Super Physics Smackdown: teoria względności a mechanika kwantowa… w kosmosie

Jedną z wielkich zagadek współczesnej nauki jest to, że prawa rządzące wszechświatem na największą skalę są całkowicie różne od tych, które rządzą na najmniejszą skalę.

To dziwne, ponieważ cała nasza intuicja na temat wszechświata jest taka, że ​​powinien on być wewnętrznie spójny, a nie sprzeczny z samym sobą. Dlatego fizycy są nierozerwalnie przywiązani do idei, że teoria względności i mechanika kwantowa muszą być przejawem większej i lepszej idei, która obejmuje je obie.

Różnice między ogólną teorią względności a mechaniką kwantową są tak duże, że jak dotąd każda próba ich pogodzenia nie powiodła się. Próby te były jednak całkowicie teoretyczne, co daje im ograniczoną użyteczność.

Na przykład fizycy rutynowo mierzą kwantowe zjawisko splątania, wysyłając splątane pary fotonów z jednego miejsca do drugiego. W tych eksperymentach zarówno nadawca, jak i odbiorca muszą mierzyć polaryzację fotonów, na przykład pionową lub poziomą. Ale może się to zdarzyć tylko wtedy, gdy obie strony będą wiedziały, w którym kierunku jest w górę.

Łatwo to określić, gdy są blisko siebie. Ale staje się znacznie trudniejsze, jeśli dzielą je odległości, na których w grę wchodzi krzywizna czasoprzestrzeni. Problem polega na tym, że odpowiedź jest niejednoznaczna i zależy od ścieżki, jaką każdy foton obiera w czasoprzestrzeni.

Eksperymentatorzy mogą to rozwiązać, śledząc ścieżkę każdego fotonu z powrotem do ich wspólnego źródła, jeśli jest ono znane. Ale z drugiej strony, w jaki sposób każdy foton „zna” ścieżkę, którą obrał drugi? Teoretycy mogą się tylko domyślać.

Inny problem pojawia się, gdy tego rodzaju eksperymenty są przeprowadzane, gdy nadawca i odbiorca podróżują z relatywistycznymi prędkościami. Wprowadza to dobrze znany problem określania kolejności zdarzeń, który, jak słynie Einstein, wykazał, zależy od punktu widzenia obserwatorów.

Stanowi to wyraźny kontrast z przewidywaniami mechaniki kwantowej. Tutaj pomiar jednego splątanego fotonu natychmiast określa wynik przyszłego pomiaru drugiego, niezależnie od odległości między nimi.

Jeśli szczególna teoria względności zapewnia, że ​​kolejność wydarzeń jest niejednoznaczna, co daje? Po raz kolejny teoretycy są na przegranej.

Oczywiście sposobem na udzielenie odpowiedzi na te pytania jest przetestowanie ich i zobaczenie.

Dzisiaj David Rideout z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego wraz z kilkoma przyjaciółmi przedstawia różne sposoby na złamanie tych orzechów i twierdzą, że tego rodzaju eksperymenty powinny być możliwe w najbliższej przyszłości.

Dzieje się tak głównie dlatego, że wymagany sprzęt eksperymentalny jest standardem w wielu laboratoriach optycznych, więc zakwalifikowanie go do użytku w kosmosie powinno być proste.

Dwie grupy już zaproponowały przeprowadzenie tego rodzaju eksperymentów w kosmosie. Jedna z grup chce umieścić na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej pakiet zdolny do wytwarzania splątanych fotonów, które będą przesyłane z powrotem na Ziemię. Inny chce utrzymać sprzęt kwantowy na ziemi i odbijać fotony od prostego mikrosatelity na niskiej orbicie okołoziemskiej, co według nich będzie tańsze, łatwiejsze i lepsze.

Żadna z grup nie ma na myśli daty premiery ani nawet gwarantowanych środków na budowę swojego sprzętu. Ale to może się zmienić, biorąc pod uwagę rosnące zainteresowanie tym obszarem i możliwość, że chińska praca może przeskoczyć zachodnie wysiłki.

Poza tym istnieją długoterminowe opcje przesyłania fotonów z dalszych stron – na przykład z Księżyca lub międzyplanetarnego statku kosmicznego.

Szerszy obraz jest taki, że aby znaleźć nową fizykę, naukowcy muszą przesuwać eksperymenty do nowych granic. Fizycy nie byli w stanie przetestować ogólnej teorii względności w skali kwantowej (tj. skali Plancka 10^-34m). Jednak obecnie trwają prace nad zbadaniem tej skali za pomocą interferometrów atomowych.

A do tej pory fizycy nie byli w stanie przetestować mechaniki kwantowej w skali ogólnej teorii względności, ponieważ odległości, przy których krzywizna czasoprzestrzeni nabiera znaczenia, są tak duże. Zaledwie kilka tygodni temu widzieliśmy, że rekord teleportacji obiektów kwantowych wynosi tylko 150 km , co jest zbyt małą wartością, aby ogólna teoria względności mogła zadziałać swoją magią.

Rideout i spółka twierdzą, że to się zmieni w nadchodzących latach. O paradoksach mechaniki kwantowej po raz pierwszy dyskutowali Einstein, Bohr i inni w latach 20. i 30. XX wieku. Ale z różnych powodów, między innymi z powodu ślepych uprzedzeń do tego rodzaju pracy, dopiero w latach 70. i 80. fizycy zaczęli je eksperymentalnie testować.

Paradoksy wywołane przez spotkanie mechaniki kwantowej i teorii względności są równie stare i prawdopodobnie głębsze. A jednak fizycy jeszcze nie rozpoczęli wspólnych wysiłków, aby zbadać je eksperymentalnie.

Najwyższy czas złapać tę pokrzywę.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1206.4949 : Podstawowe eksperymenty z optyką kwantową, jakie można sobie wyobrazić, gdy satelity osiągają relatywistyczne odległości i prędkości

ukryć