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:

  1. Kvanttifysiikan ei-lokaali, holistinen lomittuminen vs. klassinen lokaalisuus.
  2. 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)

HannuSinivirta

(el. vanh. tut. / FMI) Työkokemusta (tietoliikenne, -atomivoima, -lääketiede, -avaruus) tutkimus- ja tuotekehitystehtävissä. Kantavia voimia mm. Albert Einstein. (𝝏fA / 𝝏xA, 𝝏fA / 𝝏yA) / (𝝏fL / 𝝏xL, 𝝏fL / 𝝏yL = ∇fA / ∇fL = paljon suurempi kuin 1 ts. antroposeeni dominoi

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu