Kvantinė teorija teigia, kad daiktai neegzistuoja, kol į juos nežiūrime. Bet keisčiausi eksperimentai prikelia seniai išjuoktą alternatyvą.

1951 metų spalį, fizikas Davidas Bohmas iš JAV išvyko į Braziliją. Simpatizuojantis komunistams mokslininkas buvo areštuotas už atsisakymą liudyti JAV Kongrese. Nors ir išteisintas, neteko profesūros Princetono universitete. Jo išvyka virto tremtimi iki pat mirties po keturių dešimtmečių, jau kaip natūralizuoto Britanijos piliečio.

Gimtus kraštus paliekančio Bohmo puoselėta teorija teigiamai nebuvo vertinama dar ilgiau. Iš dalies, tai – politikos klausimas. Bet jo idėjos atrodė nepriimtinos ir moksliškai. Bohmas kėlė idėją, kad yra paslėpta kvantinės teorijos realybė, tai yra, kad jos beprotiškos prognozės, jog pasaulis neegzistuoja, kol į jį nepažvelgiame, būtent tokios ir yra: beprotiškos.

Tada tai nesutapo su vyraujančiu požiūriu, nesutampa ir dabar. Bet po daugiau nei šešių dešimtmečių, naujuose eksperimentuose aptinkant užuominas, į Bohmo idėjas vėl įsiklausoma. O jei taip, tada gali būti lengviau suprasti kai kuriuos tikrovės aspektus, nors kiti taptų sunkiau virškinami. Pamirškite standartines kvantines keistenybes – Bohmo atskleistas pasaulis yra tvirčiau ir paslaptingiau susaistytas, nei kada įsivaizdavome.

Teigti, kad tikrovė yra reali ne visada rodė prastą skonį. Prieš atsirandant kvantinei fizikai, mūsų supratimą valdė klasikinės teorijos, kuriose tikrovė egzistuoja, nepaisant to, stebi ją kas nors ar ne. Tarkime, Niutono judėjimo dėsniai teigia, kad gyvename sustyguotame, deterministiniame pasaulyje, kuriame viskas tiksliai apibrėžta, vyksta nuspėjamai ir nepriklausomai nuo to, ką veikiame patys.

Nauja teorija horizonte pasirodė 1905 metais, Albertui Einsteinui parodžius, kad fotoelektrinis efektas, kai apšvietus tam tikrus metalus, šie išlaisvina elektronus, gali būti paaiškintas tik jeigu šviesą sudaro kvantinės dalelės – fotonai.

Mat tuo metu vyravo požiūris, kad šviesa yra banga. XIX amžiaus pradžioje Thomasas Youngas atliko dabar jau klasikinio dviejų plyšių eksperimento, kai šviesa sklinda per du lygiagrečius plyšelius, versiją. Ekrane susiformuoja interferencinis vaizdas, kurį sudaro per plyšius sklindančios bangos – jei šviesą sudaro atskiros dalelės, tai, atrodytų, neįmanoma.

Tai kas ji tada – dalelė ar šviesa? Abu, kaip patvirtino Youngo eksperimento versijos. Juose naudota tokia blanki šviesa, kad per dvigubą plyšį vienu metu sklinda tik vienas fotonas. Kiekvienas fotonas ekrane palieka dėmelę, regis, atsitiktinėje vietoje. Tačiau ilgainiui paaiškėja, kad šios vietos nėra atsitiktinės; besikaupdamos jos suformuoja interferencinį vaizdą, rodantį, lyg kiekvienas per plyšį sklidęs fotonas sklido per abu plyšius ir interferavo su savimi pačiu.

„Realybės prigimtis sudėtinga, bet tai toli gražu nereiškia, kad ji neegzistuoja”

Tačiau bandant pasekti fotono kelią per vieną ar kitą plyšį, interferencijos vaizdas dingsta. Atrodo, šviesos prigimtis ne tik fundamentaliai dvejopa, bet ir jos pasireiškimą apsprendžia tai, ką pasirenkame matuoti. Ir, kaip 1924 metais parodė jaunas prancūzas fizikas Louis de Broglie, tai būdinga ne vien šviesai. Netrukus eksperimentais buvo patvirtinta, kad tokia dvejopa prigimtis būdinga visoms materialią tikrovę sudarančioms dalelėms.

Išsiaiškinimas, kad tikroji realybė sunkiau apčiuopiama, toli gražu nereiškia, kad ji neegzistuoja, kai į ją nežiūrime. Šioje – pagal Danijos sostinėse, kur ji ir buvo suformuluota, pavadinimą – Kopenhagos interpretacijoje, kvantiniai objektai aprašomi matematine bangos funkcija, kuria remdamiesi, galime sudaryti tikimybines prognozes, ką, atlikdami matavimus, aptiksime. Tik išmatuota, ši bangos funkcija „kolapsuoja“, pateikdama erdvėje ir laike apibrėžtą rezultatą. Kopenhagos interpretacijos pionieriaus Wernerio Heisenbergo žodžiais tariant, „objektyvaus realaus pasaulio idėja, kurios mažiausios dalelės objektyviai egzistuoja taip pat, kaip akmenys ar medžiai, nepriklausomai, stebime jus ar ne… yra neįmanoma“. Toks požiūris dominuoja iki šiol.

Visgi tai nėra vienintelė įmanoma interferencija (žr. „Daug kvantinės teorijos pavidalų“). De Broglie pasiūlė kitą: dalelės yra tikros ir turi lygiai tokias pat tikras su jomis siejamas bangas. Tokiu būdu, dalelei praėjus vieną iš dviejų plyšių, jos „pilotinė“ banga sklinda per abi, interferuoja su pačia savimi ir nukreipia dalelę į konkrečia ekrano vietą.

Savo idėją De Broglie pateikė 1927 metais Briuselyje vykusioje Solvay konferencijoje, legendiniame ankstyvųjų kvantinės fizikos grandų susitikime. Tačiau teorijos matematiškai nepagrindė, todėl ji, švelniai tariant, furoro nesukėlė. De Broglie tyliai idėjos atsisakė, ir tapo Kopenhagos interpretacijos šalininku.

Kai praėjusio amžiaus šeštojo dešimtmečio pradžioje Davidas Bohmas išvystė matematiškai tvirtą teoriją, kurioje identiška bangos funkcijai banga nukreipia daleles, apie de Broglie'io darbą jis nežinojo. „Ši banga yra pilotinė banga,“ sako fizikas Sheldonas Goldsteinas iš Rutgers universiteto Naujajame Džersyje, „Ji diriguoja dalelių judėjimui.“

Bohm'o teorijos prognozės tiksliai atitinka daromas standartinės kvantinės teorijos. Bet tai, kad galima numatyti tik eksperimento rezultatų tikimybes, kyla dėl informacijos apie dalelės pradinę būseną trūkumo, o ne dėl to, kad jos neegzistuoja, kai nežiūrima. Bohmo idėjos iš naujo prikėlė de Broglie'io pilotinės bangos teoriją. Jis sukūrė dviejų bangų teorija, kur kiekviena dalelė joja pilotine banga, kuri savo ruožtu sąveikauja su kita banga, kuri elgiasi kaip bangos funkcija.

Bauginama įtaka

Abi šios idėjos paaiškino ir kitą esminę kvantinio pasaulio savybę – „susietų“ kvantinių objektų savybių tarpusavio keitimą iš karto bet kokiu atstumu. Standartinė kvantinės mechanikos Kopenhagos interpretacija nepateikia jokio šio nelokalumo, ar, kaip Einsteinas menkinamai išsireiškė, „bauginamo poveikio“, paaiškinimo. Tuo tarpu alternatyviojoje teorijoje, jei dalelės susietos, jas valdo bendra pilotinė banga, ir bet kokie vienos dalelės padėties ar momento pokyčiai iškart pakeičia pilotinę bangą, kartu pakeičia visas kitas daleles. „Tas faktas, kad Bohmo mechanika yra nelokali, nėra teorijos defektas,“ sako Roderichas Tumulka, Goldsteino kolega Rutgers universitete. „Tai savybė, kurią tikroji teorija privalo turėti.“

Kitame pasaulyje Bohmo darbas galėjo būti įvertintas kaip proveržis. Bet kai idėja 1952 metais buvo publikuota, Bohmas jau buvo tremtyje. „Bohmo teorijos priėmimas didžia dalimi su tuo susijęs,“ pažymi Davidas Albertas, fizikos filosofas Kolumbijos universitete Niujorke. Nepadėjo ir tai, kad ją atmetė Einsteinas – tuomet jau garbaus amžiaus ir garsus kvantinės teorijos kritikas. Laiške Maxui Bornui, kitam kvantinės fizikos pionieriui, jis rašė: „Bohmas tiki (kaip, beje ir de Broglie'is 25 metais anksčiau), kad gali interpretuoti kvantinę teoriją deterministiškai… Man tai atrodo pernelyg pigu.“ Bohmo mechanika žengė į mokslo teorijų sutemų zonų – ne visai mirusi, bet ir gyva pavadinti liežuvis neapsiverčia.

Ten ji ir liko, neskaitant keistų atradimų, tik sumažinančių jos atgaivinimo galimybę. Pavyzdžiui, 1992 metais fizikas Marlano Scully su kolegomis iš Texaso A&M universiteto parodė, kad remiantis šia teorija, dviejų plyšių eksperimente galima išmatuoti per vieną plyšį lekiančią dalelę, bet ekrane ji atsidurs vietoje, rodančioje, kad ji skriejo per kitą plyšį. „Tersely: Bohmo trajektorijos nėra realistinės, jos siurrealistinės,“ rašė jie.

Kad kai kurie fizikai nuomonę pakeistų, prisireikė neįtikėtinų eksperimentų su tepalo lašeliais. 2005 metais Yves Couder ir Emmanuel Fort iš Paryžiuje esančio Denis Diderot universiteto susidūrė su fiziniu pilotinės bangos analogu. Jie išsiaiškino, kad jeigu milimetro dydžio silikono tepalo lašelis krenta į tokio paties tepalo vonelę, kuri vibruoja aukštyn ir žemyn, lašelis nuo paviršiaus atšoka neribotai. Ir ne tik: atšokęs pirmą kartą, jis sukurdavo bangą, su kuria susidurdavo, atšokdamas kitą kartą, kuri suteikdavo lašeliui horizontalų, ir vertikalų impulsą. Šokinėjantis lašelis imdavo klajoti po tepalo vonelę, vedamas bangos, kurią pats sukūrė ir kurią palaiko sulig kiekvienu atšokimu.

https://www.youtube.com/watch?v=WIyTZDHuarQ
Is This What Quantum Mechanics Looks Like?

Įdomu, kas nutinka šiai bangos-dalelės sistemai susidūrus su du plyšius turinčiu barjeru, esančiu milimetro dalimi po paviršiumi. Klajojantis lašelis eidavo per vieną ar kitą plyšį, tuo tarpu pilotinė banga – per abu, ir per abu plyšius perėjusi banga kitoje pusėje sudarydavo bangų struktūrą, nukreipiančią lašelį. Tyrėjai surinko 75 tokias trajektorijas, ir jų analizė parodė, kad už plyšių susidarydavo interferencija. Nors aparate vienu metu būdavo tik vienas dalelę primenantis lašelis, jo pilotinė banga versdavo jį elgtis kaip bangai. Jei tepalo bangos nematytumėme, laikui bėgant susidaręs interferencinis raštas verstų manyti, kad lašeliai ėjo per abu plyšelius (Physical Review Letters, vol 97, p 154101).

Savaime suprantama, tai tebuvo analogija, ir kitų komandų bandymai pakartoti darbą rodo, kad tariamas interferencinis vaizdas gali rastis dėl oro srovių bei netinkamos statistikos. Ne taip seniai, Johnas Bushas su kolegomis MIT atliko kruopštesnį eksperimentą, gerai uždengdami oro srovių. Ir vėl paaiškėjo, kad šokinėjantys lašeliai sukuria jas nukreipiančią pilotinę bangą – ir dar jie atrado antrą bangos dėsningumą. Sukurta apvalaus krašto ir lašelio sąveikos, lašelio vietoje susidaro struktūra, kurios savybės mėgdžioja bangos funkciją. Tai yra, lygiai kaip sudėtingesnėje de Broglie'io pilotinės bangos teorijos versijoje (Journal of Fluid Mechanics, DOI: 10.1017/jfm.2016.537).

Atlikdami šokinėjančio lašelio eksperimentą Coudero ir Busho komandos galėjo stebėti įprastai vien kvantinėms sistemoms būdingą elgesį. Pavyzdžiui, lašelių, regis, chaotiško šokinėjimo statistika neįtikėtinai primena atomų aptvare judančio elektrono judėjimo statistiką. „Dabar turime de Broglie'o pasiūlyto fizinio vaizdo makroskopinę realizaciją, ir ji demonstruoja daug tariamai nepažinių kvantinės mechanikos savybių,“ sako Bushas. „Tai velnioniškas sutapimas.“

Galbūt – bet liko problema su prieštaringomis, siurrealistinėmis dalelių trajektorijomis, kurių alternatyvioji teorija nedraudžia. Pernai Aephraimo Steinbergo ir kolegų Toronto universitete, Kanadoje, atlikta patobulinta dvigubo plyšio eksperimento versija parodė, kad gal tokios problemos nėra visai. Laikykitės, nes čia reikalai darosi išties keisti.

Visų pirma, tyrėjai sukūrė susietos poliarizacijos fotonų poras. Vienas kiekvienos poros fotonas buvo pasiųstas per dvigubą plyšį, kuris buvo sukurtas taip, kad jei fotonas poliarizuotas vertikaliai, tai sklisdavo per plyšį A, jei horizontaliai – per B. Antrasis fotonas buvo naudojamas patikrinimui: kadangi fotonai buvo susieti, pamatavus jo poliarizaciją, buvo žinoma ir per plyšius sklindančio fotono poliarizacija, tad ir per kurį plyšį jis sklido (žr. „Realiai siurrealu“).

Taip komanda galėjo apibrėžti per aparatą sklindančio, bei išmatuoti susieto bandomojo fotono poliarizaciją. Jie atliko tai su dešimtimis tūkstančių fotonų porų, ir išsiaiškino, kad vidutiniškai, fotono skriejimo per plyšį A momentu, bandomasis fotonas buvo poliarizuotas vertikaliai, kaip ir tikėtasi. Bet ant ekrano reikalai buvo daug nevienareikšmiškesni. Kai keliaujantis fotonas būdavo išmatuojamas ekrano pozicijoje, atitinkančioje sklidimą per A plyšį, bandomojo fotono poliarizacija pusę laiko būdavo horizontali – kas rodo, kad keliaujantis fotonas sklido per B plyšį. Taip buvo atskleistos atrodytų, siurrealistinės trajektorijos (Science Advances, vol 2, p e1501466).

Atgautoji realybė

Kas vyksta? Trumpai tariant, nelokalumas. Eksperimentas rodo, kad judantis fotonas nuolat keičia bandomojo fotono poliarizaciją. Pažiūrėjus į bandomąjį fotoną tuo momentu, kai judantis fotonas lekia per plyšį, jokių prieštaravimų nėra. Bet pažiūrėjus tada, kai judantis fotonas pasiekia ekraną, pusė atvejų rodo, kad poliarizacija pasikeitė. Toks lyg ir nelokalumas standartinėje kvantinėje teorijoje leidžiamas, bet ne Bohmo versijoje. Pats eksperimentas jokiu būdu nereiškia Bohmo teorijos įrodymo, bet parodo, kad jos siurrealiųjų trajektorijų prognozės negali būti panaudotos jos paneigimui.

Tad Bohmo mechanika gali ir turi likti, sako Albert. „Bet kuris realistiškas vaizdas labiau pageidaujamas už bet kurį nerealistinį,“ sako jis.

Bet užkariauti visų širdis ir protus bus nelengva. Visų pirma, Bohm mechanika suformuluota taip, kad atkartotų standartinės kvantinės mechanikos prognozes: eksperimentiškai jų atskirti praktiškai neįmanoma. Be to, teorija matematiškai aptaria tik daug lėčiau už šviesą judančias daleles. Tuo tarpu kvantinė mechanika, buvo išplėsta, kad apimtų ir reliatyvistines daleles, keliaujančias beveik šviesos greičiu, todėl formuoja kvantinės lauko teorijos ir dalelių fizikos standartinio modelio pagrindą. „Švarių, išvystytų šių dalykų Bohmo versijų nėra,“ pažymi Goldsteinas.

Fizikui ir mokslo istorikui iš MIT, Davidui Kaiseriui, tai gali būti teorijos Achilo kulnas. „Tai man kelia estetinį nerimą, nes bent jau originalusis aprašymas yra siaubingai nereliatyvistinis, anti reliatyvistinis,“ sako jis.

Goldsteinas su kolegomis nuo praėjusio amžiaus dešimtojo dešimtmečio vidurio apjungti Bohmo idėjas su Einsteino specialiuoju reliatyvumu. Sunkiausia pritaikyti Bohmo mechanikoje esantį tarpusavio veikimą be delsos. Tai kertasi su reliatyvume esančia poveikio sklidimo riba – šviesos greičiu. Negana to, reliatyvumas erdvės taškų neapibrėžia kaip esančių kurioje nors dabartyje. Goldsteinas ir jo kolegos bandė tai apeiti, parodydami, kad Bohmo bangos funkcija gali erdvėlaikyje sukurti struktūras „sluoksnius“ (foliations), ir kad įvykiai bet kuriame viename sluoksnyje vyksta tuo pačiu metu, ir iš čia kyla nelokalumas. Tai kol kas sudėtingiausias būdas – bet tuo pačiu dar tik besivystantis.

Septintajame dešimtmetyje pradėjusį mokytis standartinės kvantinės mechanikos Goldsteiną, pasak jo paties, suviliojo paslaptingumas – bet pamažu suprato, kad Bohmo idėjos logiškesnės. Be to, Bohmo idėjos irgi turi paslaptingumo: kaip visos susietos dalelės veikia visas kitas daleles visatoje, ir dar tai, kad bangos funkcija yra naujo tipo vienis. „Romantika tebėra,“ sako jis. „Dabar tai tinkamoje vietoje.“

Tačiau galiausiai, svarbiausia ne užvaldyti protus, o atvirai priimti Bohmo vaizdą, sako Steinbergas ir pabrėžia – „Geriausia, ką tokie tokie dalykai kaip mūsų eksperimentai, gali padaryti – priminti žmonėms, kad egzistuoja ir ši interpretacija“. „Žmonės apie ją nežino, ir norime suteikti jai daugiau dėmesio.“ Bushas panašiai mano apie savo judančių lašelių eksperimentus. „Būtent todėl tikiu tuo, net jei vienintelis jo rezultatas būtų paskatinti jaunus žmones kvestionuoti savo požiūrį į kvantinę mechaniką“ sako jis.