În 1953, Max Born s-a retras de la Catedra de filozofie naturală de la Universitatea din Edinburgh și printre mulți alții care au contribuit la marcarea evenimentului a fost și Einstein, care a scris o lucrare scurtă și frumoasă cu privire la interpretarea mecanicii cuantice. În ea, Einstein a susținut o interpretare statistică a mecanicii cuantice utilizând un exemplu macroscopic al unei bile cu diametrul de 1 mm care cade între doi pereți perfect netezi. Descrierea clasică („macrorealistă”) a mingii este o descriere individuală: mingea este undeva între pereți și se mișcă fie spre stânga, fie spre dreapta. Descrierea statistică corespunzătoare este aceea că, în orice moment, mingea are probabilitatea uniformă de a fi oriunde în cutie și probabilități egale pentru a se deplasa spre stânga sau spre dreapta.
Macrorealismul (realismul macroscopic) este o viziune clasică asupra lumii definită de conjuncția a două postulate:
- Macrorealismul în sine: „Un obiect macroscopic, care are la dispoziție două sau mai multe stări distincte macroscopice, este la un moment dat într-o anumită stare din cele două, definită.”
- Măsurabilitate neinvazivă: „În principiu, este posibil să se determine care dintre aceste stări este în sistem fără niciun efect asupra stării însăși sau asupra dinamicii sistemelor ulterioare”.
Inegalitatea Leggett–Garg
Inegalitatea Leggett-Garg, numită după Anthony James Leggett și Anupam Garg, este o inegalitate matematică îndeplinită de toate teoriile fizice macrorealiste.
În mecanica cuantică, inegalitatea Leggett-Garg este încălcată, ceea ce înseamnă că evoluția timpului unui sistem nu poate fi înțeleasă clasic. Situația este similară cu încălcarea inegalităților Bell în experimentele de testare Bell, care joacă un rol important în înțelegerea naturii paradoxului Einstein-Podolsky-Rosen. Aici inseparabilitatea cuantică joacă rolul central.
Ca și faimoasa obiecție a lui Einstein față de mecanica cuantică: „Dumnezeu nu joacă zaruri”, a existat o obiecție mult mai fundamentală a lui Einstein, conform căreia Luna este încă acolo chiar și când nimeni nu se uită la ea. Dacă încălcarea inegalității Leggett-Garg poate fi demonstrată la scară macroscopică, aceasta ar provoca chiar această noțiune de realism.
Încălcări experimentale
Unul dintre primele experimente propuse pentru demonstrarea unei încălcări a realismului macroscopic utilizează dispozitive cu interferențe cuantice superconductoare. Acolo, folosind joncțiunile Josephson, ar trebui să se poată pregăti superpozițiile macroscopice ale curenților electronici macroscopic mari, în rotire la stânga și dreapta, într-un inel supraconductor. În cazul unei suprimări suficiente a decoerenței, ar trebui să se poată demonstra o încălcare a inegalității Leggett-Garg. Cu toate acestea, s-au ridicat unele critici cu privire la natura electronilor care nu se disting într-o mare Fermi.
O critică a altor experimente propuse cu privire la inegalitatea Leggett-Garg este că ele nu prezintă cu adevărat o încălcare a macrorealismului deoarece sunt în mod esențial despre măsurarea rotirilor particulelor individuale. În 2015 Robens și colab. a demonstrat o încălcare experimentală a inegalității Leggett-Garg folosind suprapuneri de poziții în loc de spin cu o particulă masivă. La acea vreme, și până acum, atomii de cesiu folosiți în experimentul lor reprezintă cele mai mari obiecte cuantice care au fost folosite pentru a testa experimental inegalitatea Leggett-Garg.
Experimentele lui Robens și colab. precum și Knee și colab., folosind măsurătorile negative ideale, evită de asemenea o a doua critică (denumită ”lacune neprevăzute”), care a fost îndreptată spre experimente anterioare folosind protocoale de măsurare care ar putea fi interpretate ca invazive, contrazicând astfel postulatul 2.
Câteva alte încălcări experimentale au fost raportate, inclusiv în 2016 cu particule de neutrino utilizând setul de date MINOS.
Brukner și Kofler au demonstrat, de asemenea, că încălcările cuantice pot fi găsite pentru sisteme macroscopice arbitrar de mari. Ca o alternativă la decoerența cuantică, Brukner și Kofler propun o soluție a tranziției cuantic-clasic în ceea ce privește măsurătorile cuantice grosiere sub care, de obicei, nu mai poate fi văzută nicio încălcare a inegalității Leggett-Garg.
Experimentele propuse de Mermin și Braunstein și Mann ar fi mai bune pentru a testa realismul macroscopic, dar experimentele pot fi destul de complexe pentru a admite lacune neprevăzute în analiză.
SQUID
(Diagrama unui SQUID de curent continuu. Curentul actual I intră și se împarte în cele două căi, fiecare cu curenți Ia și Ib. Barierele subțiri pe fiecare cale sunt joncțiunile Josephson, care separă cele două regiuni superconductoare. Φ reprezintă fluxul magnetic rezultat în bucla SQUID CC.)
Sistemul fizic pe care Leggett și Garg l-au propus inițial ca un candidat interesant pentru a investiga dacă inegalitatea lor este validă, a fost un dispozitiv RF SQUID (superconducting quantum interference device – dispozitiv cu interferențe cuantice superconductoare). Un SQUID este un magnetometru foarte sensibil utilizat pentru măsurarea câmpurilor magnetice extrem de subtile, pe baza unor bucle superconductoare care conțin joncțiuni Josephson.
SQUID-urile sunt suficient de sensibile pentru a măsura câmpurile mici de până la 5 aT (5×10-18 T), cu câteva zile de măsurători medii. Nivelurile lor de zgomot sunt mici, de cca. 3 fT·Hz-½. Pentru comparație, un magnet refrigerator tipic produce 0.01 tesla (10-2 T), iar unele procese la animale produc câmpuri magnetice foarte mici între 10-9 T și 10-6 T. Magnetometrele atomice SERF recent inventate sunt potențial mai sensibile și nu necesită refrigerare criogenică dar sunt cu ordine de mărime mai mari în dimensiuni (~ 1 cm3) și trebuie operate într-un câmp magnetic aproape zero.
Derivarea lui Leggett Garg a inegalității lor, așa cum am arătat mai sus, utilizează atât ipoteza realismului macroscopic, cât și ipoteza măsurăbilității neinvazive. În timp ce Leggett și Garg observă că măsurabilitatea neinvazivă nu urmează logic ca o consecință a realismului macroscopic, ei încearcă să susțină că este totuși „extrem de natural și plauzibil” și, în plus, ei afirmă în mod repetat – și cu tărie – că este un astfel de corolar natural al realismului macroscopic per se că „acesta din urmă este practic lipsit de sens în absența lui”. Ei motivează această idee invitându-ne să luăm în considerare rezultatul negativ ideal sau măsurătorile cu rezultat nul.
Lasă un răspuns