viršaitis
spalio 23, 2015
Atradimai, Mokslas
Ketvirtajame XX amžiaus dešimtmetyje Albertą Einsteiną neramino fenomenas, kylantis iš kvantų teorijos. Vadinamasis susietumas (entanglement), amžiams susieja tokių objektų, kaip subatominės dalelės, likimus, kad ir kaip toli jos viena nuo kitos būtų.
Eksperimentu įrodytas kvantinis Visatos keistumas
Dabar tai jau oficialu: Visata yra keista. Kasdienė mūsų patirtis byloja, kad tolimi objektai negali veikti vienas kito, ir nepranyksta tik todėl, kad į juos niekas nežiūri. Netgi Albertas Einsteinas buvo itin prieš tokias idėjas nusiteikęs, kadangi jos visiškai nederėjo su mūsų realaus pasaulio įsivaizdavimu.
Kvantinis pasaulis, paveikslas: Julie Guiche/Picturetank
Bet pasirodo, kad klystame – kvantinė tikrovės prigimtis reiškia, kad tam tikrame lygyje šie dalykai gali vykti ir iš tiesų vyksta. Naujas eksperimentas įkalė paskutinę vinį „lokalaus realizmo“ požiūrio į Visatą karstan, išspręsdamas ginčą, beveik šimtmetį drebinusį fiziką.
Viso pasaulio fizikai rungėsi ilgus dešimtmečius, bandydami užbaigti šį eksperimentą. Ir dabar Ronaldo Hansono iš Delfto Technologijų universiteto vadovaujamiems mokslininkams tai galiausiai pavyko. „Tai labai gražus ir tikslus eksperimentas ir galima tik pasveikinti grupę su tuo“, – sako Antonas Zeilingeris, vieno iš konkuruojančių, Vienos (Austrija) universiteto tyrėjų grupės 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. A. Einsteinas 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 Einsteinas, 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 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 susitvarkyti 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 iš šios įžvalgos suformulavo 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 A. Einsteino lokalaus realizmo pažiūros buvo klaidingos. Bet abejonių liko. Visuose ankstesniuose bandymuose būta potencialių landų, galinčių suteikti A. Einsteino 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 juos abu paleidžia tuo pat metu skirtingomis kryptimis dviejų laukiančių detektorių link, 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 Einsteino gilesnį paslėptą realybės sluoksnį – kuriais vienas detektorius gali bendrauti su kitu? Tada negalėtume būti tikri, 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 viena nuo kitos per 144 kilometrus.
Bet užtaisus vieną landą, atsiveria kita. Bello testas remiasi iš pakartotinių eksperimentų sudarytu statistiniu paveikslu, tad, jeigu įranga negauna pakankamai fotonų, nieko neišeina. 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 Kofleris. 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 grupė tyrimą aprašančiame dokumente. Hansonas atsisakė duoti interviu, nes šis darbas dabar recenzuojamas publikavimui žurnale.
Susieti deimantai
Šiame eksperimente Alisa ir Bobas dviejose laboratorijose sėdi vienas nuo kito 1,3 km atstumu. Šviesa tokį atstumą įveikia per 4,27 mikrosekundės (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 (angl. spin). Komanda paveikia deimantą atsitiktinai sukurtais 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. Mokslininkai atliko 245 matavimus, taigi užtruko ilgai. „Tai išties buvo labai sunkus eksperimentas,“ – sako Kofleris.
Rezultatas buvo aiškus: laboratorijos aptiko daugiau stipriai koreliuojančių sukinių, 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.
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 programišiai. „Bello testai yra saugumo garantas“, – sako Kofleris. Galima sakyti, Hanonas ir su juo dirbę mokslininkai užlopė Visatą.
Pasirinkimo laisvė
Norint prie rezultatų dar galima prisikabinti. Eksperimentas buvo toks sunkus, kad p reikšmė – statistinio reikšmingumo rodiklis – buvo santykinai aukšta, 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 grupė 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 Einsteinas? 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.“
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
Jei išmatuosime, kad fotono iš susietos poros sukinys yra, tarkime, „aukštyn“, pagal teoriją, kito fotono sukinys užtikrintai bus „žemyn” – net jeigu šie fotonai bus priešingose galaktikos pusėse.
Tai buvo prakeiksmas A.Einsteinui ir kitiems: atrodė, kad informacija keliauja greičiau nei šviesa, o tai specialioji reliatyvumo teorija kuo griežčiausiai draudžia.
A.Einsteinas šią idėją pašaipiai vadino „vaiduoklišku veiksmu per atstumą”. Bet 80 metų fizikams ramybės nedavęs klausimas buvo atsakytas, kai šią savaitę atliktas kruopštus eksperimentas įrodė, kad toks veikimas iš tiesų egzistuoja.
Siekdamas išgelbėti fiziką nuo vaiduoklių, A. Einsteinas pasitelkė tai, ką pats vadino paslėptais kintamaisiais (nors kiti tai galėtų pavadinti išsisukinėjimo faktoriais), kurie gali perduoti informaciją, neviršydami universalios greičio ribos.
Tokią suveltą idėją paversti patikrinamomis lygtimis pavyko tik 1964 metais. Johnas S. Bellas, britų fizikas, apskaičiavo maksimalų poveikį, kurį bandyme gali daryti paslėpti kintamieji. Remiantis jo lygtimis, bet kokia didesnė įtaka turi reikšti vaiduokliškąjį poveikį. Vadinamoji Bello nelygybė įžiebė dešimtmečius gudrių eksperimentų – susieti fotonai ar atomai siunčiami šen ar ten, detektoriai reaguodavo į tai ar į ką kita – kuriais stengtasi pričiupti gamtą, atmesti paslėptus kintamuosius kartą ir visiems laikams.
Tačiau spragos likdavo – būdai, kaip paslėpti kintamieji gali daryti kokią nors įtaką, nors laikui bėgant ir eksperimentų tikslumui vis augant, tariami tokio poveikio mechanizmai atrodė vis mažiau įtikimi. Viena iš tokių landų buvo aptikimo (detection) spraga.
Pavyzdžiui, patikimai sugauti vieną fotoną nėra paprasta; tokiame eksperimente daug jų pasimeta. Bet jeigu eksperimente neužfiksuojami visi jo dalyviai, gal slapti kintamieji informaciją perduoda per trūkstamus fotonus, – tokia aptikimo spragos idėja. Kita spraga – komunikacijos. Jei du matavimai vyksta vienas šalia kito, kažkoks neregimas paslėptas kintamasis gali keliauti tarp jų (jei tik signalas nesklinda greičiau už šviesą).
Daug eksperimentų užtaisydavo vieną ar kitą spragą, pavyzdžiui, aptikdami daleles, kurios aptinkamos lengviau, nei fotonai, ar siųsdami fotonus taip toli vieną nuo kito, kad joks lėtesnis už šviesą signalas negalėtų suspėti padaryti poveikio. Dabar dauguma fizikų mano, kad paslėptų kintamųjų idėja yra netikusi. Bet jokie bandymai abiejų spragų nebuvo užtaisę tuo pačiu metu – iki šios savaitės.
Ronaldas Hansonas iš Delfto universiteto su kolegomis „Nature“ aprašo eksperimentą, kuriame naudojami du elektronai laboratorijose, esančiose viena nuo kitos už daugiau nei kilometro. Kiekvienas elektronas išspinduliuoja po fotoną, keliaujantį optiniu kabeliu į trečią laboratoriją, kur šie fotonai susiejami. Tai savo ruožu susieja juos išspinduliavusius elektronus. Taip gaunamos lengvai aptinkamos dalelės (elektronai), atskirti atstumu, užkertančiu kelią bet kokiems neaiškiems paslėptų kintamųjų signalams.
Komanda 18 dienų matavo elektronų rodmenų koreliaciją. Kaip veikiausiai ir tikėtasi, bet vis vien keistai, ji buvo daug stipresnė, nei atsitiktinė – kas įrodo, jog kvantų mechanika yra tokia keista, kaip Einsteinas ir bijojo.
Nors šis eksperimentas žymi slaptų kintamųjų pabaigą, Dr Hansonas sako, kad tai yra ir pradžia: nepažeidžiamai saugaus kvantinio šifravimo. 1991 metais buvo parodyta, kad tie patys Bello testai, naudoti slaptų kintamųjų paieškai, gali būti naudojami ir kvantinės kriptografijos patikrinimui.
Landų neturintis Bello testas galėtų neklystamai parodyti, ar programišiai nėra prikišę nagų prie fundamentaliai atsitiktinio, kvantinio kriptografinio rakto generavimo. Vadinamieji nuo įtaiso nepriklausantys kvantiniai skaičiai, Dr Hansono teigimu, būtų apsaugoti nuo programišių „net jei nepasitikite savo įranga – net jei jums ją davė NSA”.
Tačiau, deja, lieka vienas kabliukas, galintis paaiškinti visus šiuos neįtikėtinus atradimus. Galbūt, tik galbūt, kiekvienas įvykis, kuris kada nors įvyks, nuo eksperimentatoriaus pasirinktų rodmenų reikšmės iki straipsnio, kurį skaitysite paskui, jau buvo apspręsta, gimus visatai, ir visi šie eksperimentai yra tokie, kokie buvo numatyti iš anksto. Tačiau šis klausimas jau metafizikams.
© 2015, viršaitis. All rights reserved.
Latvijas Dievturu Sadraudze
