Спорът между Бор и Айнщайн става център на оживени дискусии на петия конгрес на физиците през 1927 г, организиран от Ърнест Солве. Какви са разногласията:

Нилс Бор и Алберт Айнщайн – приятели и опоненти. Снимка: Paul Ehrenfest

• Айнщайн настоява за запазването (c) http://bgchaos.com в квантовата физика на принципите на детерминизма на класическата физика и тълкуването на резултатите от измерванията като “несвързани с наблюдателя” (на анг.: “detached observer”). Според Айнщайн има някакви скрити променливи, с чиято помощ да се прогнозират резултатите и квантовата физика да може да се определи.статистически
• Бор настоява за принципно недетерминирания, статистически характер на квантовите явления и неотстранимостта на ефекта от измерванията.
• Айнщайн: “Бог не играе на зарове”
• Бор: “Не казвай на Бог какво да прави”
• Айнщайн:” Наистина ли мислите, че Луната съществува, само когато я погледнете? “

Физиците се разделили на лагери. На страната на Айнщайн бил Планк и Шрьодингер, а на Нилс Бор – Хайзенберг, Борн, Дирак. Същината на спора е това: Дали наистина светът се управлява от неопределеността или ние просто не познаваме някои свойства на микрочастиците, които ако успеем да измерим ще можем да предвидим поведението им във всяка конкретна ситуация.

Хроника на спора

Парадоксът АПР

Като продължение на този спор през 1935 г, Айнщайн заедно с Борис Подолски и Натан Розен. пише статия, озаглавена “Mоже ли квантово-механично описание на физическата реалност да се смята за пълно?“. В нея е описан един мисловен експеримент, който по-късно е наречен парадокс на Айнщайн-Подолски-Розен (парадокс АПР). Според принципа на неопределеността на Хайзенберг не е възможно едновременно да се измери на позицията на частицата и нейният импулс. Ако приемем, че причината за тази неопределеност е фактът, че измервайки една величина, се внасят неизбежни смущения в движението на частицата и се изкривява стойността на другата величина, може да предложи един хипотетичен метод, с който може да се избегне неопределеността. Ако имаме две еднакви частици A и B, образувани от разпадането на трета частица C, то в този случай техните импулси трябва да бъдат свързани, защото според закона на съхраняване на импулса: P_A+P_B=P_C Това дава възможност да се измери импулса на едната частица, например A, а за другата да се изчисли: P_B=P_C – P_A , без да се направи каквото и да е влияние върху движението й. В същото време може да се измерят на координатите на втората частица B, и така да се получат за тази частица двете величини, неизмерими едновременно според квантовата теория.

Илюстрация bgchaos по идея на PhysicsAndMore , с елемент на Leo Blanshette

Дали това не означава, че принципът на неопределността не е абсолютен и законите на квантовата механика са непълни? – хвърлят ръкавицата Айнщайн и съмишлениците му.

Авторите на този парадокс предполагали, че подобен експеримент или няма да се съгласува с квантовата механика или няма да бъде изпълнен принципа на причинността, съгласно който по тяхно мнение първата частица, изменяйки своето състояние, не може мигновено от разстояние да подейства на втората.

Отговорът на Бор

Нилс Бор през 1922г. Снимка: Science Photo Library

Същата година, в  следващия брой на “Physical Review”, Нилс Бор публикува статия със същото заглавие: “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?” (Може ли квантово-механичното описание на физическата реалност да се счита за пълно?). Бор отговаря, че свързаните частици се характеризират от една единствена обща вълнова функция; не може на всяка от двете частици да се припише отделна вълнова функция. Измерването на една частица изменя веднага състоянието на цялата система, състояща се от две частици. След измерването на импулса на първата частица, втората частица преминава мигновено в състояние с определен импулс. Всъщност, по време на измерването на едната от частиците променя общата вълновата функция на двете частици и на съответния квантов обект от две взаимосвързани частици. Предлагайки този експеримент, Айнщайн, Подолски и Розен се основават явно или неявно на локалността на физичните закони, но в случая е в сила нелокалността на законите на квантовата механика.. Подобни експерименти били практически осъществени впоследствие и непредизвикали никакви противоречия с квантовата теория. Тълкуването на АПР-парадокса определя основната граница между квантовата механика и класическата физика.

Шрьодингер се намесва: Квантовото вплитане

Ако се придържаме към принципа на неопределеност на Хайзенберг, то трябва да допуснем следното: ако по някакъв начин фиксираме импулса на частица A , то мигновено ще се измени и импулса на частица B, квантовото състояние ще се наруши и самото измерване на частица B ще загуби смисъл – резултатът му ще зависи от измерването на A . Получава се така, като че ли двете частици са си обменили съобщения. При това, разстоянието между тях е без значение – ако две частици са свързани помежду си, т.е. имали са някакво общо минало, от уравненията следва, че те си остават свързани завинаги, даже ако са се отдалечили една от друга на милиони километри. Тъй като, съгласно теорията на относителността, мигновено предаване на сигнали няма, то тук Айнщайн направил извод, че такъв ефект не може да съществува в природата и следователно цялата квантова механика е погрешна. Освен това, на всичкото отгоре се нарушава и принципа на причинността: измерването на A определя измерването на B, но и обратното също – независимо от това, кое от измерванията се случва става по-рано от другото.

Илюстрация: akorra.com

Същата година (1935), анализирайки парадокса АПР, Шрьодингер стига до един важен извод: квантовата механика позволява такива състояния на физическите системи, при които взаимовръзката, корелацията между техните елементи да са по-силни от всякакви други корелации, разрешени от класическата физика. Тези състояния той нарича сплетени (англ. entangled) . По-късно квантово вплитане (Quantum entanglement) влиза в стандартната терминология на квантовата механика като едно от най-странните явления в нея. Само да отбележа, че в същата знаменателна статия, Шрьодингер описва и добилия всеизвестност като “Котката на Шрьодингер” мисловен експеримент.

Нелокалност и скрити променливи

Нелокалността и скритите променливи са два от предложените механизми, които да обяснят ефектите от вплитането.

Може да се разграничат две групи теории на скритите променливи – едната предполага съществуването на ненаблюдаема материя извън пределите на трите пространствени измерения, увеличавайки броя на измеренията на физическия свят (теорията на струните), според втората група времето е неравномерно в своето течение, което може да доведе до квантовите ефекти. Бор и съмишлениците му предлагат свойството нелокалност като причина за съществуването на  корелация между сплетени състояния на квантовите частици, независимо от разстоянията между тях. измерване, проведено за една от частиците, определя резултата от измерването за втората частица, което се провежда в същия момент, но в друга точка на пространството. Това явление  мигновено определя на квантовото състояние на отдалечената частица и дава възможност физиците да заговорят за квантова телепортация.

Учените използват нелинеен оптичен процес, за да се получат три сплетени фотона. Илюстрация: IQC at the University of Waterloo

Тези явления – нелокалност и вплитане са базисни за разбирането на квантовата механика, а и с още много недоизяснени страни, затова тук ще ги маркирам само като аспекти от спора на Айнщайн и Бор, а по-късно ще им отделя специални статии.

Квантовата телепортация

През 1993 г. Чарлз Бенет (Charles H. Bennett) от изследователския център на IBM въвежда термина “телепортация“, взаимствайки го от научофантастичната литература. Малко по-рано през 1991г., Артур Екерт (Artur K. Ekert) от Университета в Кембридж изказал идеята да се приложи сплетеното състояние за предаване на информация, не поддаваща се на засичане. През 1992 г. пак Чарлз Бенет и Стивън Уиснер (Stephen Wiesner) от Тел-Авивскияо университет доказали, че сплетеността може да се използва при прехвърляне на информация. Всъщност в рамките на ефекта АПР никакъв пренос на материални частици през пространството не се случва, пренася се само информация.

Бом. Оптичен експеримент на парадокса АПР

През 1951г. Дейвид Бом (David Joseph Bohm) предлага нов вариант на опита АПР: Молекула, която има нулев спин, спонтанно се разделя на два атома, всеки от които има спин 1/2. Атомите преминават през два прибора на Щерн-Герлах, чиито оси са успоредни един на друг. След това приборите се завъртат около оста си и се провежда подобен опит с друга разпадаща се молекула.

Позицията на Айнщайн:

Няма никаква неопределеност в движението на квантови обекти. Ето защо, веднага след разпадането на молекулата спиновете на атомите са ориентирани в пространството по напълно определен начин. Освен това, според закона за запазване на момента на импулса и като се има предвид, че молекулата преди колапса има нулев спин, може да се твърди, че спиновете на атомите ще бъдат насочени точно в противоположни направления Нека настроим сега осите на двата прибора на Щерн-Герлах, успоредни една на друга и да пуснем атомите през тях. Ако се случи, въпреки че вероятността за това е малка, осите на приборите да са успоредни на спина на атомите, то единият атом ще се отклони нагоре, преминавайки през устройството, а другият – надолу. Ако се окаже, въпреки че също е малко вероятно, осите на приборите да са перпендикулярни на спина на атомите, тогава ще се случи следното: Всеки атом, който минава през устройството, може да се отклони както надолу, така и нагоре с еднаква вероятност – т.е от 100 случая, в 25 случая и двата атома ще се отклонят нагоре, 25 случая – надолу, в 50 от случаите – в противоположни посоки. Да обобщим: ако осите на приборите са успоредни на спиновете на атомите, то в поведението им ще има пълна корелация. Ако осите на приборите са перпендикулярна на спиновете на атомите, корелацията в поведението на атомите ще е нулева. Степента на корелация зависи от ъгъла, който осите на приборите сключват със спиновете на атомите – променяйки се от нула до 90 ° , корелацията ще намалява от 100% до 0%.

Постановка на опита на Бом. Илюстрация: eslitaks

Позицията на Бор:

След разпадането на молекулата, състоянието на спина на всеки атом е неопределено. Освен това двата атома ще образуват единна система, в смисъл, че измерването на спина на единия атом мигновено ще се отрази на състоянието на другия. Тъй като спиновете на атомите нямат определена ориентация, няма значение ориентацията на осите на приборите. При каква да е ориентация на осите ще се случи следното. Атомът, пръв достигнал прибора на Щерн-Герлах, ще се разцепи на два вълнови пакета и ще се движи едновременно по горния и долния път. Ние ще успеем да го регистрирате на един от тези пътища с вероятност 50%. Да предположим, че го регистрираме на горния път. Тогава се извършва квантов скок и мигновено се променя цялата система. Регистрираният атом придобива определен спин +1/2 (нагоре), а другият атом в същия момент също придобива определен спин: -1/2 (надолу). По този начин, независимо от ориентацията на приборите, в поведението на атомите ще се наблюдава 100%-това корелация – Ако първият атом се отклонил нагоре, другият задължително и еднозначно – надолу и обратното И така, ако се създаде възможност да се проведе експеримента на Бом многократно, ще може да се определи кой е прав. Ако в поведението на атомите се наблюдава 100%-това корелация, атомите се отклоняват винаги в противоположни посоки, прав е Бор. Ако значителен брой от случаите, атомите се отклоняват едновремено нагоре или едновремено надолу, прав е Айнщайн.

Неравенствата на Бел

В статията на  Джон Бел (John Stewart Bell) от швейцарския ЦЕРН ”Парадоксът на Айнщайн Подолски Розен”, публикувана през 1964 г., представя идеята за “неравенствата на Бел” –  мислена схема във вид на математически неравенства.  В нея Бел прави внимателен анализ на аргументите на Айнщайн, Подолски и Розен. И убедително показва, че теорията на скритите променливи по принцип не може да обясни резултатите, получени в реални експерименти. Изводът, до който стига Бел гласи: “В квантовата теория с допълнителни параметри, за да се определят резултатите от индивидуалните измервания, без да се налага да се променят статистическите прогнози, трябва да има механизъм, чрез който настройката на едното измервателно устройство да повлияе на показанията на другия отдалечен инструмент. Освен това, задействанният сигнал трябва да е разпространява  мигновено, а такава теория не може да бъде Лоренцово инвариантна “. С други думи, ако ние от позицията на теорията с допълнителни параметри твърдим, че резултатите от измерванията на всяка частица са напълно независими един от друг, независими във физическия смисъл на думата, а всички съвпадения са статистически следствия, т. е. по същество са просто случайни съвпадения,  то в този  случай сме принудени  да преместим цялата тежест на тази случайност на някакъв механизъм, посочен от Бел. Този механизъм трябва да може да се адаптира към измервания със свръхсветлинна скорост. Следователно, такава теория противоречи на специалната теория на относителността и следователно също отхвърля аргументите на АПР. Анализът на Бел и аргументите на Айнщайн не обясняват механизма на корелацията. Както се оказа, аргументите на Айнщайн са опровергани чисто математически: поведението на квантовите частици, които не може да се опише статистически, никакви “допълнителни параметри” не могат да осигурят тази корелация. От формулата следвало, че ако в експеримента верността на неравенството се потвърди, значи е прав Айнщайн. Ако не се потвърди – Бор. Неравенствата на Бел винаги се удовлетворяват в рамките на теорията на скрити параметри, а се нарушават в квантовата механика. Ако опростим много математическите и физически компоненти, можем да кажем, че от работата на Бел следват две еднозначно разпознаваеми ситуации при статистическите измервания на сплетени частици. Ако състоянията на две сплетени частици са определени в момента на разделяне, то трябва да се изпълни едно неравенство на Бел. Ако състоянията на две сплетени частици са неопределени до измерването на състоянието на една от тях, то трябва да се изпълни друго неравенство. Неравенствата на Бел осигуряват теоретична основа за възможни физични експерименти, но през 1964 г. техническа база не позволявала все още да бъдат направени. Първите успешни опити за проверка на неравенствата на Бел бяха проведени от Клаузер (John Clauser) и Фридман (Freedman) през 1972 г. От резултатите следва неопределеността на състоянието на двойката сплетени частици до провеждането на измеренията на една от тях

Проверка на АПР на практика. Опитът на Аспе

След още близо десет години философски дебати, спорът на физиците вече се премества в полето на експериментите. През 1982 г. Ален Аспе (Alain Aspect) от Института по оптика в Париж модернизира опита на Бом за да му придаде необходимата точност. В експеримента, извършен от него не се измерват атомните спинове, а поляризацията на два фотона в едно и също квантово състояние.

Източникът P излъчва два фотона V1 и V2 в сплетено състояние. Тези фотони се разпространяват в противоположни посоки по оста Oz, и са сплетени по осите Ox и Oy.

Илюстрация: Aspect

Сплетеното им състояние се описва с уравнението:

|Ψ(ν₁,ν₁)>=1/ √2 (|x, x>+ |y, y>), където

•  |x> и |y> са линейни състояния на поляризации.
• Тези интересни скоби |….> са въведени от Дирак за означаване на квантови състояния. Нарекъл ги е “бра” и “кет” (англ. bra-ket ← bracket скоба)

Това състояние не може да бъде разложено на две състояния, прикрепени към всеки фотон, тъй като не можем да припишем никакво определено състояние на всеки от фотоните. В случая не можем да припишем никаква поляризация за всеки фотон поотделно. Такова състояние, описващо система от няколко обекта, които могат да се приемат само глобално, се нарича сплетено състояние. Тези два фотона се анализират от линейни поляризатори с ориентации a и b. Може да се измерва вероятността от единична или съвместна регистацияе на изхода на каналите на поляризаторите. След това частиците се прихващат, а ъглите им на поляризация се измерват. Ако ъглите на поляризация се измерят в един и същи момент и се окажат идентични, както подсказва квантовата физика и ако Бор е прав, то това означава, че по някакъв начин двата фотона мигновено установяват един и същи ъгъл на поляризации. Проблемът е, че съгласно специалната теория на относителността (СТО) на Айнщайн, нищо не може да се движи по-бързо от скоростта на светлината, още по-малко да се движи мигновено, защото това ще разруши бариерата на времето и ще отвори врата за различни видове неприемливи парадокси. Айнщайн и колегите му били уверени, че нито едно от “разумните определения на реалността” не може да допусне такава връзка, превишаваща скоростта на светлината и заради това Бор греши.

Ето как Ален Аспе описва резултата от проведеният от него опит на практика:

“При измерванията в две стъпки възниква следната картина:  I. Фотон V1, който нямаше явно определена поляризации преди измерването й, получава поляризация, свързана с получения резултат, по времена измерването му: и това не е учудващо. II. Когато се извърши измерването на V1, фотон V2, който нямаше определена поляризация преди това измерване, се проектира в състояние на поляризация успоредно на резултата от измерването на V1. Това вече е много учудващо, защото това изменение в описанието на състоянието на  V2става мигновено, независимо от разстоянието между V1 и V2 в момента на първото измерване.” Изглежда, че има противоречие с класическите вероятностни представи. Според квантовата представа обаче няма противоречие, защото състоянието на двойката частици не е определено до попадането на една от тях в някой детектор. Щом една частица попадне в детектор, състоянието на другата става определено. До попадането на една частица в детектора състоянието на двойката се описва от една вълнова функция, а после – от друга. Резултатът от експеримента с двата поляризирани фотони без съмнение доказал, че прав е бил Бор. Никаква “обективна физическа реалност”, за която си е мечтал Айнщайн в квантовия свят не съществува. Опити, подобни на този на Аспе, се провеждат с все по-големи разстояния между частиците.

През Канарските острови

По проект, финансиран от Европейската космическа агенция ESA и австрийската космическа агенция FFG, през 2010г., австрийските физици Thomas Scheidl, Rupert Ursin, Anton Zeilinger от Австрийския институт за квантова оптика и квантова информация (IQOQI) извършват уникален опит, който затваря още една вратичка пред локалния реализъм. На схемата е показано местоположението на квантов генератор на случайни числа (QRNG А), свързан с радиоканал, източник на сплетени фотони и двама техни получатели и втори генератор QRNG B, анализатори на поляризация, телескоп и други компоненти на експериментална система.

Сателитна снимка (NASA World Wind) на Канарските острови Тенерифе и Ла Палма и преглед на експерименталната схема. Илюстрация: PNAS

Снимка: © 2009 Rupert Ursin / QIPS Team Members / Thomas Herbst	Създава се двойка сплетени фотони на острова Ла на Палма. По-късно един от тях влиза в намотано шесткилометрово оптично влакно за въвеждане на 30-микросекундно закъснение, след което попада в приемника “Алиса”. Вторият фотон веднага се отправя по въздух на височина от 2.4км към остров Тенерифе (разстоянието е 144 км), където попада в приемник “Боб”.
	Вляво: Астрономическата станция в Тенерифе.

При това, изборът на случайно число и изпускането на фотона се случват почти мигновено (в рамките на половин микросекунда), т.е. никакъв сигнал не би имал време да мине между източника на светлина и генератора на числа. Информацията за параметрите на настройките попада в компютъра и през устройството за забавяне. По същия начин, забавянето въвеждат в генератор на случайни числа, определящи работата на приемника “Боб”. Въпреки всички тези мерки, физиците продължават да наблюдават корелация на измерените свойства на разделените в пространствено сплетени фотони. Те продължават да нарушават локалния реализъм. Подробности може да прочетете в статията в PNAS – Violation of local realism with freedom of choice.

Проверка в космоса

С подкрепата на Европейската космическа агенция (European Space Agency – ESA), в рамките на мисия Space-QUEST (Quantum Entanglement for Space Experiments), по инициативата на същата група австрийски учени, заедно с по-разширен екип от Европа и Канада е предложен експеримент “космос-земя” за проверка на квантовата нелокалност и неравенствата на Бел със съдействието на Международната космическа станция  ISS  (International Space Station).

Опитът Space QUEST ще се осъществи през 2013г. Ще бъде поставен източник на в заплетени фотонни двойки върху платформа на Международната космическа станция и ще бъдат изпратени два фотона в две взаимно отдалечени наземни станции за приемане – предлагат се Токио и Виена. В този експеримент ще бъде невъзможно да се проявят каквито и да са локални реалистични механизми, които потенциално биха могли да повлияят на резултата от осъществяването на едното измерване върху резултата на другото. Тази система ще даде възможност за проверка на квантовото вплитане на разстояния повече от 1000 км, което е невъзможно на Земята.

Илюстрация: quantum.at

Днес квантовата механика е основа и за създаването на технологии за квантова информация, която вече е една от най-активните области на научните изследвания във физиката. Най-перспективна област на приложение е квантовата криптография, предаването на квантов ключ (quantum key distribution QKD) Затова този експеримент ще бъде не само първата демонстрация в космоса на основните тестове на квантовата физика, но демонстрация на прилагането на квантовите комуникации. Брошурата на проекта може да изтеглите от тук. Може би това вече ще е краят на спора. Приемете следващото видео (за което благодаря на Георги Танев) като обобщение на основните теми от квантовата механика: Източник: Эйнштейн и Бор, filosofy.vuzlib.net Эйнштейн, Подольский, Розен , Никонов А.П Страсть на расстоянии, Алексей Левин, «Популярная механика» №4, 2006 Эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена для частиц со спином 1/2, В.В. Наумов. Ярославский филиал Физико-технологического института РАН Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс) Дэвид Бом (очерк Сергея Санько) Управление квантовыми корреляциями на расстоянии, Блинников С.И. Неравенства Белла Семинар 11. Парадокс ЭПР. Неравенства Белла. Квантовая нелокальность, В.Л. Янчилин Квантовая телепортация, Рубин М.С., Мурашковский Ю.С. Квантовая запутанность Квантовата механика създава обективната реалност , Гълъб Тодоров Почему квантовая механика нелокальна , М.Х. Шульман Теорема Белла: наивный взгляд экспериментатора, Ален Аспект Физики проявили нелокальную природу реальности, membrana.ru Violation of local realism with freedom of choice, Thomas Scheidl, Rupert Ursin, Anton Zeilinger Bohr – Einstein debates, wikipedia. Space-QUEST. Experiments with quantum entanglement in space, Quantum Optics, Quantum Nanophysics, Quantum Information – Universitat Wien