Döbbenetes: ideje újraírni mindent, amit a kozmoszról és a minket körülvevő valóságról tudunk?
Ez az elmúlt fél évszázad legnyugtalanítóbb felfedezése…
AZ ELMÚLT FÉL ÉVSZÁZAD LEGFONTOSABB ÍRÁSA?!
Az elmúlt fél évszázad egyik legnyugtalanítóbb felfedezése, hogy a világegyetem lokálisan nem valós.
Ebben az összefüggésben a “valódi” azt jelenti, hogy az objektumok meghatározott tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek függetlenek
a megfigyeléstől – az alma akkor is piros lehet, ha senki sem nézi.
A “lokális” azt jelenti, hogy a tárgyakat csak a környezetük befolyásolhatja, és semmilyen hatás nem terjedhet gyorsabban, mint a fény.
A kvantumfizika határterületein végzett vizsgálatok azt találták, hogy ezek a dolgok nem lehetnek igazak.
Ehelyett a bizonyítékok azt mutatják, hogy a tárgyakat nem kizárólag a környezetük befolyásolja, és a mérés előtt is hiányozhatnak meghatározott tulajdonságok.
Ez természetesen mélyen ellentétes mindennapi tapasztalatainkkal. Ahogy Albert Einstein egyszer egy barátjának mondta: “Tényleg azt hiszed,
hogy nincs ott a Hold, amikor nem nézed?” Douglas Adams szerző mondatát átdolgozva, a lokális valóság megszűnése sok embert nagyon
feldühített, és széles körben rossz lépésnek tartják.
Ezt az eredményt most három fizikus vizsgálta: John Clauser, Alain Aspect és Anton Zeilinger. Egyenlően osztoztak meg a 2022-es fizikai Nobeldíjon “az összefonódott fotonokkal végzett kísérletekért, a Bell-egyenlőtlenség megsértésének megállapításáért és a kvantuminformációtudomány terén elért úttörő eredményekért”.
A “Bell-egyenlőtlenség” John Stewart Bell észak-ír fizikus úttörő munkájára utal, aki az 1960-as évek elején lefektette a 2022-es fizikai Nobel-díj alapjait.
“A Clauser legkorábbi kísérletével kezdődő és folytatódó kísérletek azt mutatják, hogy ez a dolog nem csak filozófiai, hanem valóságos is – és
más valódi dolgokhoz hasonlóan potenciálisan hasznos is,” – mondja Charles H. Bennett, az IBM kiemelkedő kvantumkutatója.
“Minden évben azt gondoltam: Ó, talán ez az év,” – mondja David Kaiser, a Massachusetts Institute of Technology fizikusa és történésze. 2022-ben “tényleg így volt.
Nagyon érzelmes volt – és nagyon izgalmas.”
Az út hosszú volt. Körülbelül 1940-től egészen 1990-ig az úgynevezett kvantumalapokkal kapcsolatos tanulmányokat gyakran jó esetben
filozófiaként, legrosszabb esetben pedig potyázásként kezelték. Sok tudományos folyóirat nem volt hajlandó publikálni a témában, és szinte
lehetetlen volt ilyen vizsgálatokat folytatni. 1985-ben Popescu tanácsadója óva intette őt a Ph.D.-től a témában. “Azt mondta: ‘Nézd, ha ezt
csinálod, öt évig jól fogsz szórakozni, aztán munkanélküli leszel’,” – mondja Popescu.
Manapság a kvantuminformáció tudomány az egész fizika egyik legélénkebb részterülete. Összeköti Einstein általános relativitáselméletét a
kvantummechanikával a fekete lyukak még mindig titokzatos viselkedésén keresztül. Ez határozza meg a kvantumérzékelők kialakítását és
működését, amelyeket egyre gyakrabban használnak a földrengésektől a sötét anyagig mindennek a tanulmányozására. És tisztázza a kvantumösszefonódás gyakran zavarba ejtő természetét, amely jelenség kulcsfontosságú a modern anyagtudományban, és amely a kvantumszámítástechnika középpontjában áll.
“Mitől lesz egy kvantumszámítógép ‘kvantum’?” – kérdezi retorikusan Nicole Yunger Halpern, a National Institute of Standards and Technology
fizikusa. “Az egyik legnépszerűbb válasz az összefonódás, és a fő ok, amiért az összefonódást értjük, az a nagyszerű munka, amelyben Bell és
ezek a Nobel-díjasok részt vettek. Az összefonódás ismerete nélkül valószínűleg nem tudnánk kvantumszámítógépeket megvalósítani.”
A kvantummechanikával soha nem az volt a baj, hogy rossz előrejelzéseket adott – az elmélet ugyanis nagyszerűen írta le a mikroszkopikus világot
a kezdetektől fogva, amikor a fizikusok a 20. század első évtizedeiben kitalálták. Einstein, Borisz Podolszkij és Nathan Rosen szerint – amint azt
ikonikus 1935-ös tanulmányukban kifejtették – az elméletnek a valóságra gyakorolt kényelmetlen következményei voltak.
EPR kezdőbetűiről ismert elemzésük középpontjában egy gondolatkísérlet állt, amelynek célja a kvantummechanika abszurditásának illusztrálása
volt. A cél az volt, hogy megmutassák, bizonyos körülmények között az elmélet hogyan tud megtörni – vagy legalábbis olyan értelmetlen
eredményeket hozni, amelyek ellentmondanak a valóságról alkotott legmélyebb feltételezéseinknek.
Az EPR leegyszerűsített és modernizált változata valahogy így hangzik: egy közös forrás különböző irányokba bocsát ki részecskepárokat,
amelyek két megfigyelőt, Alice-t és Bobot célozzák meg, akik a Naprendszer másik végein állomásoznak.
A kvantummechanika azt diktálja, hogy a mérés előtt lehetetlen megismerni a spint, az egyes részecskék kvantumtulajdonságát. Miután Alice megméri az egyik részecskéjét, azt találja, hogy a forgása vagy “fel” vagy “le”.
Eredményei véletlenszerűek, de amikor megméri, azonnal tudja, hogy Bob megfelelő részecskéjének – amely véletlenszerű, határozatlan idejű volt – most lefelé kell lennie.
Első pillantásra ez nem is olyan furcsa. Lehet, hogy a részecskék olyanok, mint egy pár zokni – ha Alice megkapja a jobb zoknit, Bobnak biztosan a bal jut.
De a kvantummechanika szerint a részecskék nem olyanok, mint a zokni, és csak mérve mozognak felfelé vagy lefelé. Ez az EPR kulcsfontosságú
rejtvénye: Ha Alice részecskéinek nincs pörgésük a mérésig, akkor honnan tudják (ahogy elsüvítenek a Neptunusz mellett), hogy mit fognak tenni
Bob részecskéi, amikor a másik irányba repülnek ki a Naprendszerből? Alice minden alkalommal, amikor mér, megkérdezi, mit kap Bob, ha feldob
egy érmét: fel vagy le? Annak az esélye, hogy ezt akár 200-szor egymás után is helyesen megjósoljuk, egy a 10⁶⁰-hoz – ez a szám nagyobb, mint a
Naprendszerben található atomok teljes száma.
A páros részecskéket elválasztó több milliárd kilométer ellenére a kvantummechanika szerint Alice részecskéi továbbra is helyesen tudnak előre jelezni, mintha telepatikusan kapcsolódnának Bob részecskéihez.
A kvantummechanika hiányosságának feltárására tervezett EPR végül olyan kísérleti eredményekhez vezetett, amelyek ehelyett megerősítik az
elmélet legelképesztőbb tételeit.
A kvantummechanika szerint a természet lokálisan nem valós: előfordulhat, hogy a részecskék nem rendelkeznek olyan tulajdonságokkal, mint a mérés előtt, és úgy tűnik, hogy a távolságtól függetlenül beszélnek egymással.
Mivel a mérési eredmények véletlenszerűek, ezek a korrelációk nem használhatók a fénynél gyorsabb kommunikációra.
Einstein “támadása” a kvantummechanika ellen azonban nem hatott a fizikusok körében, akik nagyjából elfogadták a kvantummechanikát úgy,
ahogy van. Ez kevésbé volt a nem lokális valóság átgondolt ölelése, mint az a vágy, hogy ne gondolkozzunk túl keményen – ezt a “fej a homokban”
érzést később N. David Mermin amerikai fizikus úgy foglalta össze, mint a “fogd be a szád és számolj”.
Az érdeklődés hiánya részben azért maradt fenn, mert Neumann János, egy nagy tekintélyű tudós 1932-ben matematikai bizonyítékot publikált, amely kizárta a rejtett változóelméleteket. Neumann bizonyítékát alig három évvel később egy fiatal matematikusnő, Grete Hermann cáfolta, de akkor úgy tűnt, senki sem vette észre.
A nem lokális valóság problémája további három évtizedig sínylődik, mielőtt Bell szétzúzná. Karrierje kezdetétől fogva Bellt zavarta a
kvantumortodoxia, és rokonszenvezett a rejtett változós elméletekkel. 1952-ben érte az ihlet, amikor megtudta, hogy David Bohm amerikai fizikus
a kvantummechanika életképes, nem lokális rejtett változó értelmezését fogalmazta meg – valamit, amiről Neumann azt állította, hogy lehetetlen.
Bell éveken át vizsgálta az ötleteket, a Genf melletti CERN-ben részecskefizikusként végzett munkája mellett. 1964-ben felismerte Neumann érvelésének ugyanazon hibáit, amelyeket Hermann fedezett fel.
Aztán a szigorú gondolkodás diadalmenetében Bell kitalált egy tételt, amely a lokális rejtett változók kérdését a metafizikai ingoványból a kísérlet konkrét talajára húzta.
A lokális rejtett változó elméletek és a kvantummechanika jellemzően megkülönböztethetetlen kísérleti eredményeket jósol. Bell rájött, hogy
pontos körülmények között empirikus eltérés alakulhat ki a kettő között.
A névadó Bell-tesztben (az EPR gondolatkísérlet egy továbbfejlődése)
Alice és Bob ugyanazokat a párosított részecskéket kapja, de most mindegyiküknek két különböző detektorbeállítása van: A és a, B és b. Ezek az érzékelőbeállítások további trükköt jelentenek Alice és Bob látszólagos telepátiájának elvetésére.
A lokális rejtett változó elméletekben az egyik részecske nem tudhatja, hogy melyik kérdést teszik fel a másiknak. A korrelációjukat titokban idő előtt állítják be, és nem érzékenyek a frissített detektorbeállításokra. De a kvantummechanika szerint, amikor Alice és Bob ugyanazokat a beállításokat használja (mindkettő nagy, vagy
mindkettő kisbetű), mindegyik részecske tisztában van a másik kérdésével, és a kettő tökéletesen korrelál – olyan szinkronban, amelyet egyetlen
helyi elmélet sem képes megmagyarázni. Egyszóval összefonódtak.
A korreláció többszöri mérése sok részecskepár esetében tehát bebizonyíthatja, hogy melyik elmélet a helyes. Ha a korreláció a Bell-tételből levezetett határérték alatt maradna, ez azt sugallná, hogy a rejtett változók valósak; ha túllépné Bell határát, akkor a kvantummechanika
elképesztő tantételei uralkodnának.
Mégis, annak ellenére, hogy segíthet a valóság természetének meghatározásában, Bell tétele évekig észrevétlenül sínylődött egy viszonylag ismeretlen folyóiratban.
Három évvel ezután Bell biztatására Clauser és végzős diákja, Stuart Freedman elvégezte az első Bell-tesztet. Clauser engedélyt kapott, de kevés
pénzeszköz állt rendelkezésére, így – amint egy későbbi interjúban elmondta – ügyessé vált a “kukabúvárkodásban,” hogy biztosítsa a felszerelést – ezek egy részét aztán Freedmannel együtt ragasztószalaggal állították össze.
Clauser elrendezésében – egy kajak méretű, gondos kézi hangolást
igénylő berendezésben – fotonpárokat küldtek ellentétes irányba a detektorok felé, amelyek képesek voltak mérni állapotukat vagy
polarizációjukat.
Clauser és a rejtett változók iránti rajongása miatt sajnálatos módon, miután ő és Freedmann befejezték az elemzést, arra a következtetésre
jutottak, hogy erős bizonyítékot találtak ellenük. Ennek ellenére az eredmény aligha volt meggyőző a kísérletben előforduló különféle “kiskapuk” miatt, amelyek feltehetően lehetővé tehetik, hogy a rejtett változók hatása észrevétlenül átcsússzon.
Ezek közül a leginkább a lokalitási kiskapu volt aggasztó: ha akár a fotonforrás, akár a detektorok valamilyen módon meg tudták volna osztani az információkat (ami egy kajak méretű objektumon belül hihető volt), akkor az így kapott mért összefüggések rejtett változókból is előkerülhettek. Ahogy David Kaiser elmagyarázta, ha Alice tweetet küld Bobnak, hogy elmondja neki a detektor beállításait, ez az interferencia lehetetlenné teszi a rejtett változók kizárását.
A lokális kiskapu bezárását könnyebb mondani, mint megtenni. A detektor beállítását gyorsan meg kell változtatni, miközben a fotonok repülnek –
“gyorsan,” azaz csupán nanoszekundumok alatt. 1976-ban egy fiatal francia optikai szakértő, Alain Aspect javasolta ennek az ultragyors
kapcsolónak a módját. Csoportja 1982-ben publikált kísérleti eredményei csak megerősítették Clauser eredményeit: a lokális rejtett változók
rendkívül valószínűtlennek tűntek.
“Talán a természet nem olyan furcsa, mint a kvantummechanika,” – írta Bell az Aspect tesztjére adott válaszában. “A kísérleti helyzet azonban ebből a szempontból nem túl biztató.”
Más kiskapuk azonban megmaradtak, és Bell 1990-ben meghalt anélkül, hogy szemtanúja lett volna a bezárásuknak. Még Aspect kísérlete sem
zárta ki teljesen a helyi hatásokat, mert túl kis távolságon ment végbe. Hasonlóképpen, ahogy Clauser és mások is rájöttek, ha Alice és Bob nem
reprezentatív részecskék mintáit észleli, akkor kísérleteik rossz következtetésekre juthatnak.
Senki sem vetette bele magát nagyobb kedvvel bezárni ezeket a kiskapukat, mint Anton Zeilinger, egy ambiciózus, társaságkedvelő osztrák fizikus.
1997-ben ő és csapata javított Aspect korábbi munkáján azzal, hogy Bell-tesztet hajtottak végre egy akkor még soha nem látott, közel fél
kilométeres távolságon. A valóság kajakméretű kísérletekből való megjósolásának korszaka a végéhez közeledett. Végül 2013-ban Zeilinger
csoportja megtette a következő logikus lépést, és egyszerre több kiskaput is felszámolt.
“A kvantummechanika előtt valójában a mérnöki tudományok érdekeltek. Szeretek a kezemmel építeni,” – mondja Marissa Giustina, a Google
kvantumkutatója, aki Zeilingerrel dolgozott együtt. “Utólag visszagondolva, egy kiskapumentes Bell-kísérlet egy óriási rendszermérnöki projekt.”
A több kiskaput lezáró kísérlet létrehozásának egyik követelménye egy tökéletesen egyenes, üres, 60 méteres alagút megtalálása volt, amelyben
száloptikai kábelek is elérhetők. Mint kiderült, a bécsi Hofburg-palota kazamatája szinte ideális környezet volt – eltekintve attól, hogy egy
évszázadnyi por lepte be. 2015-ben közzétett eredményeik egybeestek két másik csoport hasonló tesztjeivel, amelyek szintén hibátlannak találták
a kvantummechanikát.
Egy nagy végső kiskaput még be kellett zárni – vagy legalábbis be kellett szűkíteni. Bármilyen korábbi fizikai kapcsolat miatt a komponensek
között, függetlenül attól, hogy milyen távoli volt a múltban, megvan a lehetősége, hogy megzavarja a Bell-teszt eredményeinek érvényességét. Ha
Alice kezet fog Bobbal, mielőtt elindulna egy űrhajóra, közös múltjuk van. Valószínűtlennek tűnik, hogy egy lokális rejtett változó-elmélet
kihasználja ezeket a kiskapukat, de mégis lehetséges volt.
2016-ban Kaiser és Zeilinger csapata kozmikus Bell-tesztet végzett.
A Kanári-szigeteken található távcsövek segítségével a kutatók véletlenszerű döntéseket hoztak a detektorok beállítására olyan csillagok esetében, amelyek kellően távol helyezkednek el egymástól az égen ahhoz, hogy az egyik felől érkező fény több száz évig ne érje el a másikat, így évszázadokon át tartó rést biztosítanak közös kozmikus múltjukban.
A kvantummechanika azonban még akkor is diadalmasnak bizonyult.
Az egyik fő nehézség a Bell-tesztek fontosságának a közvéleménynek – valamint a szkeptikus fizikusoknak – való magyarázatában az a felfogás,
hogy a kvantummechanika valódisága előre eldöntött következtetés volt. Végül is a kutatók a kvantummechanika számos kulcsfontosságú
aspektusát 10 rész/milliárd résznél nagyobb pontossággal mérték.
“Valójában nem akartam dolgozni rajta,” – mondja Giustina. “Azt gondoltam,
hogy ‘Gyerünk, ez a régi fizika. Mindannyian tudjuk, mi fog történni.'” De a kvantummechanika pontossága nem zárhatta ki a lokális rejtett változók lehetőségét; erre csak a Bell-tesztek képesek.
“Ami a Nobel-díjasok mindegyikét a témához vonzotta, és ami John Bellt is izgatta, az a kérdés volt: ‘Működhet-e így a világ?'” – mondja Kaiser.
“És honnan tudjuk igazán magabiztosan?” A Bell-tesztek lehetővé teszik a fizikusok számára, hogy eltávolítsák az antropocentrikus esztétikai
ítéletek torzítását az egyenletből. Megtisztítják a munkától az emberi megismerés azon részeit, amelyek visszariadnak a kísértetiesen
megmagyarázhatatlan összefonódás lehetőségétől, vagy gúnyolódnak a rejtett változó elméleteken, mint újabb viták arról, hogy hány angyal
táncolhat a gombostű fején.
A díj Clauser, Aspect és Zeilinger elismerését fejezi ki, de ez mindazoknak a kutatóknak a bizonyítéka, akik nem voltak megelégedve a
kvantummechanikával kapcsolatos felületes magyarázatokkal, és akik még akkor is feltették kérdéseiket, amikor ez nem volt népszerű.
Forrás: ÚjVilágtudat