Нелокальные явления

Альберт Эйнштейн,
письмо к Нильсу Бору от 03.03.1947.

Действие на расстоянии подразумевает взаимодействие через «пустоту» — пространство, лишённое материи. Однако такое понятие не может быть обосновано в рамках естественных наук. В этом смысле позиция Эйнштейна остаётся справедливой.
Как показано в посте 4 серии , само понятие физического пространства не существует без материального носителя его свойств. Наличие такого носителя позволяет сохранить принцип локального реализма при интерпретации так называемых «нелокальных» квантово‑механических процессов.

Под нелокальными процессами обычно понимают

• ЭПР-Парадокс – взаимодействие между запутанными квантовыми частицами, волновая функция которых отлична от нуля в удалённых областях пространства.
• Паракдокс Хартмана – равенство нулю времени нахождения квантовой частицы под барьером при туннелировании;
• Эффект Емельянова (Вследствие необоснованного игнорирования очевидных экспериментальных результатов этот эффект до сих пор не получил общепринятого названия. В дальнейшем мы будем именовать его эффектом Емельянова. Данный эффект имеет фундаментальное значение, поскольку, по‑видимому, впервые демонстрирует экспериментальную реализацию мгновенной передачи информации и вещества на макроскопическом уровне и на макроскопическое расстояние.) – нелокальное возникновение проводимости в полупроводнике при целочисленном эффекте Холла в условиях локального освещения лазерным импульсом.
  Эти три эффекта имеют единую динамическую основу и в совокупности характеризуют природу всех известных на сегодняшний день нелокальных явлений. Именно поэтому далее мы сосредоточимся на их рассмотрении.

ЭПР парадокс
ЭПР‑парадокс – это противоречие между квантово‑механическим описанием запутанных состояний частиц и постулатом специальной теории относительности (СТО) о максимальной скорости распространения взаимодействий (скорости света в вакууме).
Кратко опишем суть парадокса. Он возникает при измерении характеристик двух квантовых частиц, находящихся в запутанном состоянии. Такое состояние формируется в результате взаимодействия частиц в прошлом и характеризуется тем, что их общая волновая функция не факторизуется – её невозможно представить в виде произведения волновых функций координат отдельных частиц.
При этом координаты частиц, для которых запутанная волновая функция отлична от нуля, находятся в различных областях пространства. С точки зрения традиционной квантовой механики это означает следующее:
- вероятность обнаружить каждую из частиц существует только в удалённых друг от друга областях пространства;
- в соответствии с принципом близкодействия частицы в настоящий момент не взаимодействуют друг с другом.
Квантово‑механический формализм утверждает, что измерение, проведённое над одной из частиц, приводит к следующим последствиям:
1. Разрушается запутанная волновая функция.
2. Формируется определённое состояние первой частицы, соответствующее результатам измерения.
3. Одновременно возникает новое состояние у второй частицы – даже если на неё не оказывалось непосредственного воздействия.
Поскольку прямое взаимодействие между частицами отсутствует, это предполагает, что исходное запутанное состояние детерминировано задаёт связь между результатами измерений. Иными словами, в условиях отсутствия взаимодействия альтернативные состояния второй частицы (с точки зрения традиционной квантовой механики) оказываются физически реальными одновременно.
На основании этих рассуждений Эйнштейн, Подольский и Розен сделали вывод о неполноте квантовой механики.
Экспериментальная проверка этого парадокса по схеме Джона Белла (В схеме Белла применялись дискретные значения проекций поляризации запутанных фотонов на заранее выбранные оси. Это позволяло выявить более сложные корреляции в вероятностях измеряемых значений поляризации удалённых частиц по сравнению со схемой ЭПР.) доказала, что квантовая механика даёт точное описание результатов экспериментов, а идея одновременной физической реальности альтернативных состояний несостоятельна.
Следовательно, взаимодействие между частицами действительно имеет место. Поскольку принцип локального реализма не подвергается сомнению, приходится признать некорректность борновской интерпретации волновой функции.
Суть проблемы заключается в подмене понятий при формулировке этой интерпретации: вероятность срабатывания детектора (то есть регистрации характеристики квантовой частицы) подменяется утверждением, что частица с этой вероятностью имеет соответствующую характеристику. В применении к пространственной координате это означает представление частицы как материальной точки.
При представлении частицы в виде совокупности материальных полей, описываемых стационарными волновыми функциями, всё становится на свои места.
В случае свободных запутанных ЭПР‑частиц (Эйнштейна-Подольского-Розена) их материальные носители распределены по всему пространству и находятся в непосредственном контакте (и взаимодействии) друг с другом.
Локализация полной волновой функции системы в различных областях пространства обусловлена интерференцией волновых функций полей. Это приводит к отсутствию взаимодействия между частицами в целом.
Однако при измерении происходит нарушение фазовых соотношений между волновыми функциями. В результате интерференционная картина мгновенно изменяется во всём пространстве, что вызывает взаимодействие. Оно преобразует волновую функцию удалённой частицы, приводя её в состояние равновесия, которое определяется состоянием частицы, подвергаемой измерению.
Таким образом, возможность нелокального воздействия обусловлена, по сути, одновременностью изменения меры материальных полей в волновой функции частицы во всём физическом пространстве. Это внутреннее свойство элементарных частиц, которое не противоречит специальной теории относительности (СТО).
Данное свойство фактически заложено в математическом аппарате квантовой механики и может быть сформулировано в виде физического постулата:
Элементарная частица в нерелятивистской квантовой механике – цельный физический объект, представляющий собой сплошную среду в форме совокупности материальных полей. Изменение энергии элементарной частицы достигается перераспределением её вещества по материальным полям (стационарным волновым функциям), происходящим одновременно во всём физическом пространстве.
Это фактически единственная возможность «примирить» математический аппарат квантовой механики с принципом локального реализма – без привлечения в физическую теорию мистических концепций, связанных с сознанием.
Более подробно ЭПР‑парадокс рассмотрен на сайте (https://relativisticether.ru/).

Парадокс Хартмана
Этот парадокс заключается в том, что время нахождения частицы под барьером при туннелировании не зависит от его толщины. Более того, для определённых форм барьеров и волновых пакетов, представляющих падающую на барьер частицу, это время оказывается равным нулю (см. сайт>(https://relativisticether.ru/). ).
Такой вывод непосредственно следует из квантово‑механического формализма. При этом время «движения» под барьером определяют как разность между моментом падения волнового пакета на одну сторону барьера и моментом формирования пакета на противоположной стороне.
Иного способа определения времени туннелирования не существует. Дело в том, что под барьером экспоненциально спадающие вещественные стационарные волновые функции не способны образовать волновой пакет. Следовательно, невозможно определить скорость движения частицы как скорость перемещения волнового пакета.
Вследствие нелинейности изменения амплитуд компонент волнового пакета его форма при туннелировании искажается. Это создаёт неопределённость в оценке времени туннелирования: неясно, по какой точке пакета его следует определять – по переднему фронту, максимуму и т. д. В некоторых условиях это время оказывается даже отрицательным.

Если не подвергать сомнению математический аппарат квантовой механики (а мы этого делать не будем), то единственный выход из представленной ситуации – отказаться от интерпретации поведения частицы под барьером как механического движения.
Но тогда как частица, падающая на барьер, оказывается на его противоположной стороне? Очевидно, имеет место телепортация части вещества частицы (а не всей частицы целиком, поскольку часть вещества от барьера отражается – напомним, что частица представляет собой сплошную среду).
Признание факта телепортации неизбежно приводит к выводу: частица есть не что иное, как некоторое возмущение материальной сплошной среды. Такое возмущение может перемещаться в пространстве благодаря изменению фазовых соотношений между материальными полями – безотносительно к механическому движению. В противном случае возникает разрыв пространственно‑временного континуума.
Существование эффекта Хартмана было экспериментально подтверждено в 2018–2019 годах. Это стало возможным благодаря измерению времени туннелирования с уникальным временным разрешением в аттосекундном диапазоне .
В ходе эксперимента удалось реализовать телепортацию вещества макроскопического ансамбля электронов на конечное (хотя и микроскопическое) расстояние в конфигурационном пространстве. В результате была осуществлена передача информации со скоростью, превышающей скорость света (faster‑than‑light communication, superluminal communication).
Такой результат невозможно достичь за счёт механического движения материального носителя частиц без нарушения основ специальной теории относительности.

Эффект Емельянова.
Телепортация макроскопического заряда на макроскопическое расстояние в физическом пространстве была продемонстрирована в серии экспериментов, проведённых С.А.Емельяновым.
В основе механизма лежит принцип одновременности изменения волновой функции электрона во всём пространстве. При нелинейной эволюции это приводит к одновременному изменению пространственной электронной плотности.
Роль вещественных пространственных стационарных состояний выполняли состояния Лафлина–Гальперина, возникающие при квантовом эффекте Холла. Благодаря их макроскопическим размерам (~1 см.) впервые удалось реализовать квантовую телепортацию макроскопического ансамбля электронов на макроскопическое расстояние (см. см. сайт(https://relativisticether.ru/). ).

Основное отличие от эффекта Хартмана заключается в том, что вместо собственных функций импульса в пространстве под барьером используются стационарные волновые функции состояний типа Лафлина-Гальперина, возникающих при квантовом эффекте Холла.
В ходе эксперимента электроны макроскопического ансамбля из локальной области кристалла оптически переводились в макроскопические квантовые состояния. Затем эти состояния релаксировали в локальные области, где волновая функция состояния Лафлина-Гальперина была отлична от нуля.
Благодаря макроскопическим размерам этих состояний (~1 см.) впервые удалось реализовать квантовую телепортацию макроскопического ансамбля электронов на макроскопическое расстояние.
В данном случае, как и при рассмотрении парадокса Хартмана, квантовая телепортация не приводит к противоречиям с теорией относительности и не нарушает целостность пространственно‑временного континуума. Это становится возможным благодаря представлению электрона в виде сплошной среды. Такой подход позволяет избежать классических интерпретаций, связанных с мгновенным перемещением частиц в пространстве. При этом процесс телепортации рассматривается не как перемещение материального объекта, а как одновременное изменение квантового состояния электрона во всём пространстве. Физически это означает пространственное перераспределение плотности меры вещества внутри частицы – как её внутреннее свойство.
Предложенное толкование полностью соответствует принципам квантовой механики и не противоречит постулатам специальной теории относительности.