 입자의 측정 된 상태 사이에서 관찰 될 수있는 상관의 양에 상한이 있음을 보여 주었다. 그러나 실험은 얽힌 입자가 벨의 상한보다 더 상관 관계가 있다는 시간과 시간을 계속 보여 주었고, 현지 현실주의보다 급진적 양자 세계관을 선호합니다.

이 실험은 퍼즐에 직접 매핑됩니다. A와 B의 당일 테스트는 반 상관 광자이며, 귀하와 귀하의 친구는 실험 자입니다. 시험의 날은 각각의 편광기의 각도를 나타냅니다. 편광기가 같은 각도 (당일 테스트) 인 경우, 학생들과 마찬가지로 광자는 100 % 항 상관이 있습니다. 상황이 동형이기 때문에 테스트 상관 결과와 광자 상관 결과를 복제 할 수 있어야합니다. 이러한 상식적인 가정은 다음과 같습니다. 명확한 답변이있는 완료된 테스트가 존재하고 (현실주의), 등급이 완료되는 동안 (지역)가 수행되는 동안 서로 영향을 줄 수 없으며, 시험관은 A의 모든 테스트를 B 중 어느 것 (선택의 자유)과 자유롭게 비교할 수 있습니다. 서로 다른 각도의 편광기의 경우, 현재 실험적으로 잘 확립 된 양자 기계적 예측은 그들 사이의 상관 관계가 공식 1 - 에 의해 주어진다는 것입니다. COS (θ/2), 여기서 θ는 두 편광기 사이의 각도입니다. 이 무고한 모습 상관 함수는 위에서 주어진 가정으로 달성 할 수 없습니다. 주어진 각도에 대한 값을 취하면 (주어진 며칠의 며칠을 차지한 A와 B의 테스트 사이의 상관 관계), 두 배의 각도에 대한 최대 값 (A와 B의 테스트 사이의 상관 관계)을 계산하는 데 사용하는 경우 불일치는 가장 명확합니다 (위에서 확인한 것). 얽힌 광자 사이의 상관 관계는 학생들의 시험 사이에서 가능한 것보다 훨씬 높습니다. 이것은 얽힌 입자에 대한 양자 기계적 상관 관계가“Bell 's 불평등”이라고 알려진 것을 어떻게 위반하는지의 예입니다.

질문 4 : 위의 공식을 사용하여 상기 설명 된 세 가지 가정 하에서 각도 2θ에 대한 실제 상관 관계와 θ에 대한 주어진 상관 관계로부터 2θ에 대해 계산 된 최대 값 사이의 가장 큰 차이는 무엇입니까? 이 가장 큰 차이가 발생합니까?

위의 계산을 부지런히 따랐다면 두 광자의 양극화 (빨간색 또는 청색으로 표시)가 측정 자체의 순간과 행위를 통해서만 고유 한 가치를 취한다는 결론을 피할 수 없습니다. 실제 객체를 사용하여 결과를 설명 할 방법이 전혀 없습니다.

하지만 잠깐만 요. 양자 기묘함의 질적 측면 중 하나만 고려해 봅시다. 얽힌 양자 입자 쌍의 양자 적 특성은 측정 행위, 측정 행위에 의해 잠재적으로 널리 분산 된 지점에서 무작위로 선택된다는 생각입니다. 페이지 상단의 그림에 표시된 것처럼 광자를 고체 입자가 아니라 길쭉한 "풍선 동물"풍선과 비슷하다면 어떻게해야합니까?  수평 광자 풍선이 붉은 풍선이고 수직 편광 광자가 파란색이라고 상상해보십시오. 다음에서, 이것이 실제 풍선으로 어떻게 달성 될 수 있는지에 대한 메커니즘에 초점을 맞추지 말고, 이런 종류의 설정에서 풍선 같은 물체가 어떻게 행동하는지에 초점을 맞추십시오. 얽힌 광자가 반대 방향으로 돌진 할 때, 그들은 실제로 각 풍선이 양쪽 방향으로 빛의 속도로 투사되는 것을 통해 서로를 단단히 뒤틀리는 자체 팽창 풍선을 휘젓는 것과 같다고 상상해보십시오. 풍선이 항상 함께 그리고 반대 방향으로 수축하는 방식으로 조작 (얽힌)이라고 상상해보십시오. 그러면 각 풍선은 양쪽 끝에서 접근 할 수 있습니다. 맹목적으로 하나를 잡으면 (측정을하면) 어느 쪽도 마련 될 수 있습니다. 측정이 만들어지면 무작위로 뒤틀린 풍선 중 하나를 "스피어"한다고 상상해보십시오. 이로 인해 두 풍선의 즉각적인 분리 및 수축이 발생하며, 이제 더 이상 고정되지 않은 비장되지 않은 것이 더 이상 반대쪽 끝으로 돌아갑니다 (자주, 고통스럽게도 풍선과 고무 밴드와 비슷한 현상을 경험했습니다). 한쪽 끝에서 풍선의 색이 다른 쪽 끝에서 색상과 반대되는 이유를 쉽게 알 수 있습니다. 이 시각적이기 쉬운 모델은 널리 분산 된 위치에서 측정의 순간에만 발생할 수있는 속성 선택이 어떻게 발생할 수 있는지를 포착합니다.

두 가지 측정이 잠재적으로 몇 년 동안 가벼워 질 수 있다는 사실은 어떻습니까? 어느 쪽 끝에서의 결과 사이에 엄청난 지연이 없습니까? 글쎄, 내가 풍선이 즉시 풀리라고 말할 때, 나는 순간적으로 의미한다. 그러나 입자의 잠재적으로 무한한 확장 과이 모델에서 초안 스냅은 실제로 문제가되지 않습니다. 이러한 특성은 어쨌든 양자 역학의 수학에 암시 적입니다. 양자 역학은 입자가 우주의 모든 곳에있을 수있는 유한 진폭을 가질 수 있으며, 파도 기능 붕괴 (여기서 초과형 스냅으로 표시)는 각 입자 내부에 있으므로 정보를 전송할 수 없습니다. 따라서이 시각화는 양자 역학의 이상한 측면을 숨기고 법을 어 기지 않습니다.

나는 양자 입자를 나타내는 데 매우 유용한 탄성 풍선 또는 거품을 발견합니다. 싱크대에 비누 거품을 가지고 연주 한 사람이나 플라스틱 시트 나 카펫 아래에 갇힌 기포가있는 사람은 입자 진폭과 마찬가지로 큰 거품이 모든 곳에있는 무수한“버블릿”으로 나눌 수있는 방법을 보았습니다. 이 버블릿은 양자 입자와 마찬가지로 완전히 다른 위치에서 갑자기 예상치 못한 거품으로 합쳐질 수 있습니다. 거품이 두 개의 동일한 크기의 파동 버블릿으로 나뉘어 두 슬릿으로 나뉘어 측정이 이루어지는 순간과 장소에서 갑자기 합쳐지고 완전히 형성된 두 슬릿 실험을 상상해보십시오! 각 입자가 궁극적으로 그 자체 만 방해한다는 양자 기계적 아이디어에 충실합니다. 아마도 양자 입자는 플라스틱 시트 우주에 갇힌 역동적 인 세분화, 모양 변화 거품과 같으며, 우리가 그들을 조사하고 어떤 위치에서 전체가되도록 강제 할 때만 개별 속성을 취하고 드러냅니다. 아마도 각 입자는 자체 개인 우주 웜홀에서 수백만 개의 분산 부품으로 자유롭게 분류 할 수 있습니다. 측정 값이 특정 위치에서 전체가되도록하여 확률 적으로 선택 될 때까지.

현재, 거품이나 탄성 풍선을 통해 양자 물체를 시각화한다는이 아이디어는 재미있는 휴리스틱 운동 일뿐입니다. 우리는 완전히 전통적인 확률을 사용하면서 내부적으로 내부 초대형 대상을 포함하는 실제 결정 론적 이론을 구축하는 데 사용할 수 있습니까? 독자들이 어떻게 생각하는지 알고 싶습니다. 그리고 본 분야에서 본격적인 이론을 만들어야하고 협력하고 싶을 때이 분야에서 깊은 교육과 전문 지식을 가지고 있다면 여러분의 의견을 듣고 싶습니다. 행복한 수수께끼!

편집자 주 :댓글 섹션에서 가장 흥미롭고 창의적이거나 통찰력있는 솔루션 (칼럼니스트가 판단한)을 제출 한 독자는 을 받게됩니다. Quanta Magazine 티셔츠. 그리고 미래의 Insights Column에 가장 좋아하는 퍼즐을 제안하고 싶다면 아래 의견으로 제출하고“새로운 퍼즐 제안”이 명확하게 표시되어 있습니다 (온라인으로 표시되지 않으므로 위의 퍼즐에 대한 해결책을 별도로 제출해야합니다).