Albertui Einšteinui tai nepatiktų: eksperimentu įrodytas kvantinis visatos keistumas

Viso pasaulio fizikų komandos rungėsi ilgus dešimtmečius, bandydamos užbaigti šį eksperimentą. Ir dabar Ronaldo Hansono iš Delfto Technologijų universiteto vadovaujamai komandai tai galiausiai pavyko. „Tai labai gražus ir tikslus eksperimentas ir galima tik pasveikinti grupę su tuo,“ sako Antonas Zeilingeris, vienos iš konkuruojančių, Vienos (Austrija) universiteto komandos vadovas. „Labai gerai atlikta."

Norėdami suprasti, ką Hansonas su kolegomis atliko, turime grįžti į XX a. ketvirtąjį dešimtmetį, kai fizikai bandė susitaikyti su keistomis besirandančios kvantų mechanikos prognozėmis. Teorija rodė, kad dalelės gali tapti susietos taip, kad vienos išmatavimas iš karto paveiktų kitos matavimus, net jeigu jos būt toli viena nuo kitos. Einšteinas pavadino tai „baugiu veikimu per atstumą“, nepatenkintas iš to kylančiomis implikacijomis, kad dalelės gali bendrauti greičiau, nei tarp jų galėtų sklisti koks nors signalas.

Negana to, remiantis teorija, dalelės savybės užfiksuojamos tik tada, kai išmatuojamos, o iki tol egzistuoja miglotame tikimybių debesyje.

Nesąmonė, sakė Einšteinas, teigęs, kad Dievas nežaidžia kauliukais su visata. Jį ir kitus vedė lokalaus realizmo principas, kuris teigia, kad įtaką vienas kitam gali daryti tik šalimais esantys objektai ir kad visata yra „tikra“ – mūsų stebėjimas nekristalizuoja jos iš tikimybių į realybę. Jie teigė, kad kvantų mechanika (KM) nėra išsami, ir kažkokiame gilesniame tikrovės lygyje egzistuojantys „paslėpti kintamieji“ gali paaiškinti teorijos teorijos keistumą.

Iš kitos pusės, tokie fizikai, kaip Nielsas Bohras įtikinėjo, kad tiesiog turime priimti naująją kvantinę realybę, kadangi ji paaiškina problemas, su kuriomis klasikinės šviesos ir energijos teorijos susitvarkyt negali.

Išbandykime

Debatai Bohro pusėn pasislinko tik septintajame XX a. dešimtmetyje, Johno Bello, CERN fiziko dėka. Jis suprato, kad, jei tikėsime lokaliu realizmu, turi būti dviejų dalelių savybių susiejimo riba. Tad, jis suformulavo iš šios įžvalgos matematinį reiškinį, nelygybę. Jei testai parodytų, kad ryšys tarp dalelių viršija jo nustatytą ribą, lokalusis realizmas prieitų liepto galą.

„Tai yra Bello nelygybės magija,“ sako Zeilingerio kolega Johannesas Kofleris. „Ji kone grynai filosofinį dalyką, kur niekas nežinojo, kaip apsispręsti tarp dviejų pozicijų, pavertė dalyku, kurį galima patikrinti eksperimentiškai.“

Ir jie atliko bandymą. Eksperimentai Bello nelygybės neatitiko dešimtmečius ir dauguma fizikų mano, kad Einšteino lokalaus realizmo pažiūros buvo klaidingos. Bet abejonės liko. Visuose ankstesniuose bandymuose būta potencialių landų, galinčių suteikti Einšteino stovyklai vėl iškilti.

„Lokalaus realizmo supratimas yra taip giliai įsišaknijęs kasdieniame mūsų, netgi fizikų, mąstyme, kad yra labai svarbu galutinai užverti visas landas,“ pažymi Zeilingeris.

Landų derinimas

Tipiškas Bello bandymas prasideda nuo fotonų šaltinio, kuris du juos paleidžia tuo pat metu skirtingomis kryptimis link dviejų laukiančių detektorių, kuriuos valdo hipotetinė pora, įprastai vadinama Alisa ir Bobu. Pora nepriklausomai pasirenka savo detektorių nustatymus taip, kad per juos galėtų pereiti tik tam tikrų savybių fotonai. Jei pagal KM fotonai yra susieti, jie veiks vienas kitą ir pakartotiniai bandymai parodys tvirtesnį ryšį tarp Alisos ir Bobo matavimų, nei leidžia lokalusis realizmas.

Bet kas, jeigu Alisa ir Bobas perduoda neregimus signalus – tarkime, per Einšteino gilesnį paslėptą realybės sluoksnį – kuriais vienas detektorius gali bendrauti su kitu? Tada nebūtų galima tikriems, kad dalelės iš tiesų veikia viena kitą be uždelsimo, baugiuoju kvantinės mechanikos būdu – vietoje to, detektoriai gali būti slapčia susiję, ir keisti savo matavimus. Tai vadinama lokalumo landa, ir ją galima užtaisyti, išdėsčius detektorius pakankamai toli vieną nuo kito, kad iki matavimų pabaigos nebūtų laiko signalui nukeliauti. Anksčiau Zeilingeris ir kiti būtent tai ir padarė, leisdami fotonus tarp dviejų Kanarų salų, nutolusių vien nuo kitos per 144 km.

Bet užtaisus vieną landą, atsiveria kita. Bello testas remiasi iš pakartotinių eksperimentų sudarytu statistiniu paveikslu, tad, jeigu įranga negauna pakankamai fotonų, nieko nesigauna. Kiti eksperimentai užvėrė šią aptikimo landą, bet kuo toliau vienas nuo kito detektoriai, tuo blogiau, nes pakeliui fotonai gali pasimesti. Taigi, atstumo tarp detektorių didinimas, siekiant užverti lokalumo skylę, pradeda platinti aptikimo landą.

„Tarp šių dalykų yra kompromisas,“ sako Kofler. Tai reiškė, kad užkietėję lokalaus realizmo šalininkai visada turėjo paneigti ankstesnius eksperimentus – iki šiol.

„Mūsų eksperimentas realizuoja pirmąjį Bello testą, kuris tuo pat metu išsprendžia tiek aptikimo, tiek ir lokalumo landą,“ rašo Hansono komanda tyrimą aprašančiame dokumente. Hansonas atsisakė duoti interviu, nes šis darbas dabar recenzuojamas publikavimui žurnale.

Susieti deimantai

Šiame eksperimente Alisa ir Bobas sėdi vienas nuo kito dviejose laboratorijose 1,3 km atstumu. Šviesa tokį atstumą įveikia per 4,27 µs, o jų išmatavimas trunka tik 3,7 µs, tad jie yra pakankamai toli, kad būtų užverta lokalumo landa.

Abiejose laboratorijose yra po deimantą, kuriame yra elektronas, turintis savybę, vadinamą sukiniu (spinu). Komanda paveikia deimantą atsitiktinai sukurtu mikrobangų impulsais. Tai priverčia juos išspinduliuoti fotoną, susietą su elektrono sukiniu. Tada šie fotonai siunčiami į trečią vietą, C, tarp Alisos ir Bobo, kur kitas detektorius užfiksuoja jų atskriejimo laiką.

Jei fotonai iš Alisos ir Bobo atkeliauja lygiai tuo pačiu metu, jie savo susiejimą perduoda sukiniams kiekviename deimante. Taigi, elektronai yra susiejami dviejų laboratorijų atstumu – būtent to reikia Bello bandymui. Be to, elektronų sukinys nuolat stebimas, ir detektoriai yra pakankamai aukštos kokybės, kad užvertų aptikimo landą.

Bet blogai, kad į C atkeliavę du fotonai retai sutampa – vos keletas atvejų per valandą. Komanda atliko 245 matavimus, taigi užtruko ilgai. „Tai išties buvo labai sunikus eksperimentas,“ sako Kofleris.

Rezultatas buvo aiškus: laboratorijos aptiko daugiau stipriai koreliuojančių spinų, nei galima pagal lokalųjį realizmą. Keistasis kvantų mechanikos pasaulis yra mūsų pasaulis.

„Jei jiems pavyko, tai be jokių abejonių jie atliko įspūdingą eksperimentą,“ sako Sandu Popescu iš Bristolio universiteto, JK. Bet jis pabrėžia, kad tokio rezultato dauguma žmonių ir tikėjosi – „Negalėčiau pasakyti, kad visi sulaikę kvėpavimą, laukė, kas nutiks.“ Svarbu, kad tokie eksperimentai skatina naujų kvantinių technologijų raidą, sako jis.

Viena iš svarbiausių dabar naudojamų kvantinių technologijų yra kvantinė kriptografija. Absoliutų saugumą garantuojantys duomenų tinklai, naudojantys keistas kvantų pasaulio savybes, kuriasi visame pasaulyje, bet landos yra potencialios klaidos fizikos dėsniuose, kuriomis galėtų pasinaudoti hakeriai. „Bell testai yra saugumo garantas," sako Kofleris. Galima sakyti, Hanono komanda užlopė visatą.

Pasirinkimo laisvė

Norint, dar galima prie rezultatų prisikabinti. Eksperimentas buvo toks sunkus, kad p reikšmė – statistinio reikšmingumo rodiklis – buvo santykinai aukštas, kaip fizikos darbui. Kiti mokslai, tarkime, biologija, paprastai priima mažesnę, nei 5% p reikšmę kaip reikšmingą rezultatą, bet fizikai linkę į milijonus kartų mažesnes reikšmes, o tai reiškia, kad rezultatai yra statistiškai tvirtesni. Hansono grupė pranešė, kad p yra ~4%, kiek žemiau už aukštesnįjį slenkstį.

Tai pernelyg didelio nerimo nekelia, sako Zeilingeris. „Tikiuosi, jei patobulins savo eksperimentą, ir kai darbas bus paskelbtas, turės geresnius duomenis,“ įsitikinęs jis. „Nėra abejonės, kad jis atlaikys patikrinimą.“

Yra dar viena landa lokalaus realizmo šalininkams, bet jos negali užtaisyti jokie eksperimentai. Kas, jei yra kažkoks ryšys tarp atsitiktinių mikrobangų generatorių ir detektorių? Tada Allisa ir Bobas gali manyti, kad laisvai pasirenka savo įrangos nustatymus, bet paslėpti kintamieji trukdo jų pasirinkimą ir iškreipia Bello testą.

Hansono komanda pastebi, kad tai yra galimybė, bet taria, kad taip nėra. Zeilingerio eksperimentas bando susitvarkyti su pasirinkimo laisvės landa, atskirdamas atsitiktinių skaičių generatorius ir detektorius, tuo tarpu kiti yra siūlę atsitiktinių skaičių generavimui naudoti fotonus iš tolimų kvazarų, kad atskyrimo laikas būtų milijardai metų.

Ilgoje perspektyvoje tai nepadeda. Tarkime, kad visata yra visiškai iš anksto apibrėžta, kiekvieno fotono virpėjimas nekintamas nuo neatmenamų laikų. Tokiu atveju, niekas niekados negalėtų nieko rinktis. „Pasirinkimo laisvės landa niekada nebus visiškai užtaisyta,“ sako Kofleris. Todėl iš tiesų eksperimentatoriams neverta dėl to jaudintis – jei visata iš anksto apibrėžta, visiškas laisvos valios nebuvimas reikštų, kad turime svarbesnių reikalų.

Ką su naujaisiais rezultatais būtų nuveikęs Einšteinas? Deja, jis mirė anksčiau, nei Bellas pasiūlė savo nelygybę, tad nežinia, ar tolesnė raida būtų pakeitusi jo nuomonę, bet jis tikriausiai būtų sužavėtas žmonių pastangomis įrodyti jo neteisumą. „Daug duočiau, kad galėčiau sužinoti, kokia būtų jo reakcija,“ sako Zeilingeris. „Manau, tai jam padarytų didžiulį įspūdį.“

Žurnalo nuoroda: arxiv.org/abs/1508.05949v1

Jacob Aron
New Scientist