Просмотр кода страницы Опыт Аспе

'''Опыт Аспе''' был первым экспериментом по [[Квантовая механика|квантовой механике,]] который продемонстрировал нарушение [[Неравенства Белла|неравенств Белла]]. Его бесспорный результат позволил провести дальнейшую проверку принципов [[Квантовая запутанность|квантовой запутанности]] и [[Принцип локальности|локальности]]. Он также стал экспериментальным ответом на [[Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена|ЭПР-парадокс]], который около пятидесяти лет назад предложили [[Эйнштейн, Альберт|Альберт Эйнштейн]], [[Подольский, Борис Яковлевич|Борис Подольский]] и [[Розен, Натан|Натан Розен]].

Опыт провёл французский физик [[Аспе, Ален|Ален Аспе]] в {{нп4|École d'Supérieure OPTIQUE|4=École supérieure d'optique}} между 1980 и 1982 гг. Научное сообщество сразу же признало важность опыта, он попал на обложку научно-популярного журнала ''«[[Scientific American]]»''. Хотя методология, применяемая Аспе, представляет собой потенциальный недостаток — т. н. «лазейку обнаружения» ({{lang-en|loophole}}) (см. {{нп4|Эксперименты по проверке неравенства Белла|Эксперименты по проверке неравенства Белла||Bell test}}), его результат считается решающим и привёл к многочисленным прочим опытам, которые подтвердили первоначальный опыт Аспе<ref name="Bailly2015">{{Cite web|url=https://www.pourlascience.fr/sd/physique/lintrication-quantique-confirmee-par-une-experience-de-bell-sans-faille-12185.php|title=L'intrication quantique confirmée par une expérience de Bell sans faille|author=Bailly|first=Sean|website=Pour la science|date=2015-10-29|lang=French|accessdate=2016-09-02|archive-date=2018-09-24|archive-url=https://web.archive.org/web/20180924070758/https://www.pourlascience.fr/sd/physique/lintrication-quantique-confirmee-par-une-experience-de-bell-sans-faille-12185.php|deadlink=no}}</ref>.

== Опыты Аспе (1980—1982) ==
В 1975 году, поскольку всё ещё отсутствовал решающий эксперимент по проверке нарушений неравенств Белла и достоверности квантовой запутанности, [[Аспе, Ален|Ален Аспе]] предложил в статье достаточно скрупулёзный опыт: ''предлагаемый эксперимент для проверки несепарабельности квантовой механики''<ref>{{книга |заглавие=La physique quantique : origines, interprétations et critiques |издательство=Ellipses |место=Paris |isbn=978-2-7298-2366-5 |страницы=235 |язык=fr |автор=Nikseresht, Iraj |год=2005}}</ref><ref>{{статья |заглавие=Proposed experiment to test the nonseparability of quantum mechanics |издание=[[Physical Review|Physical Review D]] |том=14 |номер=8 |страницы=1944—1951 |doi=10.1103/PhysRevD.14.1944 |язык=en |тип=journal |автор=Alain; Aspect |число=15 |месяц=10 |год=1976}}</ref>.

А. Аспе для убедительности так детализировал свой эксперимент:
* Источник запутанных частиц должен быть идеальным с точки зрения сокращения продолжительности эксперимента и обеспечения как можно более чёткого нарушения неравенств Белла.
* Он должен не только показать корреляции в результатах измерений, но также демонстрировать, что эти корреляции действительно являются результатом квантового эффекта (и, следовательно, мгновенного влияния), а не классического эффекта, протекающего с досветовой скоростью.
* Экспериментальная схема должна как можно ближе соответствовать схеме Джона Белла для демонстрации его неравенств, чтобы соответствие между измеренными и прогнозируемыми результатами было как можно более близким.

=== «Идеальная» схема Джона Белла ===
[[Файл:Aspect_epr.png|центр|Опыт «ИДЕАЛ» ЭПР]]
На иллюстрации выше представлена принципиальная схема, на которой [[Белл, Джон Стюарт|Джон Белл]] продемонстрировал свое неравенство: источник [[Квантовая запутанность|запутанных]] [[фотон]]ов S одновременно испускает два фотона <math>\nu 1</math> и <math>\nu 2</math> , [[Поляризация волн|поляризация]] которых подготовлена так, что [[вектор состояния]] обоих фотонов:

<math>|\psi(\nu 1,\nu 2)\rangle = {1 \over \sqrt{2}} \left\{ | \uparrow , \uparrow\rangle + | \rightarrow , \rightarrow \rangle \right\}</math>

Эта формула просто означает, что фотоны находятся в [[Квантовая суперпозиция|состоянии суперпозиции]]: они оба имеют вертикальную, горизонтальную или линейную поляризацию с равной вероятностью.

Эти два фотона затем измеряются с использованием двух [[поляризатор]]ов P1 и P2, каждый с настраиваемым углом измерения: α и β. Результат измерения каждого поляризатора может быть (+) или (-), в зависимости от того, является ли измеренная поляризация параллельной или перпендикулярной углу измерения поляризатора.

Один заслуживающий внимания момент состоит в том, что поляризаторы, представленные для этого идеального эксперимента, дают измеримый результат как в (-), так и (+) ситуациях. Не все реальные поляризаторы способны сделать это: некоторые, например, обнаруживают ситуацию (+), но не могут ничего обнаружить в ситуации (-) (фотон никогда не покидает поляризатор). 
В первых экспериментах{{каких}} использовался последний тип поляризатора. Поляризаторы Алена Аспе{{какие}} намного лучше способны обнаруживать оба случая и, следовательно, намного ближе к идеальному эксперименту.

Учитывая прибор и начальное состояние поляризации, данное фотонам, квантовая механика способна предсказать вероятности измерения (+, +), (-, -), (+, -) и (-, +) на поляризаторах (P1, P2), ориентированные на углы (α, β):

<math>P_{++}(\alpha,\beta) =  P_{--}(\alpha,\beta) = {1 \over 2} \cos^2(\alpha-\beta)</math>

<math>P_{+-}(\alpha,\beta) =  P_{-+}(\alpha,\beta) = {1 \over 2} \sin^2(\alpha-\beta)</math>

Максимальное нарушение неравенств Белла предсказывается при | α-β | = 22,5 °

=== Результаты опыта ===
Неравенства Белла устанавливают [[График функции|теоретическую кривую]] числа корреляций (++ или --) между двумя детекторами относительно угла детекторов <math>(\alpha - \beta)</math>. Форма кривой характеризует нарушения неравенств Белла. Соответствующие форме кривой измерения количественно и качественно установили нарушение неравенств Белла.

Опыты Аспе однозначно подтвердили нарушение, как и предсказывала [[копенгагенская интерпретация]] квантовой механики, тем самым подрывая локальный реализм Эйнштейна в квантовой механике и {{нп4|Локальная теория скрытых параметров|сценарии скрытых локальных переменных|en|Local hidden-variable theory}}. В дополнение к подтверждению, нарушение было подтверждено ''точным способом, предсказанным квантовой механикой'', со статистическим соглашением до 40 [[Среднеквадратическое отклонение|стандартных отклонений]].

Учитывая техническое качество опыта, скрупулезное избегание экспериментальных артефактов и квази-совершенное статистическое соглашение, этот опыт убедил научное сообщество в целом в том, что квантовая механика нарушила неравенства Белла и, следовательно, что квантовая физика является [[Принцип локальности|нелокальной]].

=== Ограничения опыта ===
После получения результатов некоторые физики пытались найти недостатки в опыте Аспе и найти возможности для улучшений, чтобы противостоять критике.

Некоторые возможные теоретические возражения касательно экспериментальной установки:

* квазипериодический аспект шунтирующих колебаний препятствует достоверности опыта, поскольку он может вызывать корреляции посредством квазисинхронизации, возникающей в результате двух направлений;
* корреляции (+, +), (-, -) и т. д. подсчитывались в режиме реального времени в момент обнаружения. Поэтому два (+) и (-) канала каждого поляризатора были связаны физическими контурами. Существовала возможность индуцированных корреляций.

Идеальный опыт, который отрицал бы любую мыслимую возможность индуцированных корреляций, должен:

* использовать чисто случайное шунтирование;
* записывать результаты (+) или (-) на каждой стороне устройства без какой-либо физической связи между двумя сторонами. Корреляции рассчитывать после эксперимента путем сравнения зарегистрированных результатов обеих сторон.

Условия опыта также страдают от {{нп4|Эксперименты по проверке неравенств Белла|лазейки обнаружения|4=Bell_test_experiments#Loopholes}}<ref name="Bailly2015" />.

== Заключение ==
В настоящее время (в 2018 г.) чётко установлено нарушение [[Неравенства Белла|неравенств Белла]] в [[Квантовая механика|квантовой механике]]. Нарушение неравенств Белла также используется для некоторых [[Криптографический протокол|протоколов]] [[Квантовая криптография|квантовой криптографии]], в которых факт присутствия шпиона обнаруживается по прекращению нарушений неравенства Белла.

Как следствие необходимо признать квантовую [[Принцип локальности|нелокальность]] и [[Квантовая запутанность|запутанность]].

=== Бросает ли опыт Аспе вызов релятивистской причинности? ===
Вопрос поднимается широко распространённым представлением о том, что «квантовый объект представляет собой состояние, которое мгновенно зависит от состояния другого объекта, с которым он запутан». Такое введение «нелокального влияния» часто используется в научно-популярных журналах, а также (намеренно) некоторыми учёными, которые придерживаются [[Научный реализм|реализма]], в том числе самим [[Аспе, Ален|Аленом Аспе]] и [[Эспанья, Бернар д’|Бернардом д’Эспагнатом]].<ref>See for example [http://www.asmp.fr/fiches_academiciens/textacad/espagnat/sorbonne_iup_2007.pdf Corrélations, Causalité, Réalité] {{Wayback|url=http://www.asmp.fr/fiches_academiciens/textacad/espagnat/sorbonne_iup_2007.pdf |date=20181125234122 }} (in French).</ref>

Существуют три варианта:

* Во-первых, экспериментаторы должны использовать только расчёты с результатами в соответствии с экспериментом, не обращаясь к объяснению, полученному из нашей «макроскопической» логики. Этот подход, заимствованный из [[Копенгагенская интерпретация|копенгагенской интерпретации]], является наиболее широко признанным среди физиков. Он основан на том факте, что никакое объяснение явлений [[Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена|ЭПР]] не ведёт к проверкам или измеримым прогнозам. Как следствие, большинство физиков считают, что объяснения этого опыта выходят за рамки науки (см. критерий [[Фальсифицируемость|фальсификации]] [[Поппер, Карл|Карла Поппера]]). Большинству объяснений действительно не хватает теоретической формализации. Поэтому используется [[Эмпиризм|эмпирический]] подход, и он направлен на то, чтобы избежать выхода за пределы научной области. В своей работе ''«Неразделенная вселенная: онтологическая интерпретация квантовой теории»'' физики [[Бом, Дэвид|Дэвид Бом]] и [[Василий Хейли|Бэзил Хейли]] считают беспочвенными возражения против принципа нелокальности<ref name="Hiley1993">{{книга |заглавие=The undivided universe: an ontological interpretation of quantum theory |издательство=[[Routledge]] |место=New York |isbn=978-0-415-06588-7 |страницы=157—158 |ссылка=https://catalog.loc.gov/vwebv/search?searchCode=LCCN&searchArg=91021387&searchType=1&permalink=y |язык=en |автор=Hiley, B. J.; Bohm, David |год=1993 |archive-date=2019-10-13 |archive-url=https://web.archive.org/web/20191013060026/https://catalog.loc.gov/vwebv/search?searchCode=LCCN&searchArg=91021387&searchType=1&permalink=y }}</ref>. Отвечая тем, кто считает принятие нелокальности препятствием для научной изоляции и наблюдением за любым конкретным объектом, Бом и Хейли утверждают, что в макроскопическом мире эта наука возможна, поскольку локальность не имеет ''существенного значения'' : интерпретация допускает ту же степень отделимости системы, что требуется для «реальной научной работы». Сопоставить [[Специальная теория относительности|специальную теорию относительности]] с нелокальностью (см. [[Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена|Парадокс ЭПР]]) является более сложным делом, но Бом, как и [[Белл, Джон Стюарт|Джон Стюарт Белл]]<ref name="Bell1990">[http://www.informationphilosopher.com/solutions/scientists/bell/inequality_video/ John Bell Inequality Video] {{Wayback|url=http://www.informationphilosopher.com/solutions/scientists/bell/inequality_video/ |date=20191114010206 }}. 22 January 1990.</ref>, указывает, что передача сигналов не играет роли в понятии нелокальности.

Бом и Хейли, как и Белл, помимо научных видят прочие факторы в отказе от нелокальности:
{| class="wikitable"
! Джон Белл: лекция в [[ЦЕРН]] (1990).
! Хейли и Бом: О возражениях против концепции нелокальности. (1993)
|-
| Простая идея о жутких действиях на расстоянии отталкивает физиков. Если бы у меня был час, я бы завалил вас цитатами Ньютона, Эйнштейна, Бора и всех этих великих людей. Я бы сказал вам, как немыслимо иметь возможность менять отдаленную ситуацию, делая что-то здесь. Я думаю, что отцы-основатели квантовой механики на самом деле не нуждались в аргументах Эйнштейна о необходимости исключить действие на расстоянии, потому что они искали в другом месте. Идея детерминизма или действия на расстоянии была для них настолько отвратительной, что они отвернулись. Что ж, это традиция, и мы должны иногда в жизни учиться изучать новые традиции. И могло случиться так, что мы должны не столько принимать действия на расстоянии, но и принимать недостаточность «отсутствие действий на расстоянии».<ref name="Bell1990" />
| [Возражения против нелокальности], по-видимому, более или менее соответствуют предрассудкам, сложившимся в современной науке. […] На самых ранних этапах развития науки был долгий спор, чтобы отпустить то, что вполне могло быть воспринято как примитивные суеверия и магические представления. Нелокальность была явно ключевым понятием. Может остаться глубоко укоренившийся страх перед идеей нелокальности, вновь открывающей шлюзы, защищающие нас от того, что воспринимается как иррациональные мысли, лежащие под поверхностью современной культуры. Даже если бы это было так, это не было бы действительным аргументом против нелокальности<ref name="Hiley1993" />
|}

* Вторая возможность состоит в том, что запутанность «объединила» два объекта, представленных во взаимодействии: два объекта остаются «одним», несмотря на их пространственное расстояние («[[Принцип локальности|нелокальность]] Бернарда д’Эспанья»). Это дистанцирование может быть даже временным: оно в основном пространственно-временное. На данный момент не существует объяснения тому, что считается результатом эксперимента, а не объяснением или интерпретацией этого результата. Этот подход, направленный на объяснение фактов эксперимента, является подходом [[Рационализм (философия)|рационалистов]].
* Третий вариант состоит в изменении нашей концепции причинности и в принятии принципа ретроградной [[Причинность|причинности]] (причинного потока из будущего в прошлое), который, однако, не может быть сопоставлен с «телеологической» «{{нп4|Четыре причины|окончательной причиной|4=Four_causes#Final_cause}}» классических философов. Никто не может ориентировать события в соответствии с целью: природа обратной причинности идентична причинности в том виде, как мы ее понимаем («эффективная причинность» классических философов), за исключением того, что она течет в обратном направлении по отношению ко времени и может «добавлять» себя к «классической» причинности. Эта интерпретация требует, чтобы необратимая природа времени была истинной только в макроскопическом масштабе ([[Второе начало термодинамики|второй закон термодинамики]]). Многие физики выступают против этой идеи, такие как физик и философ [[Этьен Клейн|Этьен Кляйн,]] который указывает, что [[ось времени]], по его словам, вписана в симметрии физики элементарных частиц. Эта интерпретация имеет некоторый успех среди тех, кто развивает эзотерические интерпретации эксперимента, и использует его для [[Парапсихология|парапсихологических]] явлений (спорно в научном сообществе, особенно [[Прекогниция|предвидения]]. [[Оливье Коста де Борегар]]д известен защитой таких тезисов.<ref>{{Cite web|url=http://auriol.free.fr/parapsychologie/Costa-de-Beauregard.htm|title=D'Einstein à la télépathie|accessdate=2011-02-23|archiveurl=http://archive.wikiwix.com/cache/20110223165254/http://auriol.free.fr/parapsychologie/Costa-de-Beauregard.htm|archivedate=2011-02-23}}</ref>) Но эта интерпретация явно противоречит результатам эксперимента, поскольку они проводились чаще всего: [[мировая линия]], связывающая [[Событие (теория относительности)|события]] «измерение P1» и «измерение P2» [[Пространство-время|пространства-времени]], является искривлением [[Мировая линия|пространства]]. На самом деле, чтобы опровергнуть возможную альтернативную интерпретацию корреляций, наблюдаемых в этих экспериментах, экспериментаторы должны были показать, что релятивистская «причинность» была по крайней мере частично неспособна объяснить эти результаты, включенные в сценарии, такие как: фотон <math>\nu 1</math> информирует фотон <math>\nu 2</math> при помощи какого либо релятивисткого процесса о его квантовом состоянии после первого измерения… ". Однако совершенно ясно, что меры предосторожности экспериментаторов по удалению всех релятивистских «причинных» объяснений одновременно устраняют, согласно преобладающему мнению, любое «ретро-причинные» объяснение. Наконец, для последователей ведущей концепции, эта концепция является [[Гипотеза (математика)|предположительной]] интерпретацией и на самом деле не относится к существующим экспериментам. По их мнению, она приводит к интерпретациям на переднем крае науки или даже [[Псевдонаука|лженауке]], и вовлекает квантовую механику в спор, к которому она не относится.

Ни один физик не верит, что результаты эксперимента ЭПР в целом и эксперимента Аспе в частности — в полном соответствии с копенгагенской интерпретацией квантовой механики — каким-либо образом оспаривают принцип [[Теория относительности|относительности,]] согласно которому не существует никакой формы энергии (материи или силы), и, следовательно, никакая полезная информация не может путешествовать быстрее скорости света и, как следствие, не оспаривает производный принцип релятивистской причинности. Легко доказать, что квантовую запутанность нельзя использовать для мгновенной передачи информации из одной точки пространства-времени в другую. Результаты, измеренные на первой частице, являются случайными; изменения состояния на другой частице, вызванные этими измерениями — настолько мгновенные, насколько они могут быть согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики и результатов эксперимента Аспе — приводят к результатам измерений относительно второй частицы, которые, по-видимому, столь же случайны: никакая полезная информация не может быть получена при измерении, и до сравнения результатов корреляции остаются необнаружимыми. Этот вид эксперимента демонстрирует неизбежную потребность в «классическом» сигнале в релятивистском смысле для передачи информации, необходимой для обнаружения этих корреляций. Без этого сигнала ничего нельзя передать. Он определяет скорость передачи информации, которая подтверждает фундаментальный принцип относительности. В результате принцип релятивистской причинности полностью совместим с результатами экспериментов ЭПР.

== См. также ==
* [[Теория скрытых параметров]]
* [[Супердетерминизм]]

== Примечания ==
{{Примечания}}

== Ссылки ==
* [http://www.canal-u.tv/index.php/canalu/producteurs/science_en_cours/dossier_programmes/les_nanotechnologies/points_de_vue/alain_aspect/ Видеоконференция по квантовой оптике] (17 минут), [[Аспе, Ален|Алена Аспе]], руководителя исследований в Институте оптики в Орсе (на французском языке).
* [http://quantumphil.org/ Центр квантовой философии] {{Wayback|url=http://quantumphil.org/ |date=20191028014654 }}

{{перевести|en|Aspect's experiment}}

[[Категория:Квантовые измерения]]
[[Категория:Квантовая механика]]
[[Категория:Квантовая физика]]
[[Категория:Физические эксперименты]]
[[Категория:Мысленные эксперименты в квантовой механике]]