Kvantinis keistumas: mūšis dėl tikrovės

Iš pradžių tai atrodo, kaip paprastas veidrodis. Bet jis toks nėra. Jis pusiau atspindintis. Pusė į jį krintančios šviesos atspindima. Kita pusė pereina kiaurai.

Tai nėra savaime neįprasta. Panašų efektą regite kaskart žvelgdami per langą ir matydami kambario, kuriame sėdite, dalinį atspindį. Specialūs spindulio dalinimo veidrodžiai yra bet kurio telesuflerio dalis, kurią galite nusipirkti internete ir tam netgi nereikės eiti plėšti banko.

Keista tai, ką jie daro su atskirais fotonais. Pažvelkite gerai ir šie stiklai gali sunaikinti patį jūsų tikrovės supratimą. Jie gali sukelti abejones tuo, kur ar netgi kas jūs esate ir paklibinti įsitikinimą pačiu savo egzistavimu. Taip pat jie gali taip iškreipti jūsų priežasties ir pasekmės supratimą, kad imsite abejoti, ar dėl to reikia kaltinti jus, o ne veidrodį. Klausimas yra ar mokslas pasiekė bent kiek toliau, nei tai, kas nutinka su pusiau atspindinčiu veidrodžiu. „Nemanau,“ sako Terry'is Rudolphas, ICL fizikas.

Kaltininkė, kaip jau įprasta, kai užklumpa abejonės ir užgriūva egzistencinė baimė, yra kvantų teorija. Kvantų teorija kol kas yra mūsų geriausias bandymas pateikti vaizdą medžiagiškos tikrovės veikimo pačiu smulkiausiu masteliu, o jos spėjimus bandymai vėl ir vėl patvirtina. Tačiau jos aprašoma tikrovė atrodo turinti mažai ką bendro su… na, tikrove.

Pirmiausia, kvantinė realybė yra nemaloniai atsitiktinė. Paimkime ko nors akivaizdžiai realaus, kaip mes, atomą. Pagal kvantų teoriją, atskiri atomai niekada nebūna griežtai apibrėžtoje vienoje vietoje. Tėra tam tikra tikimybė rasti atomą taške X ir kitokia tikimybė surasti jį taške Y ir dar kitokia – taške Z. Kol neklausiate, kur jis yra, atomas egzistuoja visų įmanomų būti vietų „superpozicijoje“. Paklauskite – atlikite matavimą – ir atomas pasirodys esantis kažkur, bet nebūtinai gebėsite tą vietą nuspėti iš anksto.

Šis keistumas pasiekia apogėjų su pusiau atspindinčiu veidrodžiu. Nukreipkime šviesą į veidrodį tam tikru būdu ir pasidalins ne tik pats šviesos spindulys, bet ir atskiri fotonai. Jie iš esmės tampa dviem fotonais. Vienas iš jų pereina veidrodį, o kitas atspindimas.

Kiekvienas iš šių fotonų turi konkrečias savybes, tarkime, sukinį – kvantinės mechanikos dydį, kurį galima įsivaizduoti kaip sukimąsi erdvėje. Bet nutarus išmatuoti sukinius vieną po kito, nutinka kai kas labai neįprasto. Galima tai kartoti vėl ir vėl, kaskart matuojant du sukinius skirtingų dalykų atžvilgiu – laboratorijos grindų, lauke vyraujančio vėjo kryptimi, ar krypties, kuria lubomis tipena musė. Po kurio laiko nugara nubėga šiurpuliukai. Paaiškėja, kad kaskart antrojo matavimo reikšmė priklauso nuo to, kaip pasirinkta matuoti pirmojo fotono sukinį.

Įprasta, klasikinė tikrovės koncepcija to paaiškinti negali. Tai yra susietumas: kvantinių objektų gebėjimas akivaizdžiai veikti vienas kito savybes būnant atskirtiems, netgi dideliu atstumu. Einšteino žodžiais tariant, keistas veikimas per atstumą.

Maga pagalbos ieškoti kokiame nors „normaliame“ fizikiniame paaiškinime, kaip tai darė Einšteinas ir taip išlaikyti įprastą tikrovės supratimą. Turi būti kažkokia neaptikta, tarp dviejų fotonų skriejanti įtaka. Jie turi paleisti kažką fiziško, kad informuotų kitą apie atliktus matavimus.

Kokia bebūtų tos įtakos forma – fotonas, kokia nors kita sąveikos dalelė ar gal banga? – galima spėti, kad ji nekeliaus greičiau už šviesą. Dėl Einšteino reliatyvumo, tai visada laikoma fundamentalia greičio riba bet kokiai visata skriejančiai naudingai informacijai. Ši greičio riba apsaugo nuo visokiausių nemalonių pasekmių. „Įvyktų keistų situacijų, keistų priežastingumo pažeidimų, jei signalai galėtų skrieti greičiau už šviesą,“ sako Rudolphas. Bet koks greitesnis už šviesą kanalas galėtų būti panaudotas piktavalių žmonių: būtų galima juo siųsti informaciją atgal į praeitį. Jei būtų pažeidžiamas reliatyvistinis priežastingumas, galėtume visi tapti loterijų milijonieriais.

Ne tokią keistą, paklūstančią reliatyvumui paslėptą fizinę įtaką galima gana nesunkiai patikrinti. Pirmiausia atskiriame du susietus fotonus didžiuliu atstumu. Antrasis fotonas pasiunčiamas tolyn – tarkime, į Tarptautinė kosmoso stotį (TKS) – su instrukcijomis atlikti matavimus tiksliai nustatytu laiku. Akimirką iki matavimo, išmatuojamas pirmasis fotonas. Suderinus laiką, jokiai įtakai nepakaktų laiko nukeliauti tarp jų, netgi šviesos greičiu.

Suplaktas ir išmaišytas

Kol kas niekas dar neatliko TKS testo, bet daug kartų panašūs bandymai buvo atlikti Žemėje. Kiekvieną kartą, kai atkeliauja pranešimas apie antrąjį matavimą, keistoji įtaka jau būna pajusta. Antrasis fotonas reaguoja į matavimu taip, lyg žinodamas, kas nutiko pirmajam. Nicolaso Gisino ir jo kolegų iš Ženevos universiteto Šveicarijoje 2008-aisiais metais atlikti eksperimentai parodė, kad bet kokia keista įtaka, keliaujanti 18 kilometrų optiniu kabeliu, turi keliauti mažiausiai 10 000 kartų greičiau už šviesą (Nature, vol 454, p 861). Eksperimentai taip pat atlikti su signalu, keliaujančiu per šimtus kilometrų oru rodo panašius rezultatus ir brandinami ambicingi planai pakartoti juos kosmose.

Tad, kas mums lieka? Tikriausiai sukrėsti šių keistų pasakojimų apie nepaaiškinamas koreliacijas, galite būti išprovokuoti priimti kitą paaiškinimą, kad ir koks neįtikėtinas jis būtų iš pirmo žvilgsnio. Reliatyvumas draudžia įtakos sklidimą didesniu už šviesą greičiu tik tada, kai ji neša informaciją. O kas, jei kažkoks nežinomas fizikams reiškinys gali pažeisti reliatyvumą, sujungti dvi susietas daleles, tačiau neturėti jokios informacijos?

Dar mažiau nutuokiame, kaip tokia įtaka gali atrodyti. Gali būti, kad tai nesvarbu: nuo pernai šis atsitraukimo į normalumą kelias irgi užblokuotas. Kartu su Gisinu ir kitais, Jean-Danielis Bancalas Ženevos universitete išsiaiškino, kas nutiktų tinkle iš keturių siuntėjų ir gavėjų, galinčių sinchronizuoti savo susietų fotonų matavimus. Šioje teorinėje situacijoje įtaka galėtų būti perduodama erdvėlaikiu kokiu tik nori greičiu, jei tik neturėtų jokios informacijos.

Ir jai nepavyko atkurti realybės. Joks fizikinis mechanizmas negalėtų sukurti eksperimente stebėtų kvantinių koreliacijų, nebent paslėptos tinklo įtakos informaciją gali siųsti irgi greičiau už šviesą (Nature Physics, vol 8, p 867). Jei pasitikime reliatyvumu, iškyla problema. „Jis dar keistesnis, nei manėme,“ sako Bancalas. „Stengiesi surasti šių koreliacijų priežastis, bet kažkokiu būdu jų čia tiesiog nėra.“

Gisino išvados dar tiesmukesnės. Jam tai reiškia, kad realybės matmenys, kuriuose judame, iš principo negali paaiškinti fundamentalesnės kvantinės realybės. „Erdvė ir laikas negali mums papasakoti kaip atsitinka koreliacijos,“ sako jis. „Turi egzistuoti kažkokia realybė už erdvės ir laiko ribų.“

Nebent mes kažką fundamentalaus suprantame neteisingai. Reliatyvumo pažeidimai verčia mus susiraukti, kadangi jie pažeidžia priežastingumą. Mes, žmonės We humans are suckers for causal order, looking back in time to trace the cause of any event. Netgi dar svarbiau, esame visiški deterministai, lengvabūdiškai manantys, kad kiekvienas įvykis turi turėti priežastį. Tai visai gerai veikia mūsų didelio mastelio kasdieniniame pasaulyje, bet kai kai kalba pasisuka apie už viso to stovinčią kvantinę realybę, ar begalime būti tokie užtikrinti?

Teoretikas Caslavas Brukneris ir jo kolegos Vienos universitete Austrijoje neseniai nusprendė ištirti, ar kvantų sistemos teoriškai paklūsta tiems patiems priežasties dėsniams, kaip ir mes visi. Jie pradėjo nuo klasikinės situacijos, kai du susieti fotonai atskiriami ir matuojami dviejų nepriklausomų stebėtojų, Alice'os ir Bobo. Tik Brukneris ir jo komanda dar pridėjo kvantų neužtikrintumą, principą, fundamentaliai ribojantį iš kvantinės sistemos galimos gauti informacijos kiekį – taip pat ir informaciją apie laiką.

Brukneris apibūdina jų atrastą scenarijų taip, lyg Alice'a įeitų į kambarį ir rastų Bobo parašytą žinutę. Ji ištrina žinutę ir parašo atsakymą – tada ateina Bobas parašyti pirmosios žinutės, į kurią Alice'a jau atrašė. Iš esmės, lygiai, kaip kvantinės dalelės gali būti dviejose ar daugiau vietų tuo pačiu metu, atrodo, tos dalelės gali būti ir dviejuose ar daugiau laiko momentų. Tokia sistema tuo pačiu metu gali būti būsenoje „Alice'a atėjo į kambarį prieš Bobą“ ir „Bobas atėjo į kambarį prieų Alice'ą“. „Negalime pasakyti, ar Alice'os matavimai įvykdyti anksčiau už Bobo matavimus, ar atvirkščiai,“ sako Brukneris (Nature Communications, vol 3, p 1092).

Brukneris jau mąsto, kaip būtų galima patikrinti šių teorinių skaičiavimų rezultatus eksperimentiškai, tačiau tai nebus lengva, pastebi jis. Žinant delikačią kvantinių būsenų prigimtį, bet kokie bandymai išmatuoti priežastinės sekos kvantų mechanikos superpoziciją, tą superpoziciją sunaikina ir ji kolapsuoja į apibrėžtą priežastinę seką.

Tačiau netgi be eksperimentinio patvirtinimo jis mano, kad išvada aiški. „Priežastinė seka nėra fundamentali gamtos savybė,“ sako jis. Priežastingumas atstatomas tik tada, kai eksperimento parametrai pareguliuojami taip, kad dalelės būtų mažiau susietos ir elgiasi panašiai, kaip pažįstamos, klasikinės dalelės. Tai veda jį panašia kryptimi, kaip ir Gisiną. Gyvename erdvėlaikyje ir juntame jame priežastinį ryšį, tačiau kvantų teorijoje priežastinė seka, panašu, nėra fundamentali. Jei pripažįstame kvantų teoriją kaip fundamentaliausią turimą tikrovės aprašymą, tai reiškia, kad pats erdvėlaikis nėra fundamentalus, o kyla iš gilesnės, kol kas nepažintos kvantinės tikrovės.

Spontaniška visata

Tai yra, jei priimsime kvantų teoriją. Visa kvantų teorijos keliama netvarka godotinose realybės, reliatyvumo ir priežastingumo sąvokose kelia natūralų klausimą: gal kvantų teorija pati ir yra problema? Gal visos jos sėkmės, visas atsitiktinumas, neužtikrintumas ir keistas veikimas kyla tik todėl, kad kvantų mechanika nėra išbaigta. Ar bent jau dabartinis jos formulavimas paprasčiausiai nesuteikia visos informacijos, kurios reikia, norint paaiškinti, kodėl dalykai yra tokie, kokie yra. Galima išvesti analogiją su termodinamikos dėsniais. Jie suteikia paprastą, aukšto lygio paaiškinimą apie daiktų veikimą – šiluma visada eina iš šiltesnės vietos į šaltesnę, – tačiau nieko nesako apie individualių atomų dinamiką, dėl kurios tai ir vyksta.

Siekdami ištirti šią galimybę, Rogeris Colbeckas ir Renato'as Renneris iš Šveicarijos Federalinio technologijos instituto (ETH) Ciuriche, pažiūrėjo, kas nutiktų klasikiniuose Alice'os ir Bobo tipo eksperimentuose, jeigu juos pagrindžianti teorija pateiktų papildomą laisvai pasirenkamą kiekį informacijos apie dviejų susietų dalelių koreliaciją. Ar tada matavimų rezultatai atrodytų ne tokie atsitiktiniai ir nenuspėjami?

Trumpai tariant – ne. Bet kurioje situacijoje, kur Alice'a ir Bobas gali nepriklausomai pasirinkti savo dalelių matavimų tipą, papildoma informacija nepatikslina spėjimų apie eksperimentų baigtį labiau, nei naudojant kvantų teoriją. Panašu, paslaptingasis kvantų teorijos nenuspėjamumas neturi nieko bendro su informacijos trūkumu.

„Atsitiktinumas yra įgimtas,“ sako Colbeckas. Giliai viduje visata yra spontaniška. Fundamentaliai, nėra priežasties, kodėl kvantinės dalelės turi tokias savybes, kokias turi: nėra paslėptos įtakos, nėra geležyje iškaltos priežasties ir pasekmės, nėra trūkstamos informacijos. Dalykai yra tiesiog tokie; jokio paaiškinimo nėra.

„Kai kuriuos žmones tai labai slegia,“ sako Colbeckas. Iš tiesų, taip slegia, kad verčia juos kvestionuoti netgi dar fundamentalesnį tikrovės ir mūsų santykio su ja suvokimą. Jis glūdi tame, kaip atliekami daugelio kvantinės realybės ir kvantinių matavimų tyrėjų, tarp kurių ir Colbeckas bei Renneris, matavimai. Prisiminkime pirmąjį eksperimentą, su fotonais ir pusiau atspindinčiu veidrodžiu. Norint išmatuoti fotonų sukinius, pirma reikia pasirinkti, kieno atžvilgiu juo matuosime – laboratorijos, vėjo, musės ant lubų. Jūsų pasirinkimas veikia matavimo baigtį. O kas, jei tai iš tiesų ne jūsų pasirinkimas? Kas, jei kažkas kita vedė jūsų ranką, versdama jus atlikti eksperimentus taip, kad visada pasirodytų koreliacija?

Savo pačių pančiuose

Čia pereiname į žmogaus laisvos valios sritį, slidžią teritoriją, kur filosofų paprastai daugiau, nei fizikų. Tai skamba šiek tiek beprotiškai, tačiau kai kurie rimti fizikai mano, kad laisvos valios nebuvimas – kad dalyvaujame savotiškame kosminiame lėlių teatre – gali būti geriausias būdas išsivaduoti iš visų kvantinių koreliacijų implikuojamų reliatyvumo keistumų ir priežastingumo.

Pavyzdžiui, Nobelio premijos laureatui Gerard'tui Hooftui iš Utrechto universiteto Nyderlanduose, kvantinėmis koreliacijomis, paneigiančiomis erdvės ir laiko supratimą, patikėti sunku. Jis mano, kad atsakymas gali glūdėti kraštutinėje determinizmo formoje, kai žmogaus protas turi nustatytą pasirinkimų trajektoriją, tarkime, kieno atžvilgiu vykdyti kvantinius matavimus, nuo kurios negali nukrypti.

Kitiems tai daro mažesnį įspūdį. „Sąmoksliškų koreliacijų tarp visų smegenų, matavimo instrumentų ir subatominių dalelių visatoje pasitelkimas tam, kad kvantų mechanika „atrodytų“ tiesa, yra daug keistesnis, nei dalykai, kuriuos ji stengiasi paaiškinti,“ sako Scottas Aaronsonas, kvantų fizikas iš MIT. Iš esmės, sako jis, tėra mažas skirtumas tarp tokių dalykų ir antžmogiškos dievybės pasitelkimo.

Rudolphas atsakymo neturi – kaip ir niekas kitas. Bet jis mano, kad problema glūdi tame, jog tebesame beviltiškai antropocentriški. Augantis neatitikimas tarp mūsų įprasto pasaulio patirties ir kvantinių eksperimentų rezultatų, sako jis, paprasčiausiai yra moderni versija vis sudėtingesnių epiciklų, kuriuos Ptolemėjas ir jo pasekėjai naudojo dangaus kūnų judėjimui paaiškinti. Tada problema buvo ta, kad galėjome matyti tik besisukančias apie Žemę planetas; prireikė Koperniko požiūrio taško ir staiga viskas tapo paprasta ir aišku.

Galbūt sukūrėme tokias teorijas, kaip reliatyvumo ir kvantų teoriją su panašiai ribotu požiūriu, šį kartą apribotu erdvės ir laiko pojūčio kuris niekur kitur, išskyrus mus, gali nė neegzistuoti. „Mes galvojame, kad laikas ir padėtis yra tokie svarbūs kintamieji pasaulio apibūdinimui, nes vystėmės jų pajutimui,“ sako Rudolphas. „Tačiau kas čia bevyktų, nepanašu, kad nors kiek dėl to jaudintųsi.“

Tai štai. Kai šviesa krenta į tą pusiau atspindintį veidrodį, tai, ką matome, nelabai yra atspindžiu pasaulio, kokį mes jį norėtume matyti. Realybė, reliatyvumas, priežastingumas, laisva valia, erdvė ir laikas: jie negali būti visi teisūs. Bet kuris klaidingas?

Michael Brooks
New Scientist, № 2928