Eksperyment Poppera - Popper's experiment

Eksperyment Poppera jest eksperymentem zaproponowanym przez filozofa Karla Poppera w celu przetestowania różnych interpretacji mechaniki kwantowej (QM). W rzeczywistości już w 1934 roku Popper zaczął krytykować coraz bardziej akceptowaną interpretację kopenhaską , popularną subiektywistyczną interpretację mechaniki kwantowej . Dlatego w swojej najsłynniejszej książce Logik der Forschung zaproponował pierwszy eksperyment mający na celu empiryczne rozróżnienie między interpretacją kopenhaską a interpretacją realistyczną, za którym się opowiadał. Einstein napisał jednak list do Poppera o eksperymencie, w którym zgłosił pewne istotne zastrzeżenia, a sam Popper oświadczył, że ta pierwsza próba była „poważnym błędem, z powodu którego od tamtej pory bardzo mi przykro i wstydzę się”.

Popper jednak wrócił do podstaw mechaniki kwantowej od 1948 roku, kiedy rozwinął swoją krytykę determinizmu zarówno w fizyce kwantowej, jak i klasycznej. W rzeczywistości Popper znacznie zintensyfikował swoje działania badawcze nad podstawami mechaniki kwantowej w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku, rozwijając swoją interpretację mechaniki kwantowej w kategoriach rzeczywistych istniejących prawdopodobieństw (skłonności), również dzięki wsparciu wielu wybitnych fizyków. (np. David Bohm ).

Przegląd

W 1980 roku Popper zaproponował być może ważniejszy, ale przeoczony wkład w QM: „nową, uproszczoną wersję eksperymentu EPR ”.

Eksperyment został jednak opublikowany dopiero dwa lata później, w trzecim tomie Postscriptum do logiki odkryć naukowych .

Najbardziej znaną interpretacją mechaniki kwantowej jest interpretacja kopenhaska zaproponowana przez Nielsa Bohra i jego szkołę. Utrzymuje, że obserwacje prowadzą do załamania funkcji falowej , sugerując w ten sposób sprzeczny z intuicją wynik, że dwa dobrze odseparowane, nieoddziałujące systemy wymagają działania na odległość . Popper argumentował, że taka nielokalność jest sprzeczna ze zdrowym rozsądkiem i prowadziłaby do subiektywistycznej interpretacji zjawisk w zależności od roli „obserwatora”.

Chociaż argument EPR zawsze miał być eksperymentem myślowym, wysuwanym w celu rzucenia światła na wewnętrzne paradoksy QM, Popper zaproponował eksperyment, który mógł zostać eksperymentalnie wdrożony i wziął udział w konferencji fizyki zorganizowanej w Bari w 1983 r., Aby przedstawić eksperymentować i zaproponować eksperymentatorom, aby go przeprowadzili.

Faktyczna realizacja eksperymentu Poppera wymagała nowych technik, które wykorzystywałyby zjawisko spontanicznej parametrycznej konwersji w dół, ale nie były jeszcze w tamtym czasie wykorzystywane, więc jego eksperyment został ostatecznie przeprowadzony dopiero w 1999 roku, pięć lat po śmierci Poppera.

Proponowany eksperyment Poppera

W przeciwieństwie do pierwszej (błędnej) propozycji z 1934 roku, eksperyment Poppera z 1980 roku wykorzystuje pary splątanych cząstek w celu sprawdzenia zasady nieoznaczoności Heisenberga .

Rzeczywiście, Popper utrzymuje:

„Chciałbym zasugerować kluczowy eksperyment, aby sprawdzić, czy sama wiedza wystarczy do stworzenia„ niepewności ”, a wraz z nią rozproszenia (jak twierdzi interpretacja kopenhaska), czy też za rozproszenie odpowiada sytuacja fizyczna. "

Proponowany eksperyment Poppera obejmuje źródło cząstek o niskiej intensywności, które mogą generować pary cząstek przemieszczające się w lewo i w prawo wzdłuż osi x . Niska intensywność wiązki jest „taka, że prawdopodobieństwo jest duże, że dwie cząstki zarejestrowane w tym samym czasie po lewej i po prawej stronie to te, które faktycznie oddziałują przed emisją”.

Istnieją dwie szczeliny, po jednej na ścieżkach dwóch cząstek. Za szczelinami znajdują się półkoliste układy liczników, które mogą wykrywać cząstki po przejściu przez szczeliny (patrz rys. 1). „Liczniki te są licznikami zbieżnymi [tak], że wykrywają tylko cząstki, które przeszły w tym samym czasie przez A i B.”

Ryc.1 Eksperymentuj z obydwoma szczelinami o jednakowej szerokości. Obie cząstki powinny wykazywać równe rozproszenie w momencie ich pędu.

Popper argumentował, że ponieważ szczeliny lokalizują cząstki w wąskim obszarze wzdłuż osi y , z zasady nieoznaczoności doświadczają dużych niepewności w składnikach y ich pędów. Ten większy rozrzut w pędzie pojawi się jako cząstki wykrywane nawet w pozycjach leżących poza regionami, do których normalnie dotarłyby cząstki na podstawie ich początkowego rozrzutu pędu.

Popper sugeruje, że liczymy cząstki przypadkowo, tzn. Liczymy tylko te cząstki za szczeliną B, których partner przeszedł przez szczelinę A. Cząstki, które nie są w stanie przejść przez szczelinę A, są ignorowane.

Rozproszenie Heisenberga dla obu wiązek cząstek skierowanych w prawo i w lewo jest testowane „przez poszerzenie lub wężenie dwóch szczelin A i B. Jeśli szczeliny są węższe, do gry powinny wejść liczniki, które są wyżej i niżej, patrząc ze szczelin. Wchodzenie w grę tych liczników wskazuje na szersze kąty rozpraszania, które idą z węższą szczeliną, zgodnie z relacjami Heisenberga. "

Ryc.2 Eksperyment ze szczeliną A zwężoną i szczeliną B szeroko otwartą. Czy te dwie cząstki powinny wykazywać równe rozrzuty w pędzie? Jeśli nie, mówi Popper, interpretacja kopenhaska jest błędna. Jeśli tak, oznacza to akcję na odległość, mówi Popper.

Teraz szczelina w A jest bardzo mała, a szczelina w B bardzo szeroka. Popper napisał, że zgodnie z argumentem EPR zmierzyliśmy położenie "y" dla obu cząstek (tej przechodzącej przez A i tej przechodzącej przez B) z precyzją , a nie tylko dla cząstki przechodzącej przez szczelinę A. Dzieje się tak, ponieważ z początkowego stanu splątanego EPR możemy obliczyć położenie cząstki 2, znając położenie cząstki 1, z mniej więcej taką samą dokładnością. Możemy to zrobić, argumentuje Popper, nawet jeśli szczelina B jest szeroko otwarta. ${\ displaystyle \ Delta y}$

Dlatego Popper stwierdza, że otrzymano „dość dokładną„ wiedzę ”o pozycji y cząstki 2; jego pozycja y jest mierzona pośrednio. A ponieważ zgodnie z interpretacją kopenhaską jest to nasza wiedza opisana przez teorię - a zwłaszcza przez relacje Heisenberga - należy się spodziewać, że pęd cząstki 2 rozprasza się tak samo jak cząstki 1, mimo że szczelina A jest znacznie węższa niż szeroko otwarta szczelina w B. ${\ displaystyle p_ {y}}$

Teraz rozproszenie można w zasadzie sprawdzić za pomocą liczników. Jeśli interpretacja kopenhaska jest poprawna, to takie liczniki po drugiej stronie B, które wskazują na szeroki rozrzut (i wąską szczelinę), powinny teraz liczyć zbiegi okoliczności: liczniki, które nie liczyły żadnych cząstek przed zwężeniem szczeliny A.

Podsumowując: jeśli interpretacja kopenhaska jest poprawna, to jakikolwiek wzrost precyzji pomiaru naszej samej wiedzy o cząstkach przechodzących przez szczelinę B powinien zwiększyć ich rozproszenie.

Popper był skłonny wierzyć, że test odrzuciłby interpretację kopenhaską, ponieważ stosuje się ją do zasady nieoznaczoności Heisenberga. Jeśli test zdecydowałby się na interpretację kopenhaską, argumentował Popper, można by go zinterpretować jako wskazujący na działanie na odległość.

Debata

Wielu postrzegało eksperyment Poppera jako kluczowy test mechaniki kwantowej i toczyła się debata na temat tego, jaki wynik przyniesie rzeczywista realizacja eksperymentu.

W 1985 roku Sudbery zwrócił uwagę, że stan EPR, który można zapisać jako , zawierał już nieskończony rozrzut w pędzie (milczący w całce po k), więc nie można było zobaczyć dalszego rozprzestrzeniania się poprzez zlokalizowanie jednej cząstki. Chociaż wskazywał na kluczowy błąd w argumentacji Poppera, jego pełne implikacje nie zostały zrozumiane. Kripps teoretycznie przeanalizował eksperyment Poppera i przewidział, że zwężenie szczeliny A doprowadzi do wzrostu rozpędu na szczelinie B. Kripps argumentował również, że jego wynik był oparty tylko na formalizmie mechaniki kwantowej, bez żadnych problemów interpretacyjnych. Tak więc, jeśli Popper kwestionował cokolwiek, kwestionował centralny formalizm mechaniki kwantowej. ${\ Displaystyle \ psi (r_ {1}, r_ {2}) = \ int _ {- \ infty} ^ {\ infty} e ^ {iky_ {1}} e ^ {- iky_ {2}} \, dk }$

W 1987 roku pojawił się poważny sprzeciw Colleta i Loudona wobec propozycji Poppera. Wskazali, że ponieważ pary cząstek pochodzące ze źródła miały zerowy całkowity pęd, źródło nie mogło mieć ostro określonej pozycji. Pokazali, że po uwzględnieniu niepewności co do położenia źródła, wprowadzone rozmycie wypiera efekt Poppera.

Ponadto Redhead przeanalizował eksperyment Poppera z szerokim źródłem i doszedł do wniosku, że nie może on przynieść efektu, którego szukał Popper.

Realizacja eksperymentu Poppera

Ryc.3 Schematyczny diagram eksperymentu Kima i Shiha opartego na krysztale BBO, który generuje splątane fotony. Obiektyw LS pomaga stworzyć ostry obraz szczeliny A w miejscu szczeliny B.

Ryc.4 Wyniki eksperymentu fotonowego Kima i Shiha, mającego na celu realizację propozycji Poppera. Obraz dyfrakcyjny przy braku szczeliny B (symbole czerwone) jest znacznie węższy niż w obecności prawdziwej szczeliny (symbole niebieskie).

Eksperyment Poppera został zrealizowany w 1999 roku przez Kim i Shih przy użyciu spontanicznego źródła fotonów z parametryczną konwersją w dół . Nie zaobserwowali dodatkowego rozrzutu pędu cząstki 2 z powodu przejścia cząstki 1 przez wąską szczelinę. Piszą:

„Rzeczywiście, zdumiewające jest to, że wyniki eksperymentów zgadzają się z prognozą Poppera. Dzięki splątaniu kwantowemu można poznać dokładną wiedzę o położeniu fotonu, a zatem można by oczekiwać większej niepewności co do jego pędu przy zwykłej kopenhaskiej interpretacji relacji niepewności. Jednak pomiar pokazuje, że pęd nie wykazuje odpowiedniego wzrostu niepewności. Czy jest to naruszenie zasady nieoznaczoności? ”

Raczej rozprzestrzenianie się pędu cząstki 2 (obserwowane w przypadku, gdy cząstka 1 przechodzi przez szczelinę A) było węższe niż jej rozpęd w stanie początkowym.

Doszli do wniosku, że:

„Popper i EPR mieli rację w przewidywaniu fizycznych wyników swoich eksperymentów. Jednak Popper i EPR popełnili ten sam błąd, stosując wyniki fizyki dwóch cząstek do wyjaśnienia zachowania pojedynczej cząstki. stan splątania nie jest stanem dwóch pojedynczych cząstek. Nasz wynik eksperymentalny zdecydowanie NIE jest pogwałceniem zasady nieoznaczoności, która rządzi zachowaniem pojedynczego kwantu. "

Doprowadziło to do ponownej gorącej debaty, a niektórzy nawet twierdzili, że eksperyment Kima i Shiha wykazał, że w mechanice kwantowej nie ma nielokalności.

Unnikrishnan (2001), omawiając wynik Kim i Shih, napisał, że wynik:

„jest solidnym dowodem na to, że nie ma redukcji stanu na odległość. ... Eksperyment Poppera i jego analiza zmusza nas do radykalnej zmiany obecnego poglądu na kwantową nielokalność”.

Short skrytykował eksperyment Kima i Shiha, argumentując, że z powodu skończonej wielkości źródła lokalizacja cząstki 2 jest niedoskonała, co prowadzi do mniejszego rozrzutu pędu niż oczekiwano. Jednak argument Shorta sugeruje, że gdyby poprawiono źródło, powinniśmy zobaczyć rozprzestrzenianie się pędu cząstki 2.

Sancho przeprowadził teoretyczną analizę eksperymentu Poppera, stosując podejście całkowe po ścieżce i odkrył podobny rodzaj zwężenia w rozprzestrzenianiu się pędu cząstki 2, co zaobserwowali Kim i Shih. Chociaż te obliczenia nie dały im żadnego głębokiego wglądu, wskazywały, że eksperymentalny wynik Kim-Shiha zgadzał się z mechaniką kwantową. Nie wspomniał o tym, co ma to wpływ na interpretację kopenhaską, jeśli w ogóle.

Krytyka propozycji Poppera

Tabish Qureshi opublikował następującą analizę argumentacji Poppera.

Idealny stan EPR jest zapisywany jako , gdzie dwie etykiety w stanie „ket” reprezentują pozycje lub pędy dwóch cząstek. Oznacza to doskonałą korelację, co oznacza, że wykrycie cząstki 1 w pozycji również doprowadzi do wykrycia cząstki 2 w . Jeśli zmierzy się, że cząstka 1 ma pęd , zostanie wykryta, że cząstka 2 ma pęd . Cząstki w tym stanie mają nieskończony rozpęd i są nieskończenie zdelokalizowane. Jednak w prawdziwym świecie korelacje są zawsze niedoskonałe. Rozważmy następujący stan splątania ${\ Displaystyle | \ psi \ rangle = \ int _ {- \ infty} ^ {\ infty} | y, y \ rangle \, dy = \ int _ {- \ infty} ^ {\ infty} | p, -p \ rangle \, dp}$ ${\ displaystyle x_ {0}}$ ${\ displaystyle x_ {0}}$ ${\ displaystyle p_ {0}}$ ${\ displaystyle -p_ {0}}$

{\ Displaystyle \ psi (r_ {1}, y_ {2}) = A \! \ int _ {- \ infty} ^ {\ infty} dpe ^ {- {\ Frac {1} {4}} p ^ { 2} \ sigma ^ {2}} e ^ {- {\ frac {i} {\ hbar}} py_ {2}} e ^ {{\ frac {i} {\ hbar}} py_ {1}} \ exp \ left [- {\ frac {\ left (y_ {1} + y_ {2} \ right) ^ {2}} {16 \ Omega ^ {2}}} \ right]}

gdzie reprezentuje skończone rozłożenie pędu i jest miarą rozrzutu pozycji cząstek. Niepewności dotyczące położenia i pędu dla dwóch cząstek można zapisać jako ${\ displaystyle \ sigma}$ ${\ displaystyle \ Omega}$

{\ Displaystyle \ Delta p_ {2} = \ Delta p_ {1} = {\ sqrt {\ sigma ^ {2} + {\ Frac {\ hbar ^ {2}} {16 \ Omega ^ {2}}}} }, \ qquad \ Delta y_ {1} = \ Delta y_ {2} = {\ sqrt {\ Omega ^ {2} + {\ frac {\ hbar ^ {2}} {16 \ sigma ^ {2}}} }}.}

Działanie wąskiej szczeliny na cząstkę 1 można traktować jako redukcję jej do wąskiego stanu Gaussa:

{\ Displaystyle \ phi _ {1} (y_ {1}) = {\ Frac {1} {\ lewo (2 \ pi \ epsilon ^ {2} \ prawo) ^ {\ Frac {1} {4}}} } e ^ {- {\ frac {y_ {1} ^ {2}} {4 \ epsilon ^ {2}}}}}

.

Zmniejszy to stan cząstki 2 do

{\ Displaystyle \ phi _ {2} (y_ {2}) = \! \ int _ {- \ infty} ^ {\ infty} \ psi (y_ {1}, y_ {2}) \ phi _ {1} ^ {*} (y_ {1}) dy_ {1}}

.

Niepewność pędu cząstki 2 można teraz obliczyć i jest ona określona wzorem

{\ Displaystyle \ Delta p_ {2} = {\ sqrt {\ Frac {\ sigma ^ {2} \ lewo (1 + {\ Frac {\ epsilon ^ {2}} {\ Omega ^ {2}}}) \ prawo ) + {\ frac {\ hbar ^ {2}} {16 \ Omega ^ {2}}}} {1 + 4 \ epsilon ^ {2} \ left ({\ frac {\ sigma ^ {2}} {\ hbar ^ {2}}} + {\ frac {1} {16 \ Omega ^ {2}}} \ right)}}}.}

Jeśli dojdziemy do skrajnej granicy szczeliny A, która jest nieskończenie wąska ( ), niepewność pędu cząstki 2 jest , czyli dokładnie tym, od czego początkowo miał rozrzut pędu. W rzeczywistości można wykazać, że rozprzestrzenianie się pędu cząstki 2, uwarunkowane przejściem cząstki 1 przez szczelinę A, jest zawsze mniejsze lub równe (początkowemu rozrzutowi), dla dowolnej wartości i . Zatem cząstka 2 nie nabiera żadnego dodatkowego rozpiętości pędu, niż już miała. To jest przewidywanie standardowej mechaniki kwantowej. Zatem rozprzestrzenianie się pędu cząstki 2 będzie zawsze mniejsze niż to, co było zawarte w pierwotnej wiązce. To właśnie widać w eksperymencie Kim i Shih. Proponowany eksperyment Poppera, jeśli zostanie przeprowadzony w ten sposób, nie jest w stanie przetestować kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej. ${\ displaystyle \ epsilon \ do 0}$ ${\ textstyle \ lim _ {\ epsilon \ to 0} \ Delta p_ {2} = {\ sqrt {\ sigma ^ {2} + \ hbar ^ {2} / 16 \ Omega ^ {2}}}}$ ${\ textstyle {\ sqrt {\ sigma ^ {2} + \ hbar ^ {2} / 16 \ Omega ^ {2}}}}$ ${\ Displaystyle \ epsilon \ sigma}$ ${\ displaystyle \ Omega}$

Z drugiej strony, jeśli szczelina A jest stopniowo zawężana, rozpływ pędu cząstki 2 (uwarunkowany wykryciem cząstki 1 za szczeliną A) będzie wykazywał stopniowy wzrost (oczywiście nigdy poza początkową rozpiętość). Oto, co przewiduje mechanika kwantowa. Powiedział Popper

„... jeśli interpretacja kopenhaska jest poprawna, to jakikolwiek wzrost precyzji pomiaru naszej samej wiedzy o cząstkach przechodzących przez szczelinę B powinien zwiększyć ich rozproszenie”.

Ten konkretny aspekt można przetestować eksperymentalnie.

Eksperyment Poppera i dyfrakcja duchów

Wykazano, że efekt ten został faktycznie zademonstrowany eksperymentalnie w tak zwanym eksperymencie z interferencją duchów dwucząstkowych . Ten eksperyment nie został przeprowadzony w celu przetestowania pomysłów Poppera, ale zakończył się daniem rozstrzygającego wyniku testu Poppera. W tym eksperymencie dwa splątane fotony przemieszczają się w różnych kierunkach. Foton 1 przechodzi przez szczelinę, ale nie ma szczeliny na ścieżce fotonu 2. Jednak foton 2, jeśli zostanie wykryty w zbieżności ze stałym detektorem znajdującym się za szczeliną wykrywającą foton 1, wykazuje wzór dyfrakcyjny. Szerokość obrazu dyfrakcyjnego dla fotonu 2 zwiększa się, gdy szczelina na drodze fotonu 1 jest zwężona. Zatem zwiększenie precyzji wiedzy o fotonie 2, poprzez wykrycie fotonu 1 za szczeliną, prowadzi do zwiększenia rozproszenia fotonów 2.

Eksperyment Poppera i sygnalizacja szybsza niż światło

Oczekiwane dodatkowe rozproszenie pędu, które Popper błędnie przypisał interpretacji kopenhaskiej, umożliwiłoby komunikację szybszą niż światło , co jest wykluczone przez twierdzenie o braku komunikacji w mechanice kwantowej. Należy jednak zauważyć, że zarówno Collet, jak i Loudon i Qureshi obliczają, że rozproszenie zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem rozmiaru szczeliny A, w przeciwieństwie do wzrostu przewidywanego przez Poppera. Były pewne kontrowersje co do tego spadku, umożliwiającego również komunikację ponadświetlną. Ale redukcja dotyczy odchylenia standardowego warunkowego rozkładu położenia cząstki 2, wiedząc, że cząstka 1 przeszła przez szczelinę A, ponieważ liczymy tylko przypadkowe wykrywanie. Zmniejszenie dystrybucji warunkowej pozwala na to, że dystrybucja bezwarunkowa pozostaje taka sama, co jest jedyną rzeczą, która ma znaczenie, aby wykluczyć komunikację ponadświetlną. Należy również zauważyć, że rozkład warunkowy byłby inny niż rozkład bezwarunkowy również w fizyce klasycznej. Ale pomiar rozkładu warunkowego za szczeliną B wymaga informacji o wyniku na szczelinie A, które muszą być przekazane klasycznie, tak aby rozkład warunkowy nie był znany, gdy tylko pomiar zostanie wykonany na szczelinie A, ale jest opóźniony o wymagany czas do przekazywania tych informacji.

Zobacz też

Luki w eksperymentach Bella

Languages

In other projects