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