(об эксперименте с B-мезонами, подтверждающем нарушение неравенств Белла)
Если квантовая механика претендует на фундаментальное описание природы, то нелокальные корреляции должны обнаруживаться при использовании любых квантовомеханических величин. В этом эксперименте мы проверяем квантовое число, которое никогда не проверялось прежде. Кроме того, это квантовое число частиц-античастиц - очень важная величина в физике элементарных частиц, результаты могут иметь большое значения для всей этой области - я жду комментариев от других теоретиков, занимающихся элементарными частицами!
Хорошо известные в квантовой механике неравенства Белла впервые были проверены в эксперименте с участием высокоэнергетичных частиц в лаборатории KEK в Японии. Причем именно нарушение этих знаменитых неравенств и является серьезным аргументом в пользу истинности современного понимания квантовой теории (копенгагеновская интерпретация) и позволяет "похоронить" так называемые "теории скрытых параметров", в определенном смысле привязанные к классической физике. Ранее уже неоднократно проводились эксперименты по проверке этих неравенств (и смысл полученных результатов был тем же), однако в них участвовали пары фотонов или ионы (нуклоны), теперь же речь идет о нестабильных частицах B-мезонах.
Чтобы экспериментально проверить эти неравенства, в общем случае необходимо провести измерения свойств пары частиц, которые являются разделенными в пространстве в смысле Специальной теории относительности, другими словами, у этих частиц не должно быть возможности обмениваться какими-либо сигналами, путешествующими со скоростью, меньшей или равной скорости света, в пределах продолжительности эксперимента - возможные корреляции могут быть обусловлены только их общим прошлым (иначе это называют "белловской локальностью" или "несепарабельностью").
В типичном эксперименте по проверке неравенств Белла рассматривается поляризация пары фотонов - измеряется относительный угол между осями поляризации. Квантовая механика предсказывает, что между частицами могут существовать "нелокальные" корреляции. Это означает, что, если один фотон поляризован, скажем, в вертикальном направлении, другой будет всегда "поляризоваться" в горизонтальном направлении, независимо от того, как далеко ему удастся "убежать" с момента рождения. Собственно, речь идет о парадоксе Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР-парадокс) - вторая частица как бы мгновенно "узнает" о том, какие "показания" дала приборам первая частица. Нарушение неравенств Белла связано с тем, что поворот одного прибора, регистрирующего частицу, согласно квантовой механике, меняет информацию о системе и, следовательно, определенным образом влияет на вероятность регистрации частицы другим прибором, несмотря на то, что никакого материального носителя этого влияния (частицы или поля) не существует. Связано это с тем, что при измерении в квантовой механике происходит редукция волнового пакета. Однако некоторые физики утверждали, что такого не может быть, и что квантовые частицы будут иметь локальные значения, известные под именем "скрытые переменные" - то, что мы не можем измерить.
Белл и другие теоретики показали, что существует возможность экспериментально выяснить, какой подход ближе к истине - то есть выбрать между квантовой механикой и теориями скрытых переменных. В ходе такого эксперимента измеряют некий параметр S. Грубо говоря, локальные теории предсказывают, что S всегда будет меньше двух, тогда как квантовомеханическое предсказание - это S = 2√2. Когда S больше двух, говорят, что неравенства Белла нарушаются, что в свою очередь свидетельствует о несправедливости в квантовой механике так называемого критерия реальности физических величин Эйнштейна-Подольского-Розена (о том, что в полной физической теории каждый элемент физической реальности должен иметь отражение), по которому свойства частиц, описываемые некоммутирующими операторами (проекция спина на разные направления и т.п.), существуют независимо от их наблюдения. Согласно копенгагенской интерпретации и относительности к средствам наблюдения В.А.Фока (близкому к принципу дополнительности Бора), эти свойства характеризуют не столько сам объект, сколько отношение объекта к прибору, с помощью которого наблюдается это свойство, что и доказывают эксперименты, в которых неравенства Белла нарушаются.
Аполло Го (Apollo Go) из Национального центрального университета (National Central University) на Тайване в сотрудничестве с коллаборацией Belle (вероятно, можно говорить об игре слов: Bell - британский физик Джон Стюарт Белл, именем которого названо неравенство, а 'belle' - по-английски и по-французски 'красавица') поставил эксперимент на мезонной B-фабрике KEK. Установка представляла собой ускоритель, в котором сталкиваются встречные пучки электронов и позитронов, за счет чего рождаются пары B-мезонов и их соответствующих античастиц, которые в свою очередь распадаются на более легкие частицы. Пары мезонов при этом ведут себя подобно парам фотонов, но вместо того, чтобы анализировать корреляции между направлениями их поляризации, в данном эксперименте изучались корреляции между другими параметрами античастиц и частиц при помощи методики, известной как "маркировка аромата" ("flavour tagging"). В результате Го и его коллеги выяснили, что S = 2,725 с "хорошей" погрешностью.
Группа теперь планирует изучить корреляции античастиц и частиц более детально и "прозондировать" таким образом границу между классической и квантовой механикой.
Источник:
Mesons violate Bell's inequality - PhysicsWeb
Observation of Bell Inequality violation in B mesons - arXiv
Ссылки:
Теорема Белла и реалистические интерпретации квантовой теории - Философские проблемы физики элементарных частиц
Что мы не понимаем и что не принимаем в СТО - Дискуссия на membrana.ru
Физическая энциклопедия под редакцией А.М.Прохорова. Т.1. М., 1988
Физическое значение неравенств Белла заключается, по-моему, в том, что они допускают почти решающую проверку картин мира, отличающихся от картины мира квантовой механики. Это, безусловно, не подразумевает, что квантовая механика, как она теперь формулируется, никогда не будет вытеснена или улучшена какой-то новой физической теорией. Но хотя лишь горсточка квантовомеханических предсказаний проверяется в корреляционных экспериментах, эта горсточка не должна недооцениваться, ибо она относится к наиболее чувствительным точкам столкновения картин мира. Подтверждение предсказаний квантовой механики в этих точках и неподтверждение в них того или другого неравенства Белла дают сильные основания для уверенной оценки будущих физических теорий: любая теория, которая сменит и улучшит квантовую механику, сохранит неопределенность возможностей, фундаментальную роль случайности и связанность систем.
| А также : | Наука Общество |