Kvantové provázání a nadsvětelná komunikace

Ve 30. letech Alberta Einsteina naštvala kvantová mechanika. Navrhl experiment, který teoreticky tvrdil, že událost v jedné části vesmíru může okamžitě ovlivnit jinou událost neuvěřitelně daleko. Nazval to strašidelnou událostí na dálku, protože to považoval za absurdní. Podle všeho by nastala komunikace rychlejší než světlo. To bylo něco, co jeho teorie relativity odmítala. Ale dnes tento experiment můžeme provést. A naše zjištění je opravdu strašidelné.

Ale než se ho pokusíme pochopit, musíme pochopit spin. Všechny základní částice mají vlastnost zvanou spin. Ve skutečnosti se neotáčejí, ale ta analogie je vhodná. Mají moment hybnosti a orientaci v prostoru. Spin částice můžeme měřit, ale musíme si zvolit, v jakém směru měření proběhne. Měření může mít jen dva výsledky. Buď je spin částice ve směru měření, tedy je kladný, nebo je proti směru měření, tedy záporný.

Ale co když je spin částice vertikální, a my ho měříme horizontálně? Poté je 50% šance, že spin bude kladný, a 50% šance, že bude záporný. Po měření si částice tento spin uchovává. Měření spinu částice ho vlastně změní. Co kdybychom ho měřili s odchylkou 60 stupňů od vertikální osy?

Protože osa spinu částice je bližší rovině měření, bude kladný spin ve 3/4 případů a záporný jen v 1/4 případů. Pravděpodobnost je dána cosinem na druhou poloviny úhlu. V experimentu, který navrhl Einstein, využijeme dvě tyto částice. Musí být však vytvořeny určitý způsobem. Například musí vzniknout spontánně z energie.

Celkový moment hybnosti ve vesmíru musí zůstat konstantní, proto když u jedné částice naměříte kladný spin, druhá částice musí mít při měření ve stejném směru záporný spin. Podotýkám, že pouze v případě, kdy jsou částice měřeny ve stejném směru, musí být jejich spin opačný. Zde to začíná být trochu divné. Může vás napadnout, že se částice zrodí s předem daným spinem. Ale tak to není a zde je důvod.

Představte si, že jejich spiny jsou vertikální a opačné. Pokud je budeme měřit horizontálně, každá z nich má 50% šanci na kladný spin. Je tedy 50% šance, že obě měření skončí stejným výsledkem. A to by porušilo zákon zachování momentu hybnosti. Podle kvantové mechaniky tyto částice nemají definovaný spin. Jsou spolu provázané. Jejich spin je opakem spinu druhé částice.

Poté, co je jedna částice změřena a je určen její spin, okamžitě víme, jaký spin bychom získali při měření druhé částice ve stejném směru. Toto bylo důsledně a opakovaně testováno experimentálně. Nezáleží na nastaveném úhlu detektorů nebo na jejich vzdálenosti, vždy změříme opačný spin. Na chvilku se zastavme a zamysleme se nad tím, jak je to šílené. Obě částice mají nedefinovaný spin, jednu změříte a okamžitě znáte spin druhé částice, která může být světelné roky daleko.

Jde o to, že výsledek prvního měření ovlivnil výsledek druhého rychleji, než je rychlost světla. Někteří teoretici si výsledky měření takto vykládají. Ale ne Einstein. Jeho to velmi znepokojovalo. Přišel s alternativním vysvětlením. Tvrdil, že částice celou dobu obsahují skrytou informaci o tom, jaký spin budou mít, když budou měřeny v daném směru.

Ale my tuto informaci neznáme, dokud ji nezměříme. Protože ta informace byla součástí částice už od dob jejich vzniku, žádný signál mezi nimi necestuje rychleji než světlo. Po nějaký čas vědci přijímali tuto teorii, že je to něco, co o částicích nemůžeme vědět, dokud je nezměříme. Ale pak John Bell přišel na způsob, jak to otestovat. Tento experiment dokáže určit, jestli částice obsahuje skrytou informaci nebo ne. Funguje to takhle.

Existují dva detektory spinu, každý schopný měřit spin v jednom ze tří směrů. Směry měření se budou vybírat náhodně a nezávisle na sobě. Pár provázaných částic bude poslán do detektorů a budeme měřit, jestli jsou zjištěné spiny stejné, tedy oba kladné či záporné, nebo odlišné. Budeme tento postup stále opakovat s náhodně vybranými směry měření.

Zjistíme, v kolika procentech dají detektory odlišné výsledky. A tohle je klíčové, protože se tato procenta budou lišit, pokud částice obsahují skryté informace, nebo pokud ne. Podívejme se, jak to funguje. Spočítejme si očekávanou četnost různých měření, pokud částice obsahují skrytou informaci. Tuto skrytou informaci si můžeme představit jako tajný plán, na kterém se částice shodly.

Jediné kritérium, které musí tento plán splňovat, je to, že pokud částice budeme měřit ve stejném směru, výsledkem budou opačné spiny. Jedním plánem může být, že částice získá kladný spin ve všech měřených směrech. Její sestra bude mít ve všech směrech záporný spin. Ale pak může existovat jiný plán.

Jedna částice může mít kladný spin pro jeden směr, záporný pro druhý směr a kladný pro třetí směr. Její partner má pro první směr záporný spin, pro druhý kladný a pro třetí záporný. Všechny plány jsou matematicky ekvivalentní. Takže za použití těchto dvou plánů můžeme zjistit počet různých výsledků. Zde částice reprezentuju já. Jejich skrytou informaci.

Při prvním plánu budou výsledky rozdílné ve 100 % případů. Nezáleží na tom, jaký směr měření zvolíme. Ale při druhém plánu se to už liší. Pokud oba detektory měří v prvním směru, částice A bude mít kladný spin a částice B bude mít záporný spin. Výsledek se liší. Ovšem pokud detektor B bude měřit v druhém směru, bude mít kladný spin. Spiny se budou shodovat.

Můžeme pokračovat všemi možnými kombinacemi měření. Zjistíme, že výsledky se liší 5krát z 9 měření. Pokud by použily druhý plán, výsledek by se lišil v pěti devítinách. Při prvním plánu by byl odlišný ve 100 % případů. Kdyby částice obsahovaly skrytou informaci, měli byste vidět odlišné výsledky ve více než 5/9 případů. A co jsme v experimentu zjistili? Výsledky se liší jen v 50 % případů.

Nefunguje to. Experiment tedy vyvrátil myšlenku, že by tyto částice obsahovaly informaci o svém spinu v různých rovinách. A s jakými výsledky počítá kvantová mechanika? Představme si, že první detektor v prvním směru zjistí kladný spin. Okamžitě víte, že ve stejném směru má druhá částice záporný spin. Toto měření nastane náhodně v 1/3 případů.

Ovšem pokud je částice B měřena v ostatních 2 směrech, probíhá toto měření v úhlu 60 stupňů. Jak jsem říkal na začátku videa, výsledné měření by mělo být kladné v 3/4 případů. Protože tyto směry budou náhodně vybrány v 2/3 případů, částice B bude mít kladný spin ve 2/3 krát 3/4, což je 1/2, případů. Oba detektory dají stejné i odlišné výsledky v polovině případů. To přesně ukázal i experiment.

Kvantová mechanika funguje. Ale debatuje se o tom, jak se tyto výsledky mají interpretovat. Někteří fyzici je chápou tak, že v kvantových částicích žádná skrytá informace není a že o spinu má smysl mluvit až ve chvíli, kdy ho změříme. Jiní fyzici věří tomu, že tyto částice si mohou poslat signál rychleji než světlo a aktualizovat svou informaci po změření. Znamená to, že můžeme provázané částice využít ke komunikaci rychlejší než světlo?

Všichni se shodnou na tom, že ne. To proto, že výsledky na obou detektorech jsou náhodné. Nezáleží na vybraném směru nebo na výsledku v druhém detektoru, šance na kladný i záporný spin je 50 %. Pokud se později tito pozorovatelé sejdou a porovnají své záznamy, zjistí, že když si vybrali stejný směr, vždy získali opačný spin. Obě sady dat budou náhodné, jen to bude přesný opak záznamů druhého pozorovatele.

Je to skutečně strašidelné, ale neumožňuje to komunikaci, posílání dat z jednoho místa na druhé rychleji než světlo. Neporušuje to teorii relativity. Takže alespoň to by Einsteina učinilo šťastným. Překlad: Mithril www.videacesky.cz