Teleportacja, czyli możliwość błyskawicznego przenoszenia ludzi i przedmiotów z jednego miejsca w drugie, może łatwo zmienić kierunek rozwoju cywilizacji i całego świata w ogóle. Na przykład teleportacja raz na zawsze zmieniłaby zasady prowadzenia wojny, uczyniłaby wszelkie środki transportu niepotrzebnymi, a co najlepsze: wakacje nie byłyby już problemem. Kto nie chce mieć własnego teleportu w domu?
Prawdopodobnie z tego powodu ta umiejętność jest najbardziej pożądana wśród ludzkości. Oczywiście wcześniej czy później to fizyka będzie musiała urzeczywistnić to marzenie. Cóż, zobaczmy, co ludzkość już ma w naszych czasach?
Chciałbym zacząć od cytatu ze słynnego naukowca:
To cudowne, że mamy do czynienia z paradoksem. Teraz możemy mieć nadzieję, że pójdziemy do przodu.
Niels Bohr
Teleportacja według Newtona
W ramach teorii Newtona teleportacja jest po prostu niemożliwa. Prawa Newtona opierają się na założeniu, że materia składa się z maleńkich twardych kul bilardowych. Obiekty nie poruszają się, dopóki nie zostaną popchnięte; obiekty nie znikają ani nie pojawiają się ponownie w innym miejscu. Ale w teorii kwantowej cząstki są zdolne do takich sztuczek.
Mechanika Newtona przetrwała 250 lat i została obalona w 1925 roku, kiedy Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger i ich współpracownicy opracowali teorię kwantową. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli teleportacja kiedykolwiek zostanie zrealizowana, stanie się to dzięki teorii kwantowej. Dlatego przyjrzyjmy się temu bardziej szczegółowo.
Film promocyjny:
Teoria kwantowa
Jednym z najważniejszych równań w teleportacji jest równanie fali Schrödingera (patrz zdjęcie). Być może jest miejsce, aby porozmawiać o tym, jak się pojawił. Erwin wygłosił kiedyś wykład na temat ciekawego zjawiska, w którym powiedziano, że elektrony zachowują się tak samo jak fale. Peter Debye, jeden z kolegów fizyków obecnych na sali, zadał pytanie: "Jeśli elektron można opisać jako falę, to jak wygląda jego równanie falowe?"
W tym czasie, dzięki Newtonowi, wszyscy już znali rachunek różniczkowy, fizycy opisywali każdą falę w języku różniczkowym. równania. Dlatego Schrödinger potraktował to pytanie jako wyzwanie i postanowił opracować podobne równanie dla elektronu. I zrobił to, ponieważ Maxwell wyprowadził kiedyś swoje równania dla pól Faradaya, a Schrödinger wyprowadził równanie dla fali de Broglie (tak zwanej fali elektronowej).
Niewielkie odchylenie od tematu: historycy nauki włożyli wiele wysiłku w ustalenie, gdzie był Schrödinger i co robił, gdy odkrył swoje słynne równanie. Okazało się, że był zwolennikiem wolnej miłości i często wyjeżdżał na wakacje ze swoimi kochankami. Prowadził nawet szczegółowy dziennik, w którym zapisywał wszystkie swoje kochanki i oznaczał każde spotkanie skomplikowanym kodem. Uważa się, że weekend, w którym odkryto równanie, spędził Schrödinger w Alpach, w Villa Herwig, z jedną ze swoich przyjaciółek. Więc kobiety mogą czasami pomóc w pobudzeniu aktywności umysłowej;)
Ale to nie jest takie proste. Jeśli elektron jest opisywany jako fala, to co w nim wibruje? Obecnie uważa się, że odpowiedzią jest następująca teza Maxa Borna: Fale te to nic innego jak fale prawdopodobieństwa. Oznacza to, że elektron jest cząstką, ale prawdopodobieństwo wykrycia tej cząstki jest ustalane przez falę de Brogliego. Okazuje się, że nagle w samym centrum fizyki - nauki, która dawała nam dokładne przewidywania i szczegółowe trajektorie dowolnych obiektów, od planet i komet po kule armatnie - pojawiły się pojęcia przypadku i prawdopodobieństwa! Stąd pojawiła się zasada nieoznaczoności Heisenberga: nie można poznać dokładnej prędkości, dokładnego położenia elektronu i jego energii w tym samym momencie. Na poziomie kwantowym elektrony mogą robić rzeczy zupełnie niewyobrażalne: znikają, a następnie pojawiają się ponownie, znajdują się w dwóch miejscach jednocześnie. Cóż, teraz przejdźmy bezpośrednio do teleportacji.
Teleportacja i teoria kwantowa
Kiedy ludzie są pytani: „Jak wyobrażasz sobie proces teleportacji?”, Większość mówi, że muszą dostać się do specjalnej kabiny, podobnej do windy, która zabierze ich w inne miejsce. Ale niektórzy wyobrażają to inaczej: zbierają od nas informacje o położeniu atomów, elektronów itp. w naszym ciele wszystkie te informacje są przenoszone w inne miejsce, gdzie korzystając z tych informacji, ponownie Cię zbierają, ale w innym miejscu. Ta opcja jest być może niemożliwa ze względu na zasadę nieoznaczoności Heisenberga: nie będziemy w stanie ustalić dokładnej lokalizacji elektronów w atomie. Jednak zasadę tę można przezwyciężyć dzięki ciekawej właściwości dwóch elektronów: jeśli dwa elektrony początkowo drgają unisono (stan ten nazywa się koherentnym), to są w stanie utrzymać synchronizację falową nawet w dużej odległości od siebie. Nawet jeśli te elektrony są oddalone o lata świetlne. Jeśli coś stanie się z pierwszym elektronem, informacja o tym zostanie natychmiast przesłana do drugiego elektronu. Zjawisko to nosi nazwę splątania kwantowego. Korzystając z tego zjawiska, fizycy w ciągu ostatnich lat byli w stanie teleportować całe atomy cezu, a wkrótce mogą być w stanie teleportować cząsteczki DNA i wirusy. Nawiasem mówiąc, podstawową możliwość teleportacji można było udowodnić matematycznie w 1993 roku. naukowcy z IBM pod kierownictwem Charlesa Bennetta. Więc nie tylko wiedzą, jak robić procesory, jeśli ktoś nie wiedział:)Korzystając z tego zjawiska, fizycy w ciągu ostatnich lat byli w stanie teleportować całe atomy cezu, a wkrótce być może będą w stanie teleportować cząsteczki DNA i wirusy. Nawiasem mówiąc, podstawową możliwość teleportacji można było udowodnić matematycznie w 1993 roku. naukowcy z IBM pod kierownictwem Charlesa Bennetta. Więc nie tylko wiedzą, jak robić procesory, jeśli ktoś nie wiedział:)Korzystając z tego zjawiska, fizycy w ciągu ostatnich lat byli w stanie teleportować całe atomy cezu, a wkrótce mogą być w stanie teleportować cząsteczki DNA i wirusy. Nawiasem mówiąc, podstawową możliwość teleportacji można było udowodnić matematycznie w 1993 roku. naukowcy z IBM pod kierownictwem Charlesa Bennetta. Więc nie tylko wiedzą, jak robić procesory, jeśli ktoś nie wiedział:)
W 2004 roku fizycy z Uniwersytetu Wiedeńskiego byli w stanie teleportować cząsteczki światła na odległość 600 m pod Dunaj za pomocą kabla światłowodowego, ustanawiając tym samym nowy rekord odległości. W 2006 roku po raz pierwszy w takich eksperymentach zastosowano obiekt makroskopowy. Fizykom z Instytutu Nielsa Bohra i Instytutu Maxa Plancka udało się splątać wiązkę światła i gaz złożony z atomów cezu. W tym wydarzeniu uczestniczyło wiele bilionów atomów!
Niestety, używanie tej metody do teleportowania stałych i stosunkowo dużych obiektów jest strasznie niewygodne, więc teleportacja bez splątania prawdopodobnie rozwinie się szybciej. Przeanalizujmy to poniżej.
Teleportacja bez splątania
Badania w tej dziedzinie szybko nabierają tempa. W 2007 roku dokonano ważnego odkrycia. Fizycy zaproponowali metodę teleportacji, która nie wymaga splątania. W końcu jest to najbardziej złożony element kwantowej teleportacji, a jeśli uda ci się go nie używać, będziesz w stanie uniknąć wielu związanych z tym problemów. Oto istota tej metody: naukowcy pobierają wiązkę atomów rubidu, przekształcają wszystkie zawarte w niej informacje w wiązkę światła, wysyłają tę wiązkę w dół światłowodu, a następnie odtwarzają pierwotną wiązkę atomów w innym miejscu. Odpowiedzialny za to badanie dr Aston Bradley nazwał tę metodę klasyczną teleportacją.
Ale dlaczego ta metoda jest możliwa? Jest to możliwe dzięki niedawno odkrytemu stanowi materii „kondensat Bosego-Einsteina”, czyli KBE (na zdjęciu po lewej jest on odkręcony w elipsoidalnej pułapce). Jest to jedna z najzimniejszych substancji w całym wszechświecie. W naturze najniższą temperaturę można znaleźć w kosmosie: 3 kelwiny, tj. trzy stopnie powyżej zera absolutnego. Wynika to z resztkowego ciepła Wielkiego Wybuchu, które wciąż wypełnia wszechświat. Ale CBE istnieje od jednej milionowej do jednej miliardowej stopnia powyżej zera bezwzględnego. Tę temperaturę można uzyskać tylko w laboratorium.
Gdy substancja zostaje schłodzona do stanu CBE, wszystkie atomy spadają do najniższego poziomu energii i zaczynają wibrować zgodnie (stają się spójne). Funkcje falowe wszystkich tych atomów nakładają się, więc w pewnym sensie CBE przypomina gigantyczny „superatom”. Istnienie tej substancji zostało przewidziane przez Einsteina i Schatiendranatha Bose w 1925 r., Ale kondensat ten odkryto dopiero w 1995 r. W laboratoriach Massachusetts Institute of Technology i University of Colorado.
Rozważmy więc teraz samą zasadę teleportacji z udziałem KBE. Najpierw z atomów rubidu w stanie CBE zbiera się super zimną substancję. Następnie do tego BEC wysyłane są zwykłe atomy rubidu, których elektrony również zaczynają spadać do najniższego poziomu energii, emitując kwanty światła, które z kolei są przesyłane przez kabel światłowodowy. Ponadto wiązka ta zawiera wszystkie niezbędne informacje do opisania początkowej wiązki materii. Po przejściu przez kabel wiązka światła wpada do innego BEC, który zamienia go w początkowy przepływ materii.
Naukowcy uważają tę metodę za niezwykle obiecującą, ale są też pewne problemy. Na przykład CBE jest bardzo trudne do uzyskania nawet w laboratorium.
Wynik
Biorąc pod uwagę wszystko, co zostało osiągnięte do tej pory, czy możemy powiedzieć, kiedy sami otrzymamy tę niesamowitą zdolność? Fizycy mają nadzieję, że w nadchodzących latach uda się teleportować złożone cząsteczki. Potem prawdopodobnie zajmie kilka dziesięcioleci, zanim opracuje się sposób teleportacji DNA, a może jakiegoś wirusa. Jednak wyzwania techniczne, które trzeba będzie pokonać na drodze do takiego osiągnięcia, są niesamowite. Jest prawdopodobne, że minie wiele stuleci, zanim będziemy mogli teleportować zwykłe obiekty, jeśli to w ogóle możliwe.
Użyty materiał: Michio Kaku „Physics of the Impossible”