نظرية المعلمات الخفية. المعلمات الخفية في ميكانيكا الكم ونظرية بيل

أتاحت الدراسة التجريبية للأنظمة الكمومية اكتشاف وجود خصائص إحصائية فيها: تكرار التجربة مع نظام كمي ثابت 50 الظروف التجريبية يمكن أن تؤدي إلى نتائج غير متكررة. ومن الأمثلة على ذلك المرور المتسلسل للفوتونات بنفس الاستقطاب من خلال محلل: تمر بعض الفوتونات من خلاله، بينما ينعكس البعض الآخر. تصف ميكانيكا الكم بشكل صحيح إحصائيات مثل هذه التجارب، لكنها لا تشرح طبيعة هذه الإحصائيات؛ وهذا الأخير تفترضه نظرية الكم.

تنقسم الفرضيات الحالية حول طبيعة الطبيعة الإحصائية للأنظمة الكمومية بوضوح إلى فئتين. يتضمن الأول فرضيات تربط بين الخصائص الإحصائية للأنظمة الكمومية وازدواجية الموجة والجسيم لخصائص الجسيمات الدقيقة، مع تأثير المجالات الفيزيائية على جسيمات الفراغ، وما إلى ذلك. والقاسم المشترك بينهما هو الاعتراف بالوجود الموضوعي للعشوائية. الظواهر في العالم الصغير. تعتبر المادية الديالكتيكية الارتباط الإحصائي بين الحالة الأولية للنظام ونتيجة التجربة بمثابة طبيعة جديدة للعلاقات السببية التي لا يمكن اختزالها إلى السببية الكلاسيكية. كتب V. I. Lenin عن تمثيل تقريبي مبسط للعلاقة الموضوعية للظواهر من خلال السببية الكلاسيكية [2، المجلد 18، ص. 139 ] قبل وقت طويل من إنشاء ميكانيكا الكم.

(الاستنتاج المنطقي للفرضية الأولى في إطار مفهوم التكامل هو الاستنتاج بأن الأساس الطبيعي للطبيعة الإحصائية للأجسام الكمومية هو الخاصية الموضوعية لعدم قابلية تفصيل حالاتها المحدودة من حيث العناصر والمجموعات) :

يتضمن الفصل الثاني فرضيات تفترض وجود مجمع أجهزة قياس النظام الكمي لما يسمى بالمعلمات المخفية التي لم يتم ملاحظتها بعد. من المفترض أن كل قيمة للمعلمة المخفية تحدد بشكل فريد نتيجة تجربة منفصلة، والإحصائيات التي تمت ملاحظتها ووصفها بواسطة ميكانيكا الكم هي نتيجة المتوسط على جميع قيم المعلمات المخفية. وبالتالي، تفترض هذه الفرضيات وجود علاقة فردية بين قيمة المعلمة المخفية ونتيجة تجربة منفصلة، أي وجود علاقات سببية كلاسيكية في فيزياء الكم.

إن معرفة أي من هذين الاحتمالين يتحقق في الطبيعة له أهمية أساسية للفيزياء والفلسفة، لأنه يرتبط بمسألة وجود أو عدم وجود علاقات سببية غير كلاسيكية.

تم انتقاد الاستنتاجات التجريبية من قبل بور، الذي أظهر أن التناقض الذي نشأ هو نتيجة لافتراض محلية الأنظمة الكمومية [28، ص. 187-188، 425-428]. إن رفض هذا الافتراض، أي الاعتراف بوجود ارتباط بين الأجزاء المنفصلة في النظام الكمي (الذي يتميز بمصطلح "التكامل")، يلغي مفارقة EPR.

لقد كان تحليل مفارقة EPR هو الذي دفع بور إلى صياغة مبدأ التكامل للأنظمة الكمومية، والذي يعبر عن أحد الاختلافات الرئيسية بين الأنظمة الأخيرة والأنظمة الكلاسيكية. ويتطلب مبدأ التكامل النظر في النظام الكمي وجهاز القياس كنظام واحد متكامل. تعتمد نتائج قياس النظام الكمي على حالته، وكذلك على تصميم وحالة جهاز القياس. أطلق فوك على هذه الخاصية الخاصة بالأنظمة الكمومية نسبية وسائل القياس.

درست ثلاث تجارب العلاقة بين استقطابات الفوتونات المنبعثة أثناء إبادة البوزيترونيوم. في أعمال كاسدي وأولمان وبواسطة [208؛ 209 ] تم الحصول على نتائج متوافقة مع إدارة الجودة. وخلص جوتكوفسكي ونوتاريجو وبينيسي إلى أن النتائج كانت متسقة مع TSP. ومع ذلك، نظرًا لأن الحالة الأولية للبوزيترونيوم غير معروفة، وتتوافق نتائج العمل مع الحد الأعلى لمتباينة بيل وتقع بين نتائج ميكانيكا الكم المقابلة لافتراضات مختلفة حول الحالة الأولية للبوزيترونيوم، فلا يمكن استخلاص أي استنتاج موثوق منه. هذا العمل. درس عمل لامهي-راهتي وميتيج العلاقة بين استقطابات بروتونين في تشتت بروتون-بروتون؛ النتائج التجريبية تتفق مع إدارة الجودة.

تدرس المجموعة التالية من التجارب العلاقة بين استقطابات فوتونين منبعثين من الذرة أثناء التحول الإشعاعي المتتالي. يستخدم عمل فريدمان وكلاوزر ذرات الكالسيوم. النتائج تتفق مع CM.

استخدمت أبحاث هولت وبيبكين ذرات الزئبق. تتوافق النتائج مع TSP، لكن لم يتم الحصول عليها بشكل كافٍ وبالتالي لا يمكن الاعتماد عليها. ويمكن ملاحظة ذلك من خلال عمل كلاوزر، الذي كرر التجربة بناءً على طريقة مختلفة لإثارة الذرات [189؛ 227؛ 228]. النتائج التي حصل عليها موثوقة تمامًا ومتوافقة مع إدارة الجودة. يستخدم فراي وطومسون الإشعاع من نظير مختلف للزئبق وسلسلة إشعاعية مختلفة؛ النتائج التي تم الحصول عليها تتفق مع إدارة الجودة.

تجربة أسبيك وجرينجر وروجر، الذين درسوا انبعاث الكالسيوم، تستحق اهتمامًا خاصًا. زاد المؤلفون بشكل كبير عدد القياسات مقارنة بالأعمال السابقة وحصلوا على دقة إحصائية أكبر. تتفق النتائج بشكل جيد مع إدارة الجودة وتنتهك متباينة بيل بتسعة انحرافات معيارية، مما يجعل الاستنتاجات موثوقة للغاية. زيادة المسافة من المصدر إلى كل محلل إلى 6.5 مولم تتغير نتائج التجربة التي تشير إلى استقلال الارتباطات بعيدة المدى عن بعد.

إن المواد النظرية والتجريبية المتراكمة لا تسمح لنا بعد بالاختيار النهائي بين TSP وإدارة الجودة. يمكن تحسين صياغة مسلمة المنطقة وهيكل TSP. هناك بالفعل عمل يعمم نظرية بيل. يمكن إجراء تجارب جديدة مع كائنات أخرى؛ هناك اقتراح لاستخدامها ل 55 الجسيمات التجريبية التي تتحلل نتيجة التفاعل الضعيف، وما إلى ذلك [198؛ 243].

ومع ذلك، استنادا إلى العمل النظري والتجريبي المتاح، يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية.

يبدو أن البيانات التجريبية تتعارض مع نظرية TSP المحلية ونظرية بيل المبنية عليها. التجربتان المتوافقتان مع نظرية بيل هما من بين الأقدم، ولم يتم إجراؤهما بتفاصيل كافية، ولم يتم تأكيدهما من خلال العمل اللاحق.

وبالتالي، فإن TSPs الحالية تتعارض مع الخصائص المرصودة للأنظمة الكمومية. حتى الآن لم يكن من الممكن "استبدال" TSP بإدارة الجودة واستعادة السببية الكلاسيكية في فيزياء الكم. تظل نظرية الكم غير النسبية هي النظرية الوحيدة في مجالها التي تصف الحقائق التجريبية بشكل صحيح.

لقد تم إثبات وجود ارتباطات بعيدة المدى في الأنظمة الكمومية بشكل تجريبي: بشكل مباشر - من خلال تأكيد إدارة الجودة - وبشكل غير مباشر - من خلال تزييف نظرية بيل والمسلمة المحلية التي تقوم عليها.

إن وجود الارتباطات بعيدة المدى ليس خاصًا بالتجارب من نوع EPR؛ فهي معروفة جيدًا في الظواهر الكمومية الأخرى: تداخل الضوء في تجربة ميشيلسون، ووجود مكون فائق الميوعة في الهيليوم السائل وأزواج إلكترون كوبر في الموصلات الفائقة.

البديل - المحلية أو التكامل - يتم تحديده لصالح سلامة الأنظمة الكمومية، المضمنة في إدارة الجودة في شكل مبدأ عدم القدرة على التمييز بين الجسيمات المتطابقة ومبدأ التكامل.

إن خاصية الأنظمة الكمومية التي تمت ملاحظتها تجريبيًا والتي وصفها جهاز إدارة الجودة - وهي الحفاظ على الارتباطات بين أجزاء النظام حيث يميل التفاعل بينها إلى الصفر - ليست تافهة. مطلوب نهج جدلي لتفسيره.

إن مشكلة التكامل، ومسألة العلاقة بين الجزء والكل، حادة بشكل خاص، وتطرحها فيزياء الجسيمات الأولية. إن التوحيد الذي تم تحقيقه للتفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة والمهمة التي تواجه الفيزياء الحديثة المتمثلة في "التوحيد الكبير" لجميع التفاعلات تمثل بشكل أساسي مراحل مختلفة من رسم الخرائط في الفيزياء لسلامة العالم المحيط، والارتباط العالمي والترابط بين الظواهر التي تعد واحدة منها من قوانين الديالكتيك المادي. 56

"إن الله لا يلعب النرد مع الكون."

بهذه الكلمات، تحدى ألبرت أينشتاين زملائه الذين كانوا يطورون نظرية جديدة - ميكانيكا الكم. في رأيه، فإن مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ومعادلة شرودنغر أدخلا عدم اليقين غير الصحي إلى العالم الصغير. لقد كان متأكدًا من أن الخالق لا يمكنه السماح لعالم الإلكترونات بأن يكون مختلفًا بشكل لافت للنظر عن العالم المألوف لكرات البلياردو النيوتونية. في الواقع، لعب أينشتاين لسنوات عديدة دور محامي الشيطان فيما يتعلق بميكانيكا الكم، فاخترع مفارقات ذكية مصممة لقيادة واضعي النظرية الجديدة إلى طريق مسدود. ومع ذلك، فقد قام بعمل جيد في إرباك منظري المعسكر المعارض بمفارقاته وإجبارهم على التفكير بعمق في كيفية حلها، وهو أمر مفيد دائمًا عندما يتم تطوير مجال جديد من المعرفة.

هناك مفارقة غريبة في المصير في حقيقة أن أينشتاين دخل التاريخ باعتباره معارضًا مبدئيًا لميكانيكا الكم، على الرغم من أنه كان هو نفسه في البداية يقف عند أصولها. وعلى وجه الخصوص، حصل على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1921 ليس عن النظرية النسبية، ولكن عن تفسيره للتأثير الكهروضوئي استنادا إلى مفاهيم الكم الجديدة التي اجتاحت العالم العلمي حرفيا في بداية القرن العشرين.

الأهم من ذلك كله هو أن أينشتاين احتج على الحاجة إلى وصف ظواهر العالم الصغير من حيث الاحتمالات والدوال الموجية ( سم.ميكانيكا الكم)، وليس من الوضع المعتاد للإحداثيات وسرعات الجسيمات. وهذا ما كان يقصده بـ "رمي النرد". لقد أدرك أن وصف حركة الإلكترونات من حيث سرعتها وإحداثياتها يتناقض مع مبدأ عدم اليقين. لكن، كما قال أينشتاين، لا بد من وجود بعض المتغيرات أو المعلمات الأخرى، مع الأخذ في الاعتبار أن الصورة الميكانيكية الكمومية للعالم الصغير ستعود إلى طريق التكامل والحتمية. أي أنه أصر على أنه يبدو لنا فقط أن الله يلعب معنا النرد، لأننا لا نفهم كل شيء. وهكذا كان أول من صاغ فرضيات المتغير الكامنفي معادلات ميكانيكا الكم. وهي تتمثل في حقيقة أن الإلكترونات في الواقع لها إحداثيات وسرعة ثابتة، مثل كرات البلياردو لنيوتن، ومبدأ عدم اليقين والنهج الاحتمالي لتحديدها في إطار ميكانيكا الكم هما نتيجة عدم اكتمال النظرية نفسها، والتي لماذا لا يسمح لهم بالتحديد على وجه اليقين.

يمكن تصور نظرية المتغير الخفي بشيء من هذا القبيل: التبرير الفيزيائي لمبدأ عدم اليقين هو أن خصائص جسم كمي، مثل الإلكترون، لا يمكن قياسها إلا من خلال تفاعله مع جسم كمي آخر؛ وفي هذه الحالة، ستتغير حالة الجسم المقاس. ولكن ربما تكون هناك طريقة أخرى للقياس باستخدام أدوات لا تزال غير معروفة لنا. من المحتمل أن تتفاعل هذه الأدوات (ولنطلق عليها "الإلكترونات الفرعية") مع الأجسام الكمومية دون تغيير خصائصها، ولن ينطبق مبدأ عدم اليقين على مثل هذه القياسات. وعلى الرغم من عدم وجود دليل فعلي لصالح فرضيات من هذا النوع، إلا أنها لاحت شبحيًا على هامش المسار الرئيسي لتطور ميكانيكا الكم - ويرجع ذلك أساسًا، في اعتقادي، إلى الانزعاج النفسي الذي يعاني منه العديد من العلماء بسبب الحاجة إلى التخلي عن أسس أفكار نيوتونية حول بنية الكون.

وفي عام 1964، حصل جون بيل على نتيجة نظرية جديدة لم تكن متوقعة بالنسبة للكثيرين. لقد أثبت أنه من الممكن إجراء تجربة محددة (التفاصيل في لحظة)، ستسمح لنا نتائجها بتحديد ما إذا كانت الأجسام الميكانيكية الكمومية موصوفة حقًا بواسطة وظائف موجة التوزيع الاحتمالي كما هي، أو ما إذا كان هناك معلمة مخفية مما يسمح بوصف موضعها وزخمها بدقة كما هو الحال في كرة نيوتونية. توضح نظرية بيل، كما تسمى الآن، أنه مثلما يوجد معامل مخفي في نظرية ميكانيكا الكم يؤثر على أيالخصائص الفيزيائية للجسيم الكمي، وفي حالة عدم وجودها، من الممكن إجراء تجربة تسلسلية، ستؤكد نتائجها الإحصائية أو تدحض وجود معلمات مخفية في نظرية ميكانيكا الكم. نسبيا، في إحدى الحالات لن تزيد النسبة الإحصائية عن 2:3، وفي الحالة الأخرى - لا تقل عن 3:4.

(هنا أريد أن أشير بين قوسين إلى أنه في العام الذي أثبت فيه بيل نظريته له، كنت طالبًا جامعيًا في جامعة ستانفورد. كان من الصعب أن يفوتك بيل ذو اللحية الحمراء، ذو اللكنة الأيرلندية الكثيفة. أتذكر وقوفي في ممر المدرسة. المبنى العلمي لمسرع خط ستانفورد، ثم خرج من مكتبه في حالة من الإثارة الشديدة وأعلن علنًا أنه اكتشف للتو شيئًا مهمًا ومثيرًا للاهتمام حقًا، وعلى الرغم من أنني لا أملك أي دليل على ذلك، إلا أنني سأفعل ذلك حقًا أود أن أتمنى أن أكون في ذلك اليوم شاهداً لا إرادي على اكتشافه.)

ومع ذلك، تبين أن التجربة التي اقترحها بيل كانت بسيطة على الورق فقط وبدت في البداية شبه مستحيلة. كان ينبغي أن تبدو التجربة على النحو التالي: تحت تأثير خارجي، يجب أن تطلق الذرة بشكل متزامن جسيمين، على سبيل المثال فوتونين، وفي اتجاهين متعاكسين. بعد ذلك كان لا بد من التقاط هذه الجسيمات وتحديد اتجاه دوران كل منها بشكل فعال والقيام بذلك ألف مرة من أجل تجميع إحصائيات كافية لتأكيد أو دحض وجود معامل مخفي حسب نظرية بيل (باللغة من الإحصاءات الرياضية، كان من الضروري حساب معاملات الارتباط).

كانت المفاجأة الأكثر إزعاجًا للجميع بعد نشر نظرية بيل هي على وجه التحديد الحاجة إلى إجراء سلسلة هائلة من التجارب، والتي بدت في ذلك الوقت شبه مستحيلة، للحصول على صورة موثوقة إحصائيًا. ومع ذلك، فقد مر أقل من عقد من الزمن منذ أن لم يقم العلماء التجريبيون بتطوير وبناء المعدات اللازمة فحسب، بل قاموا أيضًا بتجميع كمية كافية من البيانات للمعالجة الإحصائية. وبدون الخوض في التفاصيل الفنية، سأكتفي بالقول إنه في ذلك الوقت، في منتصف الستينيات، بدا تعقيد هذه المهمة هائلاً لدرجة أن احتمال تنفيذها بدا مساويًا لاحتمال قيام شخص ما بوضع المليون قرد المدرب في موضع التنفيذ. الآلات الكاتبة على أمل أن يجدوا من بين ثمار عملهم الجماعي إبداعًا يساوي شكسبير.

وعندما تم تلخيص نتائج التجارب في أوائل السبعينيات، أصبح كل شيء واضحًا تمامًا. تصف وظيفة توزيع احتمالية الموجة بدقة كاملة حركة الجزيئات من المصدر إلى المستشعر. ولذلك فإن معادلات ميكانيكا الكم الموجية لا تحتوي على متغيرات مخفية. هذه هي الحالة الوحيدة المعروفة في تاريخ العلم التي أثبت فيها مُنظِّر لامع فرصةالاختبار التجريبي للفرضيات وأعطى مبرراتها طريقةمثل هذا التحقق، أجرى المجربون اللامعون بجهود جبارة تجربة معقدة ومكلفة وطويلة، والتي في النهاية أكدت فقط النظرية السائدة بالفعل ولم تقدم حتى أي شيء جديد فيها، ونتيجة لذلك شعر الجميع بالخداع القاسي في توقعاتهم!

ومع ذلك، لم يكن كل العمل عبثا. وفي الآونة الأخيرة، اكتشف العلماء والمهندسون، وهو ما أدهشهم كثيرًا، تطبيقًا عمليًا جديرًا للغاية لنظرية بيل. الجسيمان المنبعثان من المصدر في منشأة بيل هما متماسك(لها نفس طور الموجة) لأنها تنبعث بشكل متزامن. وسيتم الآن استخدام هذه الخاصية في التشفير لتشفير الرسائل شديدة السرية المرسلة عبر قناتين منفصلتين. عند اعتراض رسالة ومحاولة فك تشفيرها عبر إحدى القنوات، ينكسر التماسك على الفور (مرة أخرى بسبب مبدأ عدم اليقين)، وتدمر الرسالة ذاتيًا حتمًا وعلى الفور في اللحظة التي ينقطع فيها الاتصال بين الجزيئات.

لكن يبدو أن أينشتاين كان مخطئًا: لا يزال الله يلعب النرد مع الكون. ولعل أينشتاين كان ينبغي له أن يستمع إلى نصيحة صديقه القديم وزميله نيلز بور، الذي صاح بعد أن سمع مرة أخرى العبارة القديمة عن "لعبة النرد": "يا ألبرت، توقف أخيرا عن إخبار الله بما يجب أن يفعله!".

من الممكن تحديد تجريبيًا ما إذا كانت هناك معلمات مخفية غير محسوبة في ميكانيكا الكم.

"إن الله لا يلعب النرد مع الكون."

بهذه الكلمات، تحدى ألبرت أينشتاين زملائه الذين كانوا يطورون نظرية جديدة - ميكانيكا الكم. في رأيه، فإن مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ومعادلة شرودنغر أدخلا عدم اليقين غير الصحي إلى العالم الصغير. لقد كان متأكدًا من أن الخالق لا يمكنه السماح لعالم الإلكترونات بأن يكون مختلفًا بشكل لافت للنظر عن العالم المألوف لكرات البلياردو النيوتونية. في الواقع، لعب أينشتاين لسنوات عديدة دور محامي الشيطان فيما يتعلق بميكانيكا الكم، فاخترع مفارقات ذكية مصممة لقيادة واضعي النظرية الجديدة إلى طريق مسدود. ومع ذلك، فقد قام بعمل جيد من خلال إرباك منظري المعسكر المعارض بمفارقاته وإجبارهم على التفكير بعمق في كيفية حلها، وهو أمر مفيد دائمًا عندما يتم تطوير مجال جديد من المعرفة.

الأهم من ذلك كله هو أن أينشتاين احتج على الحاجة إلى وصف ظواهر العالم الصغير من حيث الاحتمالات والدوال الموجية ( سم.ميكانيكا الكم)، وليس من الوضع المعتاد للإحداثيات وسرعات الجسيمات. وهذا ما كان يقصده بـ "رمي النرد". لقد أدرك أن وصف حركة الإلكترونات من حيث سرعتها وإحداثياتها يتناقض مع مبدأ عدم اليقين. لكن، كما قال أينشتاين، لا بد من وجود بعض المتغيرات أو المعلمات الأخرى، مع الأخذ في الاعتبار أن الصورة الميكانيكية الكمومية للعالم الصغير ستعود إلى طريق التكامل والحتمية. أي أنه أصر على أنه يبدو لنا فقط أن الله يلعب معنا النرد، لأننا لا نفهم كل شيء. وهكذا كان أول من صاغ فرضية المتغير الكامنفي معادلات ميكانيكا الكم. يكمن في حقيقة أن الإلكترونات لها في الواقع إحداثيات وسرعات ثابتة، مثل كرات البلياردو لنيوتن، ومبدأ عدم اليقين والمنهج الاحتمالي لتحديدها في إطار ميكانيكا الكم هو نتيجة لعدم اكتمال النظرية نفسها، وهي لماذا لا يسمح لهم بتحديد معين.

وفي عام 1964، حصل جون بيل على نتيجة نظرية جديدة وغير متوقعة بالنسبة للكثيرين. لقد أثبت أنه من الممكن إجراء تجربة محددة (التفاصيل في لحظة)، ستسمح لنا نتائجها بتحديد ما إذا كانت الأجسام الميكانيكية الكمومية موصوفة حقًا بواسطة وظائف موجة التوزيع الاحتمالي كما هي، أو ما إذا كان هناك معلمة مخفية مما يسمح بوصف موضعها وزخمها بدقة كما هو الحال في كرة نيوتونية. توضح نظرية بيل، كما تسمى الآن، أنه مثلما يوجد معامل مخفي في نظرية ميكانيكا الكم يؤثر على أيالخصائص الفيزيائية للجسيم الكمي، وفي حالة عدم وجودها، من الممكن إجراء تجربة تسلسلية، ستؤكد نتائجها الإحصائية أو تدحض وجود معلمات مخفية في نظرية ميكانيكا الكم. نسبيا، في إحدى الحالات لن تزيد النسبة الإحصائية عن 2:3، وفي الحالة الأخرى - لا تقل عن 3:4.

(هنا أريد أن أشير بين قوسين إلى أنه في العام الذي أثبت فيه بيل نظريته، كنت طالبًا جامعيًا في جامعة ستانفورد. كان من الصعب أن يفوتك بيل ذو اللحية الحمراء، ذو اللكنة الأيرلندية الكثيفة. أتذكر وقوفي في ممر مبنى الأبحاث في جامعة ستانفورد. معجل ستانفورد الخطي، ثم خرج من مكتبه في حالة من الإثارة الشديدة وأعلن علنًا أنه اكتشف للتو أمرًا مهمًا ومثيرًا للاهتمام حقًا، وعلى الرغم من عدم وجود أي دليل لدي حول هذا الأمر، إلا أنني أود ذلك حقًا آمل أن أكون في ذلك اليوم شاهداً لا إرادي على اكتشافه.)

كانت المفاجأة الأكثر إزعاجًا للجميع بعد نشر نظرية بيل هي على وجه التحديد الحاجة إلى إجراء سلسلة هائلة من التجارب، والتي بدت في ذلك الوقت مستحيلة تقريبًا، للحصول على صورة موثوقة إحصائيًا. ومع ذلك، فقد مر أقل من عقد من الزمن منذ أن لم يقم العلماء التجريبيون بتطوير وبناء المعدات اللازمة فحسب، بل قاموا أيضًا بتجميع كمية كافية من البيانات للمعالجة الإحصائية. وبدون الخوض في التفاصيل الفنية، سأكتفي بالقول إنه في ذلك الوقت، في منتصف الستينيات، بدا تعقيد هذه المهمة هائلاً لدرجة أن احتمال تنفيذها بدا مساويًا لاحتمال قيام شخص ما بوضع المليون قرد المدرب في موضع التنفيذ. الآلات الكاتبة على أمل أن يجدوا من بين ثمار عملهم الجماعي إبداعًا يساوي شكسبير.

وعندما تم تلخيص نتائج التجارب في أوائل السبعينيات، أصبح كل شيء واضحًا تمامًا. تصف وظيفة توزيع احتمالية الموجة بدقة كاملة حركة الجزيئات من المصدر إلى المستشعر. ولذلك فإن معادلات ميكانيكا الكم الموجية لا تحتوي على متغيرات مخفية. هذه هي الحالة الوحيدة المعروفة في تاريخ العلم التي أثبت فيها مُنظِّر لامع فرصةالاختبار التجريبي للفرضية وقدم مبرراتها طريقةمثل هذا التحقق، أجرى المجربون اللامعون بجهود جبارة تجربة معقدة ومكلفة وطويلة الأمد، والتي في النهاية أكدت فقط النظرية السائدة بالفعل ولم تقدم حتى أي شيء جديد فيها، ونتيجة لذلك شعر الجميع بالخداع القاسي في توقعاتهم!

ومع ذلك، لم يكن كل العمل عبثا. وفي الآونة الأخيرة، اكتشف العلماء والمهندسون، وهو ما أثار دهشتهم، أن نظرية بيل تستحق التطبيق العملي. الجسيمان المنبعثان من المصدر في منشأة بيل هما متماسك(لها نفس طور الموجة) لأنها تنبعث بشكل متزامن. وسيتم الآن استخدام هذه الخاصية في التشفير لتشفير الرسائل شديدة السرية المرسلة عبر قناتين منفصلتين. عند اعتراض رسالة ومحاولة فك تشفيرها عبر إحدى القنوات، ينكسر التماسك على الفور (مرة أخرى بسبب مبدأ عدم اليقين)، وتدمر الرسالة ذاتيًا حتمًا وعلى الفور في اللحظة التي ينقطع فيها الاتصال بين الجزيئات.

جون ستيوارت بيل، 1928-91

فيزيائي من أيرلندا الشمالية. ولد في بلفاست لعائلة فقيرة. في عام 1949 تخرج من جامعة كوينز بلفاست، وبعد ذلك عمل هناك لفترة قصيرة كمساعد في مختبر الفيزياء. بعد العمل لعدة سنوات في معهد الطاقة الذرية في هارويل، تمت دعوة بيل إلى المركز الأوروبي للأبحاث النووية (CERN) في جنيف في عام 1960 وعمل هناك لبقية حياته. كانت زوجة العالم ماري بيل أيضًا فيزيائية وموظفة في CERN. صاغ بيل النظرية التي جلبت له الشهرة خلال فترة تدريب قصيرة في الولايات المتحدة.

هل من الممكن تحديد تجريبيًا ما إذا كانت هناك معلمات مخفية غير محسوبة في ميكانيكا الكم؟

"الله لا يلعب النرد مع الكون" - بهذه الكلمات تحدى ألبرت أينشتاين زملائه الذين كانوا يطورون نظرية جديدة - ميكانيكا الكم. في رأيه، فإن مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ومعادلة شرودنغر أدخلا عدم اليقين غير الصحي إلى العالم الصغير. لقد كان متأكدًا من أن الخالق لا يمكنه السماح لعالم الإلكترونات بأن يكون مختلفًا بشكل لافت للنظر عن العالم المألوف لكرات البلياردو النيوتونية. في الواقع، لعب أينشتاين لسنوات عديدة دور محامي الشيطان فيما يتعلق بميكانيكا الكم، فاخترع مفارقات ذكية مصممة لقيادة واضعي النظرية الجديدة إلى طريق مسدود. ومع ذلك، فقد قام بعمل جيد من خلال إرباك منظري المعسكر المعارض بمفارقاته وإجبارهم على التفكير بعمق في كيفية حلها، وهو أمر مفيد دائمًا عندما يتم تطوير مجال جديد من المعرفة.

الأهم من ذلك كله، أن أينشتاين احتج على الحاجة إلى وصف ظواهر العالم الصغير من حيث الاحتمالات والدوال الموجية (انظر ميكانيكا الكم)، وليس من الوضع المعتاد للإحداثيات وسرعات الجسيمات. وهذا ما كان يقصده بـ "رمي النرد". لقد أدرك أن وصف حركة الإلكترونات من حيث سرعتها وإحداثياتها يتناقض مع مبدأ عدم اليقين. لكن، كما قال أينشتاين، لا بد من وجود بعض المتغيرات أو المعلمات الأخرى، مع الأخذ في الاعتبار أن الصورة الميكانيكية الكمومية للعالم الصغير ستعود إلى طريق التكامل والحتمية. أي أنه أصر على أنه يبدو لنا فقط أن الله يلعب معنا النرد، لأننا لا نفهم كل شيء. وبذلك فهو أول من صاغ فرضية المتغير الخفي في معادلات ميكانيكا الكم. يكمن في حقيقة أن الإلكترونات لها في الواقع إحداثيات وسرعات ثابتة، مثل كرات البلياردو لنيوتن، ومبدأ عدم اليقين والمنهج الاحتمالي لتحديدها في إطار ميكانيكا الكم هو نتيجة لعدم اكتمال النظرية نفسها، وهي لماذا لا يسمح لهم بتحديد معين.

وفي عام 1964، حصل جون بيل على نتيجة نظرية جديدة وغير متوقعة بالنسبة للكثيرين. لقد أثبت أنه من الممكن إجراء تجربة محددة (التفاصيل في لحظة)، ستسمح لنا نتائجها بتحديد ما إذا كانت الأجسام الميكانيكية الكمومية موصوفة حقًا بواسطة وظائف موجة التوزيع الاحتمالي كما هي، أو ما إذا كان هناك معلمة مخفية مما يسمح بوصف موضعها وزخمها بدقة كما هو الحال في كرة نيوتونية. توضح نظرية بيل، كما تسمى الآن، أنه في ظل وجود معامل مخفي في نظرية ميكانيكا الكم يؤثر على أي خاصية فيزيائية للجسيم الكمي، وفي غيابه، من الممكن إجراء تجربة تسلسلية، النتائج الإحصائية التي ستؤكد أو تدحض وجود المعلمات الخفية في نظرية ميكانيكا الكم. نسبيا، في إحدى الحالات لن تزيد النسبة الإحصائية عن 2:3، وفي الحالة الأخرى - لا تقل عن 3:4.

ومع ذلك، تبين أن التجربة التي اقترحها بيل كانت بسيطة على الورق فقط وبدت في البداية شبه مستحيلة. كان ينبغي أن تبدو التجربة على النحو التالي: تحت تأثير خارجي، يجب أن تطلق الذرة بشكل متزامن جسيمين، على سبيل المثال فوتونين، وفي اتجاهين متعاكسين. بعد ذلك كان لا بد من التقاط هذه الجسيمات وتحديد اتجاه دوران كل منها بشكل فعال والقيام بذلك ألف مرة من أجل تجميع إحصائيات كافية لتأكيد أو دحض وجود معامل مخفي حسب نظرية بيل (باللغة في الإحصاء الرياضي، كان من الضروري حساب معاملات الارتباط).

وعندما تم تلخيص نتائج التجارب في أوائل السبعينيات، أصبح كل شيء واضحًا تمامًا. تصف وظيفة توزيع احتمالية الموجة بدقة كاملة حركة الجزيئات من المصدر إلى المستشعر. ولذلك فإن معادلات ميكانيكا الكم الموجية لا تحتوي على متغيرات مخفية. هذه هي الحالة الوحيدة المعروفة في تاريخ العلم، عندما أثبت مُنظِّر لامع إمكانية الاختبار التجريبي لفرضية ما وأعطى مبررًا لطريقة هذا الاختبار، بجهود جبارة، نفذ المجربون عملية معقدة ومكلفة وطويلة الأمد التجربة التي أكدت في النهاية النظرية السائدة بالفعل ولم تساهم حتى في أي شيء جديد، ونتيجة لذلك شعر الجميع بالخداع الشديد في توقعاتهم!

ومع ذلك، لم يكن كل العمل عبثا. وفي الآونة الأخيرة، اكتشف العلماء والمهندسون، وهو ما أثار دهشتهم، أن نظرية بيل تستحق التطبيق العملي. يكون الجسيمان المنبعثان من مصدر في منشأة بيل متماسكين (لهما نفس الطور الموجي) لأنهما ينبعثان بشكل متزامن. وسيتم الآن استخدام هذه الخاصية في التشفير لتشفير الرسائل شديدة السرية المرسلة عبر قناتين منفصلتين. عند اعتراض رسالة ومحاولة فك تشفيرها عبر إحدى القنوات، ينكسر التماسك على الفور (مرة أخرى بسبب مبدأ عدم اليقين)، وتدمر الرسالة ذاتيًا حتمًا وعلى الفور في اللحظة التي ينقطع فيها الاتصال بين الجزيئات.

موسوعة جيمس تريفيل “طبيعة العلم. 200 قانون للكون."

جيمس تريفيل هو أستاذ الفيزياء بجامعة جورج ماسون (الولايات المتحدة الأمريكية)، وهو أحد أشهر المؤلفين الغربيين لكتب العلوم الشعبية.

التعليقات: 0

يستكشف أستاذ الفيزياء جيم الخليلي النظريات العلمية الأكثر دقة والأكثر إرباكًا - فيزياء الكم. في أوائل القرن العشرين، اكتشف العلماء الأعماق الخفية للمادة، وهي اللبنات الأساسية للعالم من حولنا. لقد اكتشفوا ظواهر مختلفة عن أي شيء شوهد من قبل. عالم حيث يمكن أن يكون كل شيء في العديد من الأماكن في نفس الوقت، حيث الحقيقة موجودة حقًا فقط عندما نلاحظها. قاوم ألبرت أينشتاين مجرد فكرة أن العشوائية هي جوهر الطبيعة. تشير فيزياء الكم إلى أن الجسيمات دون الذرية يمكن أن تتفاعل بشكل أسرع من سرعة الضوء، وهو ما يتناقض مع نظريته النسبية.

أثار الفيزيائي الفرنسي بيير سيمون لابلاس سؤالا مهما حول ما إذا كان كل شيء في العالم محدد سلفا من خلال الحالة السابقة للعالم، أو ما إذا كان السبب يمكن أن يسبب عدة عواقب. وكما يتوقع التقليد الفلسفي، فإن لابلاس نفسه في كتابه “عرض النظام العالمي” لم يطرح أي أسئلة، بل قال إجابة جاهزة مفادها نعم، كل شيء في العالم محدد سلفا، ولكن، كما يحدث غالبا في الفلسفة، إن صورة العالم التي اقترحها لابلاس لم تقنع الجميع وبالتالي أثارت إجابته جدلا حول القضية التي لا تزال مستمرة حتى يومنا هذا. وعلى الرغم من رأي بعض الفلاسفة بأن ميكانيكا الكم حلت هذه المسألة لصالح المنهج الاحتمالي، إلا أن نظرية لابلاس في التحديد المسبق الكامل، أو كما تسمى نظرية حتمية لابلاس، لا تزال قيد المناقشة حتى اليوم.

إذا كانت الظروف الأولية لنظام ما معروفة، فمن الممكن، باستخدام قوانين الطبيعة، التنبؤ بحالته النهائية.

في الحياة اليومية، نحن محاطون بأشياء مادية ذات أحجام مماثلة لنا: السيارات والمنازل وحبوب الرمل، وما إلى ذلك. تتشكل أفكارنا البديهية حول بنية العالم نتيجة للملاحظة اليومية لسلوك هذه الأشياء . نظرًا لأننا جميعًا نعيش حياة خلفنا، فإن الخبرة المتراكمة على مر السنين تخبرنا أنه بما أن كل شيء نلاحظه يتصرف بطريقة معينة مرارًا وتكرارًا، فهذا يعني أنه في جميع أنحاء الكون، وعلى جميع المقاييس، يجب أن تتصرف الأشياء المادية بطريقة معينة. طريقة مشابهة. وعندما يتبين أن هناك شيئًا ما في مكان ما لا يطيع القواعد المعتادة ويتعارض مع مفاهيمنا البديهية حول العالم، فإن ذلك لا يفاجئنا فحسب، بل يصدمنا أيضًا.

في ميكانيكا الكم

تعتبر نظرية المعلمات المخفية (HPT) أساسًا تقليديًا، ولكنها ليست الأساس الوحيد لبناء أنواع مختلفة من نظرية بيل. قد تكون نقطة البداية أيضًا هي التعرف على وجود دالة توزيع احتمالية إيجابية محددة. وبناء على هذا الافتراض، دون اللجوء إلى افتراضات إضافية، يصوغ العمل ويثبت مفارقات بيل بمختلف أنواعها. يوضح مثال محدد أن الحساب الكمي الرسمي يعطي أحيانًا قيمًا سالبة للاحتمالات المشتركة التي تظهر في الدليل. جرت محاولة لتوضيح المعنى المادي لهذه النتيجة واقتراح خوارزمية لقياس الاحتمالات المشتركة السلبية من هذا النوع.

بما أن قوانين نظرية الكم تتنبأ بنتائج التجربة، بشكل عام، إحصائيًا فقط، إذن، استنادًا إلى وجهة النظر الكلاسيكية، يمكن للمرء أن يفترض أن هناك معاملات مخفية تحدد النتيجة فعليًا، كونها غير قابلة للملاحظة في أي تجربة عادية. للتجربة، حيث سبق أن تم النظر في ذلك دائمًا وفقًا لمبدأ السببية. ولذلك، جرت محاولة لاختراع مثل هذه المعلمات في إطار ميكانيكا الكم.

بالمعنى الضيق، المطبق في ميكانيكا الكم والفيزياء النظرية للعالم الصغير، حيث تتوقف حتمية قوانين الفيزياء العيانية عن التطبيق، كانت نظرية المعلمات المخفية بمثابة أداة مهمة للمعرفة.

لكن أهمية النهج المتبع في نظرية المعلمات الخفية، والذي تم إجراؤه في إطار دراسة العالم الصغير ومفارقات ميكانيكا الكم، لا يقتصر على هذا النطاق من الظواهر. من الممكن تقديم تفسير فلسفي أوسع وأوسع لأسباب حدوث هذه الظاهرة في عالمنا.

في فلسفة المعرفة

ومع ذلك، فإن مسألة المعلمات المخفية التي أثيرت لا تتعلق فقط بالمشاكل الجسدية الضيقة. يتعلق الأمر بالمنهجية العامة للمعرفة. يساعد مقتطف قصير من أطروحة حول الفهم كتبها أ.م. نيكيفوروف على فهم جوهر هذه الظاهرة:

أولا، دعونا نحاول أن نفهم ما هو الفهم على المستوى اليومي المعتاد. يمكننا القول أن الفهم هو عملية اختزال ما لا يمكن فهمه إلى ما هو مفهوم. وهذا هو، من خلال التلاعب المنطقي الذي يمكن الوصول إليه، من الأفكار التي نفهمها، نقوم ببناء تمثيل (نموذج) لشيء كان غير مفهوم بالنسبة لنا في السابق. […] هناك منهج آخر للفهم عندما يتم الإعلان عن وجود كيان أو مادة معينة تتمتع بالخصائص الضرورية التي تضمن وجود الظاهرة التي تهمنا... وتجدر الإشارة إلى أن هذا المنهج يقوم عليه نظرية النسبية وميكانيكا الكم، اللتان تعلنان كيف، لكن لا تشرحان السبب. […] ولا بد من القول أنه إذا كان المنهج الأول أكثر صرامة ووضوحا، فإن الثاني أقوى وعالمي وبسيط... فالمنهج الأول يستخدم على نطاق واسع في العلوم، ويمكن اعتباره مهيمنا، ولكن يستخدم الثاني أيضا . مثال على ذلك "نظرية المعلمة الخفية"[التأكيد مضاف]، والذي بموجبه تتم إزالة التناقض بين النظرية والتجربة عن طريق تقديم كائن افتراضي معين. يتم استبدال معلمات هذا الكائن في الصيغة، ويبدأ بالتزامن مع التجربة.

في ميكانيكا الكم، تتمتع هذه النظرية بنطاق كبير من التطبيقات، على الرغم من أنها غير مقبولة بشكل عام.

مثال تاريخي

لعدة قرون، كانت هندسة إقليدس تعتبر صخرة العلم التي لا تتزعزع. لفترة طويلة قبل بدء البحث الفيزيائي للعالم الصغير والقياسات الفيزيائية الفلكية، لم يكن هناك سبب لاعتباره غير مكتمل. لكن الوضع تغير في العقد الأول من القرن العشرين. كانت هناك أزمة مفاهيمية تنمو في الفيزياء، وتمكن ألبرت أينشتاين من حلها. جنبا إلى جنب مع حل مشاكل معينة - تنسيق الملاحظات مع تنبؤات النظريات في ذلك الوقت ("إنقاذ الظاهرة") - في عمله مع نيلز بور، تمكن أينشتاين من استخلاص نتيجة بارعة فيما يتعلق بإمكانية تأثير الجماهير على هندسة الفضاء وسرعة جسم متحرك - بسرعات تتناسب مع الضوء - على مدار التوقيت المحلي لجسم معين.

في الهندسة، أصبح هذا اكتشافًا نظريًا وعمليًا يصنع حقبة جديدة في علم الكونيات، على الرغم من أنه ردد المقدمات النظرية التي افترضها هيرمان مينكوفسكي، لكنه احتل مكانًا خاصًا في علم الكونيات الحديث.

يمكن اعتبار تأثير التأثير الحقيقي للجاذبية على هندسة الفضاء "معلمة خفية" في النظرية الكلاسيكية لإقليدس، إلا أنه تم الكشف عنه في نظرية أينشتاين. الاستدلال من وجهة نظر منهجية الإدراك: في أحد الأنظمة المفاهيمية (النظرية)، يمكن إخفاء معلمة معينة، ولكن في نظام آخر يمكن أن تصبح مكشوفة ومطلوبة ومبررة من الناحية النظرية. في الحالة الأولى، فإن "عدم الكشف عنها" لا يعني على الإطلاق غياب هذه المعلمة في الطبيعة في حد ذاتها. كل ما في الأمر أن هذه المعلمة لم تكن مهمة، وبالتالي لم يتم العثور عليها، ولم يتم إدخالها من قبل أي من العلماء في "نسيج" هذه النظرية.

يكشف هذا الموقف بوضوح تام عن خصائص هذه "المعلمات المخفية". وهذا ليس إنكارًا للنظرية السابقة، ولكنه اكتشاف للقيود الموضوعية لتنبؤاتها. في الحالة المذكورة أعلاه، يكون الفضاء المادي بالفعل إقليديًا بدقة عالية في حالة عدم كفاية مجالات الجاذبية القوية التي تعمل داخل مساحة معينة (وهو مجال الأرض)، ولكنه يتوقف عن أن يكون كذلك أكثر فأكثر مع زيادة هائلة في إمكانية الجاذبية. وهذا الأخير، في طبيعته القابلة للرصد، لا يمكن أن يظهر إلا في الأجسام الفضائية خارج كوكب الأرض مثل الثقوب السوداء وبعض الأجسام الفضائية "الغريبة" الأخرى.

ملحوظات

روابط

I. Z. Tsekhmistro، V. I. Shtanko وآخرون "مفهوم النزاهة" - الفصل الثالث مفهوم النزاهة والتجربة: السببية وعدم المحلية في فيزياء الكم (L. E. Pargamanik)

مؤسسة ويكيميديا. 2010.

تعرف على ما هي "نظرية المعلمات المخفية" في القواميس الأخرى:

نظرية الأوتار الفائقة ويكيبيديا

ميكانيكا الكم ويكيبيديا

مفارقة أينشتاين بودولسكي روزين (مفارقة EPR) هي محاولة للإشارة إلى عدم اكتمال ميكانيكا الكم باستخدام تجربة فكرية تتكون من قياس معلمات جسم صغير بشكل غير مباشر، دون التأثير على هذا... ... ويكيبيديا

مفارقة أينشتاين بودولسكي روزين (مفارقة EPR) هي محاولة للإشارة إلى عدم اكتمال ميكانيكا الكم باستخدام تجربة فكرية تتكون من قياس معلمات جسم صغير بشكل غير مباشر، دون التأثير على هذا الكائن... ... ويكيبيديا