Teleportarea

Liceul Teoretic „Ion Luca”, vatra Dornei CONCURSUL „STUDENT PENTRU O ZI”

TELEPORTAREA Concursul „Student pentru o zi”

Proiect realizat de: Andrei Alexandra Boicu Anda Mihaela Parasca Adriana Coordonator: prof. Barcău Mirela

Suceava, 2018

Cuprins Teleportarea – noțiuni generale ................................................................. 1 Scenariul și metode de teleportare ............................................................ 2 Experimente de laborator .......................................................................... 4 Experiment de teleportare - Pisica lui Schrödinger ................................................... 5

1

Teleportarea – noțiuni generale Unul dintre cele mai inedite „mijloace de transport” inventate de iubitorii de SF este teleportarea. Oricine a văzut o imagine dintr-un film a unei teleportări. Procesul pare relativ simplu și la îndemână; subiecții se așază în niște camere speciale și... dispar încetul cu încetul, pentru ca să apară vii și, mai mult decât atât, nevătămați în altă locație. Credem că nimeni nu ar putea să uite o asemenea imagine.

Teleportarea este un proces de deplasare a unui obiect dintr-un loc în altul, mai mult sau mai puțin instantaneu, fără ca obiectul să parcurgă spațiul dintre cele două poziții. Teoretic, au fost inventate mai multe metode de teleportare (teleportare cu găuri în spațiutimp, gaură de vierme), dar experimental au fost confirmate numai teleportarea cuantică și cea psihică. În prezent, teleportarea cuantică „exactă” este posibilă numai pentru fotoni și atomi. Teleportarea „inexactă” (unde starea cuantică nu se păstrează), este posibilă prin codificarea informației despre obiect, transmiterea acestei informații în alt loc, prin radio sau altă metodă, și crearea unei copii a obiectului original întrun loc nou. Teleportarea este propusă de asemenea ca explicație la multe fenomene anormale și se folosește în mod curent în literatura SF. În antichitate au fost folosite și alte cuvinte pentru a descrie fenomene similare cu ceea ce noi azi numim teleportare, de exemplu „bilocalizare”, când se spune că un corp ocupă două locuri diferite simultan. Termenul „teletransportare” (care lărgește termenul propus de Charles Fort), a fost folosit pentru prima dată de Derek Parfit ca o parte a experimentului său imaginar.

Termenul „teleportare” a fost întrodus la începutul anilor 1900 de scriitorul american Charles Fort pentru a descrie dispariții și apariții anomale. El a unit termenul grec „tele-” (ce înseamnă „departe”) cu termenul latin „portare” (ce înseamnă „a căra”, „a duce”). Pentru prima dată, termenul a fost folosit de Fort în paragraful al doilea al cărții sale, „Lo!”. Acesta scria că „În această carte am notat că sunt indicații de existență a unei forțe de transportare pe care o numesc Teleportație.” Pe lângă aceasta, Fort a adăugat: „Pot fi acuzat de asamblarea unor minciuni și superstiții. Într-o măsură și da și nu. Vă ofer descrierea.” Așadar, el sugerează ideea că teleportarea poate explica diferite fenomene paranormale. Este greu de spus dacă Charles Fort considera propria sa „teorie„ ca fiind una serioasă, cercetătorii consideră că scriitorul vedea în folosirea acestui termen doar o modalitate de a explica straniile fenomene pe care știința oficială nu le putea explica la acea vreme.

2

Scenariul și metode de teleportare Așa cum apare ea în imaginea conturată de către scriitorii de SF, teleportarea are mai multe faze: scanarea subiectului - transmiterea informațiilor - recrearea subiectului. Inițial, toate aceste lucruri par relativ simple. Oamenii de știință au identificat însă câteva impedimente.

SCANAREA SUBIECTULUI

TRANSMITEREA INFORMAȚIILOR

RECREAREA SUBIECTULUI

Primul dintre ele se referă la posibilitățile de scanare. În lumea cuantică nu putem atribui parametrilor unei particule valori precise, datorită principiului nedeterminismului.

Aceste măsurători se pot face doar probabilistic. Astfel, dacă am dori sa aflăm viteza unei particule, nu vom ști nimic despre poziția ei.

Apare apoi un alt impediment reprezentat de argumentul Penrose. Acesta spune ca nu putem măsura o stare cuantică fără distrugerea ei. Deci, pentru a obține informațiile necesare teleportării va trebui sa distrugem originalul.

Intervine, așadar, o nouă etapă în procesul de teleportare. Astfel, teleportarea ar fi, de fapt, o secvență de tipul: scanarea subiectului - distrugerea lui - transmiterea informației recrearea subiectului. Recent însă a apărut un paradox care pare a da speranța că în viitorul îndepărtat va putea fi realizată teleportarea cel putin a obiectelor, dacă nu a oamenilor. Este vorba despre efectul Einstein - Podolski - Rosen (efect EPR).

SCANAREA SUBIECTULUI

DISTRUGEREA SUBIECTULUI

TRANSMITEREA INFORMAȚIEI

RECREAREA SUBIECTULUI

Cu totii știm că, viteza maximă în Univers este viteza luminii, conform teoriei relativității. Totuși, s-a demonstrat că o pereche de fotoni gemeni (obținuți prin trecerea unei lumini monocromatice printr-un cristal) par a dezminți această regulă. În cazul în care un obiect interacționează cu primul foton, al doilea foton resimte instantaneu această interacțiune.

Deși la început teleportarea a fost prezentă numai în literatura științifico-fantastică, în prezent domeniul este intens studiat de fizicieni. Astăzi este posibilă teleportarea cuantică a unor particule fundamentale. Până nu demult, fizicienii puteau teleporta numai lumină ori atomi la distanțe scurte (milimetri). Lucrurile s-au schimbat, după publicarea unui experiment în octombrie 2006, în revista științifică „Nature”. Astfel, profesorul Eugene Polzik și echipa sa de la Niels Bohr Institute din Copenhagen University, Danemarca, a făcut un salt mare în studierea teleportării. În experiment s-a teleportat informația de la o rază slabă de lumină la un obiect macroscopic ce conținea mii de milliarde de atomi, aflaţi la distanța de jumătate de metru unul faţă de altul.

3

Există câteva metode ipotetice de a transporta materie dintr-un loc în altul fără a exista fizic în spațiul dintre ele. Unele din metode sunt studiate serios de fizicieni, pe când altele există numai în fantezii.

Teleportarea cuantică este un proces prin care informația cuantică (de exemplu starea bine determinată a unui atom sau foton) poate fi transmisă dintr-un loc în altul cu ajutorul comunicației clasice și al unei inseparabilități cuantice preexistente între locul emițător și locul receptor. Dat fiind că ea depinde de comunicația clasică, teleportarea cuantică nu poate fi utilizată pentru transferul sau comunicarea de date cu viteză superluminică. În afară de nume, nu există nicio legătură între teleportarea cuantică și teleportarea din literatura științifico-fantastică. Teleportarea cuantică reprezintă un transfer de informație; ea nu este o formă de transport, ci de comunicare. Ea este o modalitate de a transfera un bit cuantic dintr-un loc într-altul, fără a transporta totodată o particulă fizică. Acest proces nu poate fi folosit pentru a face copii ale unui sistem. În luna mai 2014, o echipă de cercetători a universității TU Delft a publicat studiul „Unconditional quantum teleportation between distant solid-state quantum bits”[1], susținând că a reușit să teleporteze date între qubiți pe o distanță de 3m, cu o acuratețe de 100%.

O asemenea metodă propune teleportarea ca o transmitere de informație, în urma căreia se reconstruieşte precis obiectul ori organismul la locul de destinaţie. Folosirea acestei metode de teleportare ca transport pentru oameni are numeroase obstacole tehnice și morale, precum scanarea corpului uman, în special a creierul, cu o precizie suficientă și cu recrearea, la final, a acestuia.

Există posibilitatea ca, în timpul scanării, corpul uman să fie distrus, însă copia să se creeze.

Subiectul îşi va putea continua viața în mod normal? O altă întrebare este lagată de copierea minţii şi a sufletului. Cei care cred în supranatural pot nega copierea și recrearea sufletului și consideră această metodă chiar murdară.

Există însă altă metodă de teleportare, în care corpul rămâne întreg, fară procedura de scanare și recreare. Metoda se numeşte teleportare prin găuri în spațiu şi timp. Corpul este aruncat în afara Universului, într-un univers paralel. Pentru că materia nu poate exista în afara universului, obiectul apare imediat în Universul real, într-un punct întîmplător. Dacă locul dispariției și apariției obiectului nu coincid, această deplasare satisface definiția teleportării.

Deplasarea are următoarele proprietăți:

4

1. Teleportarea obiectului la orice distanță nu cere energie, pentru că obiectul ar putea parcurge această distanță mișcându-se uniform și rectiliniu, din inerție. În consecință, obiectul poate apărea numai pe traiectoria sa uniform rectilinie.

2. Energie se cere doar pentru curbarea spațiu-timpului în așa mod încât poziția de start și de finiș să coincidă. În acest caz, toată energia cheltuită rămâne în poziția de start sub formă de explozie.

3. Raza de acțiune a teleportării este limitată de sfera Hubble (12 - 13 milliarde de ani lumină).

Metoda teleportării prin găuri în spațiu și timp creează un oarecare paradox. Pentru a arunca corpul în afara Universului, se cere crearea unei suprafețe neîntrerupte din găuri în jurul corpului (de exemplu crearea unei sfere din găuri). După aceasta întrebăm unde se află corpul destinat teleportării. Înăuntrul sferei de găuri corpul nu se poate afla, pentru că materia nu poate exista în afara universului.

Deci corpul se află deja într-un alt loc din Univers.

Din punctul de vedere al mecanicii cuantice, această deplasare poate fi explicată ca o transformare succesivă particulă - undă particulă. Corpul macroscopic destinat teleportării este localizat în spațiu (particulă). Dacă am putea să-i mărim lungimea de undă de Broglie până la infinit, dizolvându-l în spațiu, iar apoi să-l detectăm într-un punct întâmplător, obiectul ar dispărea dintr-un loc și ar apărea în altul, fără a exista în punctele intermediare dintre ele. Deci, un fenomen asemănător teleportării cu găuri există în mecanica cuantică ca o manifestare a dualismului undă-particulă.

Teleportarea psihică, cu ajutorul puterii mentale, efectuată de persoane dotate, se numește p-Teleportare, „psihoportare” sau „jaunting”, numită așa după scriitorul fantast Jaunte, ce a descoperit acest mod în „The Stars My Destination” (original numită „Tiger!

Tiger!”), o povestire fantastică de Alfred Bester. Acest tip de teleportare se inscrie în domeniul paranormalului.

Experimente de laborator În iunie 2002, doctorul Warwick Bowen și Dr. Ping Koy Lam, Prof. Hans Bachor și Dr. Timothy Ralph din Universitatea Națională Australiană au realizat teleportarea cuantică a unei raze laser. A fost un experiment încheiat cu succes de teleportare cuantică, cu folosirea fotonilor cuplați. Fotonul ce trebuia teleportat a fost scanat și proprietățile sale cuantice au fost copiate pe un foton de schimb. Apoi, fotonul inițial a fost recreat în alt loc, la o distanță

5

arbitrară, dovedind teoremele propuse de Einstein, pentru a explica „straniile acțiuni la distanță”.

Numeroși fizicieni de la Universitatea Innsbruck și de la Institutul Național de Standarde și Tehnologii au lucrat independent pentru a teleporta ioni de calciu și beriliu în 2004. Două grupe au folosit tehnici diferite dar au obținut rezultate similare după același protocol de bază. În iunie 2007, echipa lui Ashton Bradley din Australia a propus o tehnică ce nu folosea cuplarea cuantică. „Vorbim despre o rază de 5000 de particule ce dispar într-un loc și apar în altul”, spunea Bradley . „Simțim că schema noastră e mai aproape de conceptul fantastic", a adăugat el.

Anul trecut, cercetătorii din China au reuşit să teleporteze un foton de pe Terra către un satelit aflat la 500 de km depărtare.

Experiment de teleportare - Pisica lui Schrödinger O echipă de fizicieni a conceput un plan, cu care speră să realizeze prima teleportare a memoriei unui organism, folosind o tehnică denumită superpoziţionare cuantică. Cercetătorii sugerează că particulele pot exista în mod simultan în două sau mai multe faze diferite (superpoziţii), respectiv în două sau mai multe locuri în acelaşi timp, chiar înainte ca ele să poată fi observate.

Experimentul a fost propus de profesorul Tongcang Li (Universitatea Purdue, SUA) şi de dr. Zhang-qi Yin (Universitatea Tsinghua, China). Cei doi sugerează că, folosind oscilatoare electromecanice şi circuite superconductoare, vor face capabilă teleportarea în stare cuantică a microorganismelor.

Totodată, ei au conceput o schemă, prin care vor crea aşa-numita stare a Pisicii lui Schrödinger. Aceasta defineşte faptul că un microorganism este capabil să se afle în două locuri diferite, în acelaşi timp. Pisica lui Schrödinger este un experiment mental, adesea caracterizat ca un paradox, imaginat de fizicianul austriac Erwin Schrödinger în 1935.

Ilustrează ce probleme apar dacă se aplică interpretarea Copenhaga a mecanicii cuantice asupra obiectelor din viața de zi cu zi. A imaginat un experiment în care este prezentă o pisică care poate să fie vie sau moartă, în funcție de un eveniment aleator anterior.

Experimentul mental al lui Schrödinger a fost o urmare a discuțiilor despre paradoxul EPR, numit astfel după autorii săi, Albert Einstein, Podolsky și Rosen în 1935. Articolul EPR a subliniat natura stranie a superpoziției cuantice. În linii mari, superpoziția cuantică reprezintă combinarea tuturor stărilor cuantice ale sistemului (de exemplu, pozițiile posibile ale particulelor subatomice).

Interpretarea Copenhaga arată că superpoziția decade într-o stare definită exact în momentul în care are loc măsurătoarea cuantică.

6

Schrödinger și Einstein au schimbat mai multe scrisori despre argumentul EPR, în cuprinsul cărora Einstein a subliniat că superpoziția cuantică a unui butoias instabil cu praf de pușcă va conține, după un timp, atât componente explodate cât și neexplodate.

Pentru a demonstra necompletitudinea mecanicii cuantice, Schrödinger i-a aplicat principiile asupra unei ființe vii care poate avea sau nu conștiență. În experimentul mental original al lui Schrödinger, el descrie cum se poate, în principiu, transfera o superpoziție din interiorul unui atom către superpoziția la o scară mai mare a unei pisici vii sau moarte cuplând pisica si atomul cu ajutorul unui „mecanism diabolic”. A propus un scenariu în care viața sau moartea unei pisici aflate într-o cutie închisă depinde de starea unei particule subatomice.

Conform lui Schrödinger, interpretarea Copenhaga implică faptul că pisica rămâne în același timp vie și moartă până la deschiderea cutiei.

Schrödinger nu a dorit să promoveze ideea unei pisici moartă și vie concomitent ca pe o posibilitate serioasă; din contră, experimentul mental servește la ilustrarea ciudățeniei mecanicii cuantice și a matematicii necesare pentru descrierea stărilor cuantice. Intenționând să aducă o critică interpretării Copenhaga, experimentul mental al lui Schrödinger rămâne o piatră de încercare pentru interpretările mecanii cuantice. Modul în care fiecare interpretare tratează problema pisicii lui Schrödinger este adesea folosit ca un mod de a ilustra și a compara fiecare caracteristică, tărie sau slăbiciune ale diverselor interpretări ale mecanicii cuantice.

Schrödinger a scris: „Putem imagina chiar cazuri destul de ridicole. O pisică este închisă într-o cameră din oțel, împreună cu următorul dispozitiv (care trebuie să fie ferit de interacțiunea directă cu pisica): într-un detector Geiger-Müller se află o cantitate mică de material radioactiv, atât de mică încât, în decurs de o oră, doar un singur atom probabil se va dezintegra, sau cu egală probabilitate, poate niciunul; dacă totuși se întâmplă, detectorul Geiger va genera un semnal si prin intermediul unui releu eliberează un ciocan care sparge o mică fiola de cianură.

Dacă lăsam nesupravegheat întregul sistem timp de o oră, putem spune că pisica trăiește încă dacă în acest timp nici un atom nu s-a dezintegrat.

Funcția de undă a întregului sistem va exprima acest fapt având în ea pisica vie-șimoartă (scuzați expresia) sau împrăștiată în părți egale. Este tipic pentru aceste cazuri ca o nedeterminare localizată inițial la nivel atomic să fie transformată într-o nedeterminare la nivel macroscopic, care poate fi apoi rezolvată prin observare directă.

7

Asta ne împiedică să acceptăm în mod naiv ca valid un „model neclar” pentru a reprezenta realitatea. Prin el însuși el nu conține nimic neclar sau contradictoriu. Există o mare diferență între o fotografie mișcată sau nefocalizată și o fotografiere clară a norilor și a pâlcurilor de ceață.”

Textul de mai sus este o traducere a două paragrafe dintr-un articol original mult mai mare, care a apărut in revista germană Naturwissenschaften („Științele naturii”) în 1935.

Faimosul experiment al lui Schrödinger ridică întrebarea: când un sistem cuantic încetează să existe ca un amestec de stări și devine unul dintre ele? (Mai tehnic, când încetează starea cuantică actuală să mai fie o combinație liniară de stări, fiecare dintre ele semănând cu stări clasice diferite, începând în schimb să aibă o descriere clasică unică?) Dacă pisica supraviețuiește, ea își amintește că a fost mereu vie. Însă consecințele experimentului EPR care sunt consistente cu mecanica cuantică microscopică standard arată că obiectele macroscopice, precum pisicile, nu au tot timpul o descriere clasică unică. Scopul experimentului mental este de a ilustra acest aparent paradox: intuiția noastră spune că nici un observator nu poate fi întrun amestec de stări, în timp ce pisicile, spre exemplu, pot să fie un asemenea amestec. E nevoie ca pisicile să fie observatori, sau existența lor într-o singură stare clasică bine definită necesită un alt observator extern? Ambele alternative i-au părut absurde lui Albert Einstein, care a fost impresionat de abilitatea experimentului de a sublinia aceasta; într-o scrisoare către Schrödinger datând din 1950 el scrie: „Ești singurul fizician contemporan, în afara lui Laue, care observă că nu putem face supoziții asupra realității — dacă suntem corecți. Cei mai mulți dintre ei pur și simplu nu văd ce joc riscant joacă cu realitatea — realitatea este ceva independent de ceea ce se stabilește experimental. Interpretarea lor este, oricum, înlăturată cel mai elegant de sistemul tău cu atomul radioactiv + amplificator + încărcătura de praf de pușcă + pisica într-o cutie, în care funcția undă a sistemului conține atât pisica vie cât și împrăștiată în bucățele. Nimeni nu se îndoiește cu adevărat că prezența sau absența pisicii este ceva independent de actul observării.”

Este de notat faptul că nici o încărcătură de praf de pușcă nu este menționată în definirea experimentului de către Schrödinger, care folosește un detector Geiger pe post de amplificator și cianură în loc de praf de pușcă; praful de pușcă a fost menționat în sugestia inițială făcută de Einstein către Schrödinger cu 15 ani mai devreme. În interpretarea Copenhaga a mecanicii cuantice, un sistem încetează să mai fie o superpoziție de stări și devine una dintre ele atunci când are loc o observare a sistemului.

8

Experimentul lui Schrödinger face evident faptul că natura măsurătorii, sau a observației, nu este bine definită în această interpretare. Unii interpretează rezultatul experimentului ca arătând că atâta timp cât cutia este închisă, sistemul există concomitent într-o superpoziție a stărilor „nucleu dezintegrat/pisică moartă” și „nucleu nedezintegrat/pisică vie” și doar atunci când cutia este deschisă și are loc o observare a conținutului funcția de undă colapsează în una dintre cele două stări.

Cercetătorii Toncang Li şi Zhang-qi intenţionează să realizeze o metodă prin care să poată transpune în realitate conceptul lui Schrödinger, prin îngheţarea treptată a unei bacterii. În acest fel, va fi împiedicat schimbul de energie dintre organismul bacteriei şi mediul înconjurător. Apoi, un microb va fi ataşat de o membrană oscilatorie, iar, astfel, bacteria va fi capabilă să existe în superpoziţie. În acest stadiu al experimentului, folosindu-se circuite superconductoare cu microunde, va putea fi realizată teleportarea. În mod propriu-zis, aceasta constă din folosirea unui câmp magnetic puternic, care are capacitatea de a modifica starea internă a unui microorganism, transferând-o într-un altul. Din moment ce stările microorganismelor conţin informaţii, oamenii de ştiinţă speră că vor fi capabili să teleporteze memoria bacteriilor.

Toate aceste modalități de deplasare sunt încă la începutul descoperirii lor, așteptând să fie puse în aplicare de vreun alt Einstein, care să dea umanității roadele fizicii, o știință extrem de importantă în viața de zi cu zi a fiecăruia dintre noi.

9

Bibliografie 1. Octavian Rusu, Constantin Trăistaru, Livia Dinică, Constantin Gavrilă, „Fizică. F1+F2 – Manual pentru clasa a XI-a”, Corint, 2014 2. Constantin Mantea, Mihaela Garabet, „Fizică. F1+F2 – Manual pentru clasa a XII-a”, Editura All, 2007 3. https://ro.wikipedia.org 4. http://www.descopera.ro

10