이론적 물리학 자 John Wheeler는 한때“Great Smoky Dragon”이라는 문구를 사용하여 소스에서 광자 카운터로가는 빛의 입자를 설명했습니다. “용의 입이 날카 롭고 카운터를 물었습니다. 용의 꼬리는 광자가 시작되는 곳에서 날카 롭다”고 Wheeler는 썼다. 다시 말해, 광자는 처음과 끝에서 확실한 현실을 가지고 있습니다. 그러나 드래곤의 몸 인 중간에있는 상태는 성가신입니다. "드래곤이하는 일이나 모습은 우리가 말할 권리가 없습니다."
휠러는 초등학교 양자 현상이 관찰 될 때까지 실제가 아니라는 견해, 반 현실주의라는 철학적 입장을지지했다. 그는 심지어 당신이 현실주의를 붙잡고 있다면 (광자와 같은 양자 물체가 항상 명확하고 본질적인 특성을 가지고 있음을 보여 주면 미래가 과거에 영향을 줄 수 있음을 인정해야합니다. 후진 시간 여행의 부조리를 감안할 때, 휠러의 실험은 양자 수준에서 반 현실주의에 대한 논쟁이되었습니다.
그러나 5 월에 브라질 나탈의 국제 물리학 연구소의 라파엘 차베스와 동료들은 허점을 발견했습니다. 그들은 특정 가정을 고려할 때 휠러의 실험이 광자에 고유 한 특성을 나타내는 고전적인 모델을 사용하여 설명 될 수 있음을 보여 주었다. 그들은 용에 잘 정의 된 몸을 주었지만 표준 양자 역학의 수학적 형식에 숨겨져있는 몸을 주었다.
그런 다음 Chaves의 팀은 허점 테스트를위한 휠러의 실험에 대한 비틀기를 제안했습니다. 비정상적인 민첩성으로 세 팀이 수정 된 실험을하기 위해 경주했습니다. 6 월 초에보고 된 그들의 결과는 현실주의를 옹호하는 고전적인 모델 클래스가 결과를 이해할 수 없다는 것을 보여 주었다. 양자 역학은 이상 할 수 있지만 여전히 이상하게도 가장 간단한 설명입니다.
드래곤 트랩
Wheeler는 1983 년에 양자 역학에서 지배적 인 개념적 수수께끼 중 하나 인 파동 입자 이중성을 강조하기 위해 실험을 고안했습니다. 양자 물체는 입자 나 파도처럼 작용하는 것처럼 보이지만 동시에 둘 다 결코 결코 결코 작동하지 않습니다. 양자 역학 의이 특징은 물체가 관찰 될 때까지 내재 된 현실이 없다는 것을 암시하는 것으로 보인다. 매사추세츠 기술 연구소의 물리학 자이자 과학 역사가 인 데이비드 카이저 (David Kaiser)는“물리학 자들은 한 세기 동안 양자 이론의 필수적이고 이상한 특징으로 파동 입자 이원성을 파악해야했다. “이 아이디어는 Heisenberg의 불확실성 원리 및 Schrödinger의 고양이와 같은 양자 이론의 다른 전형적인 이상한 특징을 사전 데이트합니다.”
이 현상은 Mach-Jehnder 간섭계라는 유명한 이중 슬릿 실험의 특별한 경우에 의해 강조됩니다.
실험에서, 단일 광자는 반감기 거울 또는 빔 스플리터에서 발사된다. 광자는 동일한 확률로 반사되거나 전달되므로 두 가지 경로 중 하나를 취할 수 있습니다. 이 경우, 광자는 경로 1 또는 경로 2를 취한 다음 동일한 확률로 검출기 D1 또는 D2를 누르십시오. 광자는 불가분의 전체처럼 작용하여 입자와 같은 특성을 보여줍니다.
그러나 왜곡이 있습니다. 경로 1과 경로 2가 교차하는 지점에서, 두 번째 빔 스플리터를 추가하여 사물을 바꿀 수 있습니다. 이 설정에서, 양자 역학은 광자가 파도처럼 한 번에 두 경로를 한 번에 취하는 것처럼 보인다고 말합니다. 두 파도는 두 번째 빔 스플리터에서 다시 돌아옵니다. 실험은 파도가 D1쪽으로 이동할 때만 건설적으로 (피크에서 피크, 트로프) 결합되도록 설정할 수 있습니다. 대조적으로 D2를 향한 경로는 파괴적인 간섭을 나타냅니다. 이러한 설정에서 광자는 항상 D1에서 발견되며 D2에서는 결코 없습니다. 여기서 광자는 그와 같은 특성을 나타냅니다.
휠러의 천재는 다음과 같이 묻습니다. 두 번째 빔 스플리터를 추가할지 여부를 선택하면 어떻게해야합니까? 두 번째 빔 스플리터없이 광자가 간섭계에 들어가고 있다고 가정 해 봅시다. 입자처럼 작용해야합니다. 그러나 마지막 나노초에 두 번째 빔 스플리터를 추가 할 수 있습니다. 이론과 실험은 그때까지는 아마도 입자처럼 작용하고 D1 또는 D2로 갔을 것이라는 광자가 이제 파도처럼 작용하고 D1로 만 갔다는 것을 보여준다. 그렇게하기 위해서는 한 경로 나 다른 경로가 아니라 동시에 두 경로에있는 것처럼 보였습니다. 고전적인 사고 방식에서, 광자가 시간이 지남에 따라 성격을 입자에서 파도로 바꾸는 것처럼 보입니다.
그러한 복고풍 유발 성을 피하는 한 가지 방법은 광자에 대한 본질적인 현실을 거부하고 광자가 측정 시에 만 현실화된다고 주장하는 것입니다. 그렇게하면 취소 할 것이 없습니다.
양자 역학의 코펜하겐 해석과 관련이있는 이러한 반 현실주의는 적어도이 실험의 맥락에서 Chaves의 작품으로 이론적 인 노크를 취했다. 그의 팀은 컴퓨터 과학자 Judea Pearl과 다른 사람들이 옹호 한 지난 10 년 동안 인기가 높아진 인과 관계 모델링이라는 새로운 아이디어를 사용하여 양자 역학의 반 직관적 인 측면을 설명하고 싶었습니다. 인과 적 모델링은 실험의 다양한 요소들 사이에 인과 관련 관계를 설정하는 것을 포함합니다. 상관 관계가있는 사건을 연구 할 때 (A와 B라고 부릅니다. - 원인 B 또는 B가 A를 유발한다고 결론을 내릴 수 없다면, 이전에 의심의 여지가 없거나“숨겨진”세 번째 사건 C가 둘 다를 유발할 가능성이 있습니다. 이러한 경우 인과 모델링은 c.를 발견하는 데 도움이 될 수 있습니다
Chaves와 그의 동료 Gabriela Lemos와 Jacques Pienaar는 Wheeler의 지연된 선택 실험에 중점을 두 었으며, 두 사람 모두 광고 본질적인 현실을 부여하는 숨겨진 과정을 가진 모델을 찾는 데 실패 할 것으로 예상하고 또한 복고풍 속성을 불러 일으키지 않고도 행동을 설명합니다. 그들은 지연된 선택 실험이“그것을 설명 할 수있는 인과 적 모델이 없다는 의미에서 슈퍼 반 직관적이라는 것을 증명할 것이라고 생각했다.
그러나 그들은 놀람을 위해있었습니다. 이 작업은 비교적 쉽습니다. 그들은 광자가 제 1 빔 스플리터를 건너 직후에 "숨겨진 변수"로 표시되는 고유 상태를 가지고 있다고 가정함으로써 시작되었습니다. 이 맥락에서 숨겨진 변수는 표준 양자 역학에는 없지만 어떤 식 으로든 광자의 행동에 영향을 미칩니다. 그런 다음 실험자는 두 번째 빔 스플리터를 추가하거나 제거하기로 선택합니다. 후진 시간 여행을 금지하는 인과 모델링은 실험 자의 선택이 과거의 본질적인 광자 상태에 영향을 줄 수 없도록합니다.
현실주의를 암시하는 숨겨진 변수가 주어지면, 팀은 변수의 값과 두 번째 빔 스플리터의 존재 또는 부재를 사용하여 양자 역학의 예측을 모방하는 방식으로 광자를 D1 또는 D2로 안내하는 규칙을 작성할 수 있음을 보여주었습니다. 여기에 고전적이고 인과 적이며 현실적인 설명이있었습니다. 그들은 새로운 허점을 발견했습니다.
상하이 뉴욕 대학교의 이론적 양자 물리학자인 팀 번스 (Tim Byrnes)는 일부 물리학 자들이 놀랐다 고 말했다. Byrnes는“사람들이 정말로 감사하지 않은 것은 이런 종류의 실험이 실험 결과를 완벽하게 모방하는 클래식 버전에 취약하다는 것입니다. "양자 역학과 관련이없는 숨겨진 변수 이론을 구성 할 수 있습니다."
.Chaves는“이것은 단계 제로였습니다. 다음 단계는이 고전적인 숨겨진 가변 이론과 양자 역학을 구별 할 수있는 방식으로 Wheeler의 실험을 수정하는 방법을 알아내는 것이 었습니다.
그들의 수정 된 사고 실험에서, 전체 mach-zehnder 간섭계는 손상되지 않습니다. 두 번째 빔 스플리터는 항상 존재합니다. 대신, 실험의 시작 부분 근처, 끝을 향한 두 가지 "위상 교대"는 연구원이 마음대로 조정할 수있는 실험 다이얼의 역할을 수행합니다.
두 단계 시프트의 순 효과는 경로의 상대 길이를 변경하는 것입니다. 이것은 간섭 패턴을 변화시키고, 그로 인해 광자의 "파괴적인"또는 "입자와 같은"거동이 변경됩니다. 예를 들어, 첫 번째 위상 이동의 값은 광자가 간섭계 내부의 입자처럼 작용하는 것일 수 있지만, 두 번째 위상 시프트는 파도처럼 작용할 수 있습니다. 연구원들은 첫 번째 단계 이후에 두 번째 위상 변화가 설정되어야합니다.
이 설정을 마련하면서 Chaves의 팀은 고전적인 인과 모델과 양자 역학을 구별하는 방법을 생각해 냈습니다. 첫 번째 위상 시프트는 세 가지 값 중 하나를 취할 수 있고 두 번째 값은 두 값 중 하나를 취할 수 있다고 가정 해 봅시다. 이는 총 6 개의 실험 설정을 만듭니다. 그들은이 6 가지 설정 각각에 대해 기대했던 것을 계산했습니다. 여기서, 고전적인 숨겨진 가변 모델과 표준 양자 역학의 예측은 다릅니다. 그런 다음 공식을 구성했습니다. 공식은 광자가 특정 검출기에 착륙하는 횟수 (2 상 교대의 설정에 따라)에서 계산 된 입력 확률로 사용됩니다. 공식이 0과 같으면 고전적인 인과 모델은 통계를 설명 할 수 있습니다. 그러나 방정식이 0보다 큰 숫자를 뱉으면 숨겨진 변수에 대한 제약 조건에 따라 실험 결과에 대한 고전적인 설명이 없습니다.
.Chaves는 로마 La Sapienza 대학의 양자 물리학자인 Fabio Sciarrino와 그의 동료들과 함께 불평등을 테스트했습니다. 동시에, 중국의 두 팀 (중국 헤페이에있는 중국 과학 기술 대학)의 실험 물리학 자, USTC의 광구 구토 (Guang-Can Guo)가 실험을 수행했습니다.
.각 팀은이 계획을 약간 다르게 구현했습니다. Guo의 그룹은 실제 Mach-Zehnder 간섭계를 사용하여 기본 사항을 고수했습니다. 호주 브리즈번에있는 Griffith University의 이론 물리학자인 Howard Wiseman은“실제로 휠러의 원래 제안에 가장 가까운 것입니다.
그러나 세 가지 모두 공식이 반박 할 수없는 통계적 유의성으로 0보다 크다는 것을 보여 주었다. 그들은 휠러의 지연된 선택 실험을 설명 할 수있는 종류의 고전적인 인과 모델을 배제했습니다. 허점이 문을 닫았습니다. 팬은“우리의 실험은 휠러의 유명한 사고 실험을 구제했다”고 말했다.
남아있는 숨겨진 변수
Kaiser는 Chaves의 "우아한"이론적 작업과 그에 따른 실험에 깊은 인상을 받았습니다. "최근의 실험 각각에서 새로운 불평등에 대한 명확한 위반을 발견했다는 사실은… 그러한 시스템의 '고전적인'모델이 양자 역학적 예측이 최신 결과와 아름답게 일치하더라도 세상의 작동 방식을 실제로 포착하지 않는다는 강력한 증거를 제공합니다.
공식에는 특정 가정이 제공됩니다. 가장 큰 것은 인과 모델에 사용 된 고전적인 숨겨진 변수가 한 가지 정보로 인코딩 된 두 값 중 하나를 취할 수 있다는 것입니다. Chaves는 양자 시스템 (광자)이 하나의 정보 만 인코딩 할 수 있기 때문에 이것이 합리적이라고 생각합니다. Chaves는“숨겨진 변수 모델도 치수 2 개를 가져야한다고 말하는 것은 매우 자연 스럽다”고 말했다.
그러나 추가 정보를 얻는 용량을 갖춘 숨겨진 변수는 수정 된 지연 선택 실험에서 관찰 된 통계를 설명하는 고전적인 인과 모델의 능력을 회복시킬 수 있습니다.
또한, 가장 인기있는 숨겨진 변수 이론은 이러한 실험의 영향을받지 않습니다. 표준 양자 역학에 대한 결정 론적이고 현실적인 대안 인 De Broglie-Bohm 이론은 지연된 선택 실험을 완벽하게 설명 할 수 있습니다. 이 이론에서 입자는 항상 위치 (숨겨진 변수)를 가지므로 객관적인 현실을 가지고 있지만 파도에 의해 인도됩니다. 따라서 현실은 파도와 입자입니다. 파도는 두 경로, 입자는 하나 또는 다른 경로를 통과합니다. 두 번째 빔 스플리터의 존재 또는 부재는 파동에 영향을 미치며, 이는 표준 양자 역학과 정확히 동일한 결과로 입자를 검출기로 안내합니다.
Wiseman의 경우, 지연된 선택 실험의 맥락에서 코펜하겐 대 De Broglie-Bohm에 대한 논쟁은 정착되지 않았습니다. "코펜하겐에서는 광자의 과거에 대해 아무 말도 할 권리가 없기 때문에 시간의 이상한 반전은 없습니다."라고 그는 이메일로 썼습니다. "De Broglie-Bohm에는 우리의 지식과 무관하게 현실이 있지만 역전이 없기 때문에 문제가 없습니다. 모든 것에 대한 독특한 인과 관계 (정시) 설명이 있습니다."
카이저는 지금까지의 노력을 칭찬하더라도 더 나아가고 싶어합니다. 현재의 실험에서, 고전적인 지연 체포 실험에서 두 번째 위상 시프트를 추가 할 것인지, 두 번째 빔 스플리터를 추가할지 여부를 선택하는 것이 양자 무작위-수 생성기에 의해 이루어지고있다. 그러나이 실험에서 테스트되는 것은 양자 역학 자체이므로 원형의 휘파람이 있습니다. Kaiser는“실험 결과가 완전히 다른 무작위성 소스에 의존하는 보완적인 실험 설계 하에서도 실험 결과가 일관성을 유지하는지 확인하는 것이 도움이 될 것”이라고 Kaiser는 말했다.
이를 위해 카이저와 그의 동료들은 먼 퀘이사에서 오는 광자를 사용하여 그러한 무작위성의 원천을 만들었습니다. 광자는 캘리포니아의 테이블 마운틴 천문대에서 1 미터 망원경으로 수집되었습니다. 광자가 특정 임계 값보다 작은 파장을 갖는 경우, 임의의 숫자 생성기는 0을 뱉어 내고, 원칙적으로 원칙적 으로이 비트를 사용하여 실험 설정을 무작위로 선택할 수 있습니다. 결과가 휠러의 원래 주장을 계속 지원한다면,“파동 입자 이원성이 일부 고전적인 물리학 설명에 의해 설명되지 않을 것이라고 말할 또 다른 이유가 있습니다.”라고 Kaiser는 말했습니다. “양자 역학에 대한 개념적 대안의 범위가 다시 줄어들었고 다시 코너로 밀려났습니다. 그게 정말 우리가 추구하는 것입니다.”
지금은 몇 주 동안 몇 주 동안 초점을 맞춘 용의 몸이 연기가 자욱하고 불분명 한 것으로 되돌아갔습니다.
이 기사는 Wired.com에서 재 인쇄되었습니다.
