Voiko kvanttimekaniikassa ns. ”aavemainen kaukovaikutus” olla todellisuudessa etäisyydestä riippumaton yli valon nopeudella?
Hieman taustaa ja kehityskulkua
Lomittuminen on kvanttimekaniikassa kahden tai useamman kvanttisysteemin (esimerkiksi hiukkasen tai hiukkasjoukon) ominaisuus, jolle ei ole analogiaa klassisessa mekaniikassa.
Lomittuneessa tilassa osasysteemeillä on ”ei-klassisia” korrelaatioita, minkä vuoksi mitattaessa yhden osasysteemin ennalta määräämätön ominaisuus tullaan samalla määrittäneeksi toisen osasysteemin vastaava ominaisuus.
EPR (Einstein, Podolsky & Rosen) kirjoitus (1935)
EPR-kirjoituksen lähtökohtana oli klassisen fysiikan realismi. Ajatus siitä, että ”täydellisen” fysikaalisen teorian elementtien (suureiden) ja todellisuuden elementtien välillä on olemassa ”yksi-yhteen” vastaavuus. Jos systeemiä häiritsemättä ts. tekemättä mittausta, voimme teorian avulla varmuudella laskea fysikaalisen suureen tarkan arvon, niin fysikaalisessa todellisuudessa täytyy olla tätä teorian suuretta vastaava todellisuuden elementti. Tällaista suoraa vastaavuutta ei kvanttifysiikassa ole, joten EPR-päättelyn mukaan kvanttifysiikka on epätäydellinen kuvaus todellisuudesta.
Myöhemmin, Greenberger & Zeilinger (1995) tulkitsivat EPR-kirjoitusta käyttäen esimerkkinä spiniä. Mitattaessa toisen tytärhiukkasen spin saadaan välittömästi tietää toisenkin tytärhiukkasen spin. EPR-kirjoituksen (klassisen realismin) mukaan tämä tarkoittaa, että molemmilla hiukkasilla on täytynyt olla tarkka spin-arvo heti hajoamisesta lähtien.
Tämä realisuusperiaate on kuitenkin ristiriidassa kvanttifysikaalisen tulkinnan kanssa. EPR-kirjoitus herätti fyysikkomaailmassa paljon huomiota, sekavia ja kiihkeitäkin kannanottoja. Vastauksista merkittävimmän antoi Schrödinger (13.12.1935) kolmiosaisen ’Kvanttimekaniikan nykytila’-kirjoituksensa kolmannessa osassa. Hän lanseerasi uuden termin: verschränkung! Se käännettiin englanninkielelle termiksi entanglement ja myöhemmin suomeksi lomittuminen.
Schödinger totesi, että kvanttimekaanisen systeemin tila on kokonaisuus: tila on lomittunut!
A. Einstein vastasi tähän ajatukseen ”välittömästä kaukovaikutuksesta” aavistuksen pilkallisesti todeten sen olevan ”spooky action at distance”. Einstein piti mielipiteestään kiinni loppuun asti.
Hän totesi:
”Yhdestä asiasta meidän täytyy mielestäni pitää ehdottomasti kiinni: systeemin S2 todelliseen tilaan ei vaikuta mikään mitä tapahtuu systeemille S1, joka on spatiaalisesti (tilaa tai välimatkaa koskeva, avaruudellinen) erillinen S2:sta”.
(Einstein 1949)
Tästä johdantona, perustavaa laatua oleva kaksi-osainen kysymys kuuluukin: Onko olemassa lokaaleja todellisia piilomuuttujia (tuntemattomissa ulottovuuksissa), jotka ratkaisevat kvanttimaailman arvoituksen, eli kahden samanlaisen erilleen viedyn alkeishiukkasen välittömän vuorovaikutuksen, vaikka niiden keskinäinen etäisyys olisi galaksista – toiseen. Ja onko Maxwellin teoria kirjoitettava uudelleen?
Maxwellin teoria
Maxwellin teorian mukaan, lokaalit piilomuuttujat eivät ole todellisia. Maxwellin teoriassa kenttä on todellinen fysikaalinen olio jolla on energia, liikemäärä ja impulssimomentti, jakautuneena tietyllä tavalla koko sille alueelle, jolle kenttä on levinnyt ja täten se voi myös kuljettaa energiaa avaruuden halki. Näin ollen kaukovaikutus on vain näennäinen ilmiö, joka johtuu varausten ja niitä ympäröivän kentän välisestä vuorovaikutuksesta.
Kvanttifysiikan ja klassisen fysiikan välisissä pohdinnoissa on kuitenkin kaksi perustavaa laatua olevaa eroa, liittyen lokaalisuuden ja reaalisuuden käsitteisiin:
- Kvanttifysiikan ei-lokaali, holistinen lomittuminen vs. klassinen lokaalisuus.
- Kvanttifysiikan ”observaabelilla (hiukkasen paikka ja liikemäärä) tarkka arvo saadaan vasta mittauksessa” vs. klassisen realismin ”tarkka arvo saadaan olion syntyhetkestä asti” (siis edellyttäen että välillä ei ole vuorovaikutuksia).
Ehkä kolmas merkittävä ero on tietenkin deterministisyyteen liittyvä ero. Kvanttifysiikan perusluonne on ei-deterministinen, klassisen fysiikan deterministinen. Missä deterministinen tarkoittaa, että samoista alkuehdoista seuraa aina sama lopputulos, kun taas ei-deterministisessä ei seuraa. Mainittakoon, että kvanttifysiikan ei-deterministisyys ei ole tilastollinen ominaisuus, vaan todennäköisyysluonne on jokaisen olion sisäinen ominaisuus.
Alkeishiukkasten spin
Spin on alkeishiukkasten ominaisuus, jonka lähin klassinen analogia on sisäinen pyörimismäärä. Tosin spiniä ei voida täysin kuvata klassisilla malleilla. Spin on kvantittunut ominaisuus siinä mielessä, että spinin itseisarvo S voi saada vain arvot:
S = ħ√ s (s+1)
Missä kvanttiluku s on joko kokonaisluku tai puoliluku s = 0, 1/2, 1, 3/2,… ja ħ on Planckin vakio 𝒉 jaettuna 2𝜋:llä.
ħ = 𝒉 / 2𝜋
Entä sitten spinin käyttäytyminen (esimerkkinä vetyatomin protoni)
Polarisaatioprosessi
Vetyatomin ytimen protoni on positiivisesti varautunut hiukkanen, johon liittyy kulmamomentti tai niinkuin em. spin. Protonin pyöriminen saa sen käyttäytymään kuin pieni magneetti, jolla on pohjois- ja etelänavat. Ulkoisen magneettikentän puuttuessa, vety-ytimien protonien spin-akselit kohdistuvat satunnaisesti. Tämän seurauksena nettomagnetisaatio on nolla. Ulkoisen magneettikentän läsnä ollessa, vety-ytimien protonien spin-akselit yrittävät olla linjassa kentän kanssa, joko yhdensuuntaisen tai vastaavan magneettikentän kanssa. Kvanttimekaniikan mukaan magneettikentässä oleva protoni pakotetaan joko suurenergiseen tai matalaenergiseen tilaan. Protonit, joiden spin-akselit ovat yhdensuuntaisia magneettikentän kanssa, ovat matalan energian tilassa, mikä on edullinen tila. Toisaalta protonit ovat korkean energian tilassa, kun niiden spin-akselit ovat vastakkaisia magneettikentän kanssa.
Korkean ja matalan energiatason protonien lukumäärien ero tuottaa massamagnetisaation (M), joka tuottaa mitatun signaalin. Suurimagneettinen (makroskooppinen) magnetointi (M) määritellään nettomagneettisena momenttina tilavuusyksikköä kohti.
(M) on mitattavissa ja on verrannollinen protonien lukumäärään, ulkoisen magneettikentän voimakkuuteen ja kääntäen verrannollinen absoluuttiseen lämpötilaan. Sen jälkeen kun protonit ovat alttiina staattiselle ulkoiselle magneettikentälle, niiden sanotaan polarisoituneen. Polarisaatio ei tapahdu välittömästi, vaan pikemminkin kasvaa aikavakiolla, joka on pitkittäinen relaksaatioaika (T1):
Mz (t) = M0 (1 – e-t / T1)
Missä:
t = aika, missä protonit altistuvat magneettikentälle
Mz (t) = magnetoitumisen suuruus hetkellä t, kun magneettikentän suunta otetaan z-akselia pitkin
M0 = lopullinen ja suurin magnetoituminen tietyssä magneettikentässä
T1 = aika, jolloin magnetointi saavuttaa 63% sen lopullisesta arvosta ja kolme kertaa T1 on aika, jolloin 95%:n polarisaatio on saavutettu.
Voiko siis ns. ”aavemainen kaukovaikutus” tapahtua yli valon nopeudella, se on todellakin näennäistä, mikäli Maxwellin teoria pitää edelleen paikkansa.
Kuitenkin kvanttimekaniikka on osoittanut olevansa osa todellisuutta, mutta se on edelleen täysi mysteeri. Miksi luonto käyttäytyy ”aavemaisena kaukovaikutuksena”? Selitys sille on mielestäni vielä toistaiseksi puutteellinen. Etäisyydestä riippuen, tyhjiössä oleva informaatio voi siirtyä vain joko valon nopeudella tai alle sen, -toistaiseksi.
(ks. artikkelikuva)
Selittävätkö nuo kaavat mahdolliset madonreiät avaruudessa?
Ilmoita asiaton viesti
Eivät selitä. Pohdiskelen lähinnä protonien spinien välistä vuorovaikutusta Maxwellin kentässä, joka on kaikille protoneille sama. Toisin sanoen, kuinka nopeasti vasemman puoleisimman protonin spin vaikuttaa oikeanpuoleisimman protonin spiniin, vai onko sen vaikutus todellakin vain näennäinen.
(ks. artikkelikuva)
Ilmoita asiaton viesti
Hauska yhteensattuma: Elektronin paramagneettinen resonanssi (EPR)
https://fi.qaz.wiki/wiki/Electron_paramagnetic_resonance
Kyse elektronin spinistä.
Protonin(kin) spin-ominaisuutta hyödyntää sitten NMR.
https://fi.wikipedia.org/wiki/Ydinmagneettinen_resonanssispektroskopia
Ikävä kyllä, en kykene pääsemään tuohon ”aavemaiseen kaukovaikutukseen” käsiksi. Ei se ainakaan liiaksi haittaa NMR-analyysiä, koska yhdisteitä voidaan tunnistaa menetelmällä.
Ilmoita asiaton viesti
Ehkä kaukovaikutus on ilmiö, joka ei ole vuorovaikutuksessa aika-avaruus-kentän kanssa ja siksi näennäisesti rikkoo aika-avaruuden ”nopeusrajoituksen”?
Aika-avaruushan on epävakaa ilmiö/kenttä, joka lopulta purkautuu. Me itse luonnollisesti pidämme ainoastaan aika-avaruutta objektiivisena todellisuutena, mutta ehkä kvanttien kannalta sitä ei ole edes olemassa?
Ilmoita asiaton viesti
Määritelmällisesti, näennäisyys tarkoittaa jotakin sellaista, mikä vaikuttaa joltakin olematta sitä todellisuudessa. Eli lyhyesti näennäisyys on kuviteltua, olettamusta. Itse ajattelen niin, että kvantittuminen on ilmiö joka on todellisuutta, mutta sille on vielä toistaiseksi olemassa epätarkka tulkinta ja erityisesti silloin, kun puhumme ilmiöstä ”aavemainen kaukovaikutus”.
Toisaalta ajattelen myös niin, ettei voi olla olemassa ilmiöitä, joilla ei ole vuorovaikutusta, -tavalla tai toisella. Maxwellin kenttä on todellinen olio, jolla on energia, liikemäärä ja impulssimomentti, joka voi kuljettaa energiaa avaruuden halki. Jos kenttää ei ole, silloin alkeishiukkasten spinit kohdistuvat satunnaisesti, jolloin nettomagnetisaatio on nolla.
Kolmanneksi, kun on kyseessä ilmiö joka on näennäinen, kuten ”aavemainen kaukovaikutus”, miten on mahdollista, että kahden erilleen viedyn samanlaisen alkeishiukkasen ominaisuudet välittyvät toisiinsa niiden välimatkasta riippumatta yli valon nopeudella, kun niistä jompaakumpaa häiritään?
Neljänneksi koska ilmiö on näennäinen, ja jos oletetaan, että Maxwellin kentän laajuus on määräämätön ja sen sisällä vaikuttaa määräämätön määrä alkeishiukkasia voisi olettaa, että jokaisen alkeishiukkasen spin vaikuttaisi toisiinsa, mutta vain valon nopeuden maksimissa. Joten kun vuorovaikutus on olemassa, jokainen alkeishiukkanen käyttäytyy kvanttimekaniikan lakien mukaisesti. Mutta ei niin, että Maxwellin kentässä vasemmanpuoleisimman protonin tai alkeishiukkasen häiritseminen näkyisi välittömästi oikeanpuoleisimman protonin tai alkeishiukkasen häiriintymisenä yli valon nopeudella.
Viidenneksi. Ajattelen myös niin, että koska protonit tai alkeishiukkaset ovat kvantittuneet, niiden spinit ovat myös satunnaisia tai pikemminkin niillä on todennäköisyys-luonne. Eli kun häiritsen vasemmanpuoleisinta protonia tai alkeishiukkasta, sen vaikutus oikeanpuoleisimpaan protoniin tai alkeishiukkaseen on ”näennäinen”, koska sen kaikki mahdolliset ominaisuudet on jo olemassa.
(ks. artikkelikuva)
Ilmoita asiaton viesti
Silmukkakvanttipainovoima teoria kertoo että hiukkasten lisäksi aika ja avaruuskin ovat kvantittuneet. Kvanttikenttä kaiken pohjana on jokseenkin perustavamman laatuista tavaraa kuin tarkastelemamme hiukkaset, tai neljä tunnettua luonnon perusvoimaa.
Jokaiselle ns. hiukkaselle olisi siis olemassa oma kenttänsä, jotka liittyvät toisiinsa syvin sitein avaruus-ajan jokaisessa pisteessä. Sittemmin suosiota on saanut että olisikin vain yksi kenttä kaikille, muodoille. Tekeekö Aristoteleen muotomaailma paluuta?
Ns. hiukkasten ominaisuudet tulevat siis kenttien matemaattisista muodoista. Olemme kenttien virtuaalista kudontaa, ja pelkkää tyhjää. Kaikkeus lienee musiikkia, kaukaisia kaikuja suuremmista saleista!
Yritykset yhdistää Einsteinin pähkäilyt ja kvanttiteoria ovat edenneet varsin verkkaisesti. Pitäisi ilmeisesti löytää vielä gravitoni, sen aallon kaveriksi. Kun tyhjyydestä lainataan energiaa, syntyy gravitaatio. Mutta missä gravitoni luuraa, jääkö painovoima arvoitukseksi? Ei käy kateeksi teorioiden laatijoita, aina on jotain hukassa.
Niin no mitenkä tämä liittyy spiniin, kaukovaikutukseen ja havaitsijaan? En mä vaan tiedä, mutta salaisuus piillee kvanttikentässä joka saa kaikkeuden näyttämään erilaisista hiukkasista koostuneelta, ja niistä aika-avaruusvaahdossa kehittyneeltä universumilta, jossa on kappaleita ja etäisyyksiä. Mikä tämä lienee vain tavattoman rajoittunut mielikuva macrotasolla elävän avaruusapinan pienessä päässä.
Tarkastelemmeko vain palloa, emmekä sen heittäjää? Hiukkaset, ominaisuudet, spinit ja ginit syntyvät jatkuvan heiton energiasta, jossa nämä itsessään eivät ole sitä energiaa, vaan liikkeen (musiiikin) luoma mielikuva, tullen sieltä heittäjän (muusikon) energiasta ja ominaisuuksista.
Hyvää joulua, varokaa musiikkia, siitä voi tulla melko vahvoja mielikuvia 😉
Ilmoita asiaton viesti
Kuten kvanttisilmukkapainovoimateoriassa, missä valon lisäksi aika-avaruus on myös kvantittunut, on toistaiseksi vain teoria, missä haetaan sitä lyhintä reittiä, jotta teoria pätee.
Minun ymmärrykseni mukaan, tämä siis tarkoittaisi sellaista todellisuutta, missä jokainen avaruuden piste olisi kuroutunut niin, että valon kulkema matka olisi mahdollisimman lyhyt riippumatta siitä, mikä on sijainti. Toisin sanoen, jos häiritsen yhtä alkeishiukkasta, sen vaikutus toiseen alkeishiukkaseen olisi välitön, koska niiden välinen sijainti olisi käytännössä sama.
Se miten tämä olisi arkitodellisuudessa mahdollista, silloin meidän tulisi määritellä sijainnit ja etäisyydet täysin uudelleen. Kyseessä lienee jälleen se yhteensovittamisen ongelma, missä yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan kudelma tulisi integroida uudella tavalla, -kuten Einstein sitä yritti, mutta lopulta epäonnistui.
Ilmoita asiaton viesti
Avaruuden piste? Siis että kvantit lilluisivat ja lepattaisivat avaruudessa, ja tapahtumat tapahtuisivat avaruuden välimatkoissa tai olisivat tapahtumatta?
Piste sille sanoi Rovelli, ja poisti yhden käsiteharhan. Kvantit eivät ole eivätkä vaikuta missään avaruudessa, vaan ne ovat itse se avaruus.
Tuosta on intuitiivisesti ajatellen melko hyvä jatkaa teoretisointia.
Tietämisen tuska on vain pieni tietoisuuden sisäinen lento, mutta se musiikki jatkuu for ever. Estas Tonne, Internal Flight > https://www.youtube.com/watch?v=6lIt07sBW4E&t=1120s
Ilmoita asiaton viesti
Olen Rovellin kanssa tismalleen samaa mieltä. Tottakai jos avaruutta ei olisi, ei olisi mitään muutakaan, mikä voisi avaruudessa vaikuttaa, oli se kvanttittunut tai ei.
Käytännön esimerkki arkitodellisuudesta:
Kun osoitan sormellani jotakin pistettä avaruudessa, en suinkaan kykene tismalleen osoittamaan kvanttia tai avaruuden kvantittumisen pistettä sen todennäköisyys-luonteesta johtuen. Toisaalta kvanteilla (alkeishiukkaset) on vain kaksi energia-tilaa.
Toisin sanoen, avaruutta ei voi olla olemassa ilman alkeishiukkasia ja vice versa.
Ilmoita asiaton viesti
Ja hauki on kala. Jää vähän vieläkin kaivelemaan vastauksesi. Eikö Rovelli tarkoittanutkaan sitä että avaruutta nyt ei vain kertakaikkiaan ole? Joo. Sen,kin sijaan olis vain kvanttikenttä, joka todennäköisyyksien taajuksilla muodostaa ne avaruusapinan silmissä häilyvät kuvat ulottuvuuksista, energioista ja hiukkasista, joidenka muodostama kokonaisuus on se josta perinteisesti puhumme kosmoksena, mutta joka ei kuitenkaan ole sitä?
Toisin sanoen, kosmosta ei ole edes olemassa kuin vain kvanttikenttä nimisen instrumentin muodostamana musiikkina ja vice versa.
Ilmoita asiaton viesti
Silmukkakvanttigravitaatio on yritys yhdistää yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka. Se on varovainen yritys, sillä se käyttää vain näihin teorioihin sisältyviä hypoteeseja sopivasti uudelleenmuotoiltuina, jotta ne sopisivat yhteen. Teorialla olisi kuitenkin radikaaleja seurauksia: syvällinen muutos ymmärrykseemme todellisuuden rakenteesta.
Ajatus sinänsä on yksinkertainen. Yleinen suhteellisuusteoria on opettanut, ettei avaruus ole laatikko, joka ei reagoi mihinkään, vaan siinä on jotain dynaamista. Meitä ympäröi valtava liikkuvainen vanukas, jota voi pusertaa ja vääntää. Kvanttimekaniikka on taas puolestaan opettanut, että kentät on tehty ”kvanteista”, ja niillä on hienojakoinen rakeinen struktuuri. Tästä ajatuksesta seuraa välittömästi, että fyysinen avaruus on ”tehty kvanteista”.
Silmukkakvanttigravitaation keskeinen ajatus on, ettei avaruus ole jatkuva, eikä sitä voi jakaa loputtomasti pienempiin osiin. Se koostuu avaruuden jyväsistä tai ”avaruuden atomeista”, jotka ovat äärimmäisen pieniä: miljardin miljardisosan kokoisia pienimpään atomiytimeen verrattuna. Teoria kuvailee nämä ”avaruuden atomit” matemaattisesti ja antaa yhtälöt, jotka määrittelevät niiden kehityksen.
Näitä pieniä perusosia kutsutaan ”silmukoiksi”, sillä ne eivät ole erillisiä vaan toisiinsa linkittyneinä. Ne muodostavat yhdessä vuorovaikutusten verkoston, josta maailmankaikkeuden rakenne punoutuu.
Lyhyesti, on vain alkeisprosesseja, joissa avaruuden kvantit ja aine ovat jatkuvasti toistensa kanssa vuorovaikutuksessa.
(Carlo Rovelli)
Ilmoita asiaton viesti
Mutta itse teemaan, eli siihen, että onko mahdollista, että kaksi erilleen vietyä samanlaista alkeishiukkasta muistavat toistensa ominaisuudet (informaation) välittömästi, jos jompaakumpaa hiukkasta häiritään, vaikka niiden välinen etäisyys olisi galaksista – toiseen. Tämä vaikuttaa edelleen täydelliseltä utopialta.
Oma käsitykseni on, että näillä kyseisillä alkeishiukkasilla on kaikki ominaisuudet jo olemassa, jolloin ns. ”kaukovaikutus” on todellakin vain näennäinen.
Käytännössä se voisi tarkoittaa, että jos tarkastellaan ks. alkeishiukkasten spinejä, niiden kaikki mahdolliset energiatilat vaikuttavat siitä huolimatta, vaikka me joko häiritsemme tai olemme häiritsemättä jompaakumpaa alkeishiukkasta. Vaikutus siis näyttäisi olevan välitön, vaikka se todellisuudessa onkin näiden alkeishiukkasten jatkuva energiatilojen muutos.
Ilmoita asiaton viesti