Če pišeš o znanosti, se prej ali slej zgodi, da moraš napisati tudi kaj o kvantni mehaniki (fizikalna teorija, ki opisuje delovanje narave na ravni atomskih in subatomskih delcev) - to pa zna biti precej strašljiva avantura, ker sem prepričan, da še marsikdo od fizikov ne razume dobro te teorije, kaj šele tisti, v fiziki nismo tako domači. Pri tem bi bilo dobro poudariti tudi to - ja, res je, kvantna mehanika je 100 let stara teorija - ampak še zdaleč ni razjasnjena. Pravzaprav v zadnjih letih na tem področju potekajo mrzlične razprave in eksperimenti, ki odpirajo stara vprašanja, ki si jih več kot pol stoletja nihče ni upal kaj dosti pritakniti.
Skratka članek v reviji
Nature (s pomenljivim naslovom:
Testing the speed of "spooky action at a distance") izpred dveh tednov je preprosto preveč fascinanten, da bi se mu lahko izognil samo zaradi kompleksnosti znanstvenega področja, v katerega se spušča.
Loteva se namreč pojava, ki je znan kot
"quantum entanglement" (kvantna prepletenosti) - ki je že v tako ali tako bizarnem svetu kvantne mehanike še posebej bizarna stvar. Če se spomnete, kvantna teorija pravi, da so v svetu atomov stvari zelo čudne. Tako sta lahko dva delca na dveh mestih istočasno, delci se lahko pojavijo iz nič, lahko se obnašajo kot valovanje...itd (za simpatično risanko ki nazorno prikazuje kvantno čudnost kliknite
tule)
Ampak te odštekane lastnosti elektronov, fotonov in protonov fiziki še lahko nekako prebavijo. Kvantna prepletenost, na drugi strani, pa dokončno zabije žeblje v krsto naše predstave o naravi sveta, v katerem živimo.
Dejansko je prav ta pojav slavnega Einsteina razdražil do konca. Einstein je bil namreč goreč nasprotnik kvantne teorije in je nikoli ni sprejel. Kvantna prepletenost - ki jo je sam sarkastično opisal kot
"spooky action at a distance" (fantomsko delovanje na daljavo) - pa mu ni povzročala samo gnusa, ampak se je direktno kregala z njegovo teorijo relativnosti. Kvantna prepletenost namreč odpira možnost, da je teorija relativnosti kratko malo napačna (ali pa je napačna kvantna mehanika).
Kvantna prepletenost je pojav, da sta lahko dva delca "prepletena" na ta način, da "telepatsko" vplivata drug na drugega, četudi sta na nasprotnih koncih vesolja. Če si predstavljamo dva kvantno prepletena fotona (osnovni delec svetlobe), ki ju pošljemo na nasprotna konca vesolja, potem se zgodi, da ko izmerimo lastnost (recimo njegov spin - fotoni lahko imajo spin "gor" ali "dol") enega fotona na enem koncu vesolja, potem avtomatsko vemo lastnost spina fotona na drugem koncu vesolja. To pa pomeni, da sta fotona nekako povezana - in ker po Einsteinovi teoriji relativnosti nič v vesolju ne more potovati hitreje od svetlobe imamo velik problem.
Kako lahko fotona v trenutku vesta za stanje drug drugega, če pa ni šans, da bi si lahko tako hitro posredovala to informacijo? Za Einsteina je bil to jasen znak, da je kvatna mehanika napačna.
Slika: Polarizacija (spin) kvantno zapletenih fotonov je neznana (superpozicija vseh možnih polarizacij!) dokler je ne izmerimo. V trenutku, ko izmerimo polarizacijo enega fotona, postane polarizacija drugega fotona tudi znana in je pravokotna na polarizacijo prvega fotona.Sedaj so švicarski raziskovalci iz Univerze v Ženevi izvedli eksperiment, v katerem so hoteli izmeriti, kako "trenutna" oziroma kako hitra je telepatija ali raje rečeno izmenjava informacij med dvema kvantno prepletenima fotonoma. Bolj preprosto rečeno (če je to mogoče) zastavili so si vprašanje ali delca res v trenutku vesta za stanje drug drugega oziroma kakšna bi morala biti hitrost prenosa informacije med njima, da bi lahko razložili njuno povezanost.
Kolikor mistična se kvantna prepletenost sliši, pa dveh kvantno prepletenih fotonov pravzaprav ni tako težko ustvariti. Fiziki to sedaj počnejo čisto rutinsko tako, da žarek laserja posvetijo v kristal (beta barijev borat) - pri tem fotoni laserja interagirajo s kristalom, pri čemer se včasih zgodi, da nek foton razpade na dva fotona (manjše valovne dolžine seveda), ki pa sta kvantno prepletena. In ta fotona lahko pošljemo na dva različna konca in potem na njima delamo razne meritve.
Švicarji so na ta način dva kvantno prepletena fotona poslali v nasprotne smeri v dve vasi, med seboj oddaljeni 18 km in potem izmerili polarizacijo oziroma spin fotonov. Izkazalo se je (kot že velikokrat prej!), da sta fotona v resnici kvantno prepletena in nadalnji izračuni so pokazali, da če telepatija med fotonoma ni trenutna, potem je najmanj 10.000x hitrejša od svetlobne hitrosti! Einstein se je (zopet) ziher obračal v grobu.
Ta in podobni eksperimenti so v zadnjih letih znova začeli razburjati fizike - nekateri celo govorijo o drugi kvantni revoluciji. Zakaj?
Ko so na začetku prejšnjega stoletja "glavni kvantovci": Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger
in company skupaj spravili teorijo kvantne mehanike so kmalu prišli v hud konflikt z Albertom Einsteinom. Tega je kvantna prepletenost tako razdražila, da je leta 1935 spravil skupaj teoretični članek, ki je postal znan kot EPR paradoks. V tem članku je bilo matematično razloženo, da se kvantna mehanika ne ujema s teorijo relativnosti oziroma, da ni popolna (v osrčju vsega je bila prav kvantna prepletenost). Einstein je tako zaključil, da v svetu osnovnih delcev obstajajo še "skrite spremenljivke" (hidden variables), ki jih ne poznamo in ki bi lahko razložile na videz nenavadno obnašanje delcev. Ta Einsteinov napad na kvantno mehaniko je bil tako hud, da so kvantovci kar obmolknili, ker nihče ni vedel, kako bi lahko nasprotoval Einsteinovem razmišljanju oziroma kako bi lahko kdo izvedel eksperiment, ki bi ovrgel njegov paradoks. Poleg tega se kvantovci v tistem času niso preveč obremenjevali z idejo, kaj enačbe kvantne mehanike dejansko povedo o našem svetu - videli so jih kot abstraktne matematične konstrukte iz katerih se ne da sklepati na to, kako v resnici izgleda svet na nivoju delcev (t.i.
Kopenhagenska interpretacija kvantne mehanike). Dejansko se fiziki do zdaj niso kaj dosti spraševali o tem, kaj kvantna mehanika v resnici pomeni, ker so menili, da je to vprašanje bolj ali manj nesmiselno.
Potem pa je leta 1964 fizik John Bell prišel na idejo (nekateri pravijo temu najbolj genijalna ideja v zgodovini znanosti), kako bi lahko preverili, če je kvantna mehanika kot teorija popolna oziroma če res obstajajo Einsteinove skrite spremenljivke. Njegov teorem je postal znan kot Bellove neenakosti (Bell's inequalities).
To make a long story short - s pomočjo Bellovega teorema je mogoče eksperimentalno preveriti ali je naš svet "lokalen" in "resničen" (po Einsteinovi teoriji relativnosti je naš svet tako lokalen - informacije potujejo s končno hitrostjo, v tem primeru svetlobna hitrost in resničen - delci in njihove lastnosti v resnici obstajajo, četudi jih nihče ne meri).
1982 je Francoz Alain Aspect prvič v laboratoriju preveril eno izmed Bellovih neenakosti za kvantno mehaniko in sicer lokalnost - in izkazalo se je, da svet na nivoju delcev ni lokalen!
2003 je Američan Anthony Leggett prišel na idejo, kako preveriti drugo Bellovo neenakost in sicer realnost.
2007 huda glavica iz Dunajske Univerze Anton Zeliinger naredi eksperiment na osnovi Leggetove ideje in ugotovi da v kvantni mehaniki pade tudi realnost (
An experimental test of non-local realism, Zeilinger et al, Nature, 2007) - kar nakazuje, da v resnici ne obstaja realnost, neodvisna od meritev! (btw. Zellinger se ukvarja z zelo utrgano zadevo, povezano s kvantno prepletenostjo - kvantno teleportacijo)
Kaj hudiča sedaj vse to dejansko pomeni?! - odgovor je, da nihče ne ve! Ja, kvatna mehanika je stara že sto let, stvar je v tem, da so se zdaj fiziki počasi začeli spraševati, kaj kvantna mehanika pravzaprav pomeni - se pravi, začeli so filozofirati :) Za zanimiv uvod v "kvantno realnost" si preberite
tole.
Pravzaprav je to krasno, kajti prav živo se spomnem, da nas je na faksu profesor, ki je predaval strukturo atomov in molekul, vehementno zavračal o "globjih" vprašanjih, ki jih poraja kvantna mehanika s tem, da je to samo matematični abstrakt in da nima smisla, da si poskušamo na podlagi tega predstavljati, kako v resnici izgleda svet na nivoju delcev. Dejansko ga je moj sošolec nekoč pobaral o kvantni prepletenosti in profesor mu je tedaj odvrnil, da to sploh ne obstaja! No, zdaj vem, da je bil naš prfoks privrženec Kopenhagenske interpretacije :) Stara šola torej. Prav radi bi ga sedaj srečal in vprašal, kaj si misli o zadnjih eksperimentih s področja kvantne prepletenosti...
