За что вручили Нобелевскую премию по физике: трио ученых доказали, что Эйнштейн ошибался
Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена трем ученым за новаторские эксперименты в области квантовой механики, теории, охватывающей микромир атомов и частиц.
Ален Аспект из Университета Париж-Сакле во Франции, Джон Клаузер из J.F. Clauser & Associates в США и Антон Цайлингер из Венского университета в Австрии разделят призовую сумму в 10 миллионов шведских крон (915 000 долларов США) «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторскую квантовую информатику».
Квантовый мир
Мир квантовой механики действительно кажется очень странным. В школе нас учат, что мы можем использовать уравнения в физике, чтобы точно предсказать, как будут вести себя вещи в будущем — например, куда полетит мяч, если мы скатим его с холма.
Квантовая механика отличается от этого. Вместо того, чтобы предсказывать отдельные результаты, он говорит нам о вероятности обнаружения субатомных частиц в определенных местах. На самом деле частица может находиться в нескольких местах одновременно, прежде чем «выбрать» одно место случайным образом, когда мы его измеряем.
Даже самого великого Альберта Эйнштейна это беспокоило — до такой степени, что он был убежден, что подобный подход ошибочен. Вместо того, чтобы считать результаты абсолютно случайными, он полагал, что должны существовать некоторые «скрытые переменные» — силы или законы, которые мы не можем видеть, — которые предсказуемо влияют на результаты наших измерений.
Однако некоторые физики приняли следствия квантовой механики. Джон Белл, физик из Северной Ирландии, совершил важный прорыв в 1964 году, разработав теоретический тест, чтобы показать, что скрытые переменные, которые имел в виду Эйнштейн, не существуют. Согласно квантовой механике, частицы могут быть «запутаны», призрачно соединены так, что если вы манипулируете одной, то автоматически и немедленно манипулируете и другой.
Если бы эту «призрачность» — частицы, находящиеся далеко друг от друга, таинственным образом мгновенно влияющие друг на друга — можно было бы объяснить тем, что частицы общаются друг с другом через скрытые переменные, это потребовало бы связи между ними со скоростью, превышающей скорость света, что запрещено теориями Эйнштейна.
Проблема квантовой запутанности
Квантовая запутанность — сложная для понимания концепция, по существу связывающая свойства частиц, независимо от того, насколько далеко они друг от друга. Представьте себе лампочку, излучающую два фотона (частицы света), которые движутся от нее в противоположных направлениях.
Если эти фотоны запутаны, то они могут иметь общее свойство, такое как их поляризация, независимо от их расстояния. Белл представил себе, как он проводит эксперименты с этими двумя фотонами по отдельности и сравнивает их результаты, чтобы доказать, что они запутаны (на самом деле и загадочно связаны).
Клаузер применил теорию Белла на практике в то время, когда эксперименты с одиночными фотонами были почти немыслимы. В 1972 году, всего через восемь лет после знаменитого мысленного эксперимента Белла, Клаузер показал, что свет действительно может быть запутан. Хотя результаты Клаузера были новаторскими, было несколько альтернативных, более экзотических объяснений полученных им результатов.
Если бы свет вел себя не совсем так, как думали физики, возможно, его результаты можно было бы объяснить без запутанности. Эти объяснения известны как лазейки в тесте Белла, и Аспект был первым, кто оспорил это.
Аспект придумал оригинальный эксперимент, чтобы исключить одну из самых важных потенциальных лазеек в тесте Белла. Он показал, что запутанные фотоны в эксперименте на самом деле не взаимодействуют друг с другом через скрытые переменные, чтобы определить результат теста Белла.
Это означает, что они действительно очень крепко связаны.
В науке невероятно важно проверять концепции, которые считаются правильными. И мало кто сыграл в этом более важную роль, чем Аспект. Квантовая механика проверялась снова и снова в течение прошлого века и осталась невредимой.
Квантовая технология
В этот момент вы можете быть прощены за вопрос, почему так важно, как ведет себя микромир, или что фотоны могут быть запутаны. Здесь на помощь приходит оригинальный подход Цайлингера.
Когда-то мы использовали наши знания классической механики для создания машин и заводов, что привело к промышленной революции. Знание поведения электроники и полупроводников привело к цифровой революции. Но понимание квантовой механики позволяет нам использовать ее для создания устройств, способных делать новые вещи. Многие считают, что это приведет к следующей революции квантовых технологий.
Квантовую запутанность можно использовать в вычислениях для обработки информации способами, которые раньше были невозможны. Обнаружение небольших изменений в запутанности может позволить датчикам обнаруживать вещи с большей точностью, чем когда-либо прежде.
Общение с запутанным светом также может гарантировать безопасность, поскольку измерения квантовых систем могут выявить присутствие подслушивающего. Работа Цайлингера проложила путь к квантовой технологической революции, показав, как можно связать ряд запутанных систем вместе, чтобы построить их квантовый эквивалент.