Bellovi testovi omogućuju fizičarima uklanjanje pristranosti antropocentričnih estetskih prosudbi iz jednadžbe

0
2321

Jedno od uznemirujućih otkrića u posljednjih pola stoljeća je da svemir nije lokalno stvaran. Što znači da predmeti imaju određena svojstva neovisno o promatranju – jabuka može biti crvena čak i kad nitko ne gleda; “lokalno” znači da na objekte može utjecati samo njihova okolina i da bilo kakav utjecaj ne može putovati brže od svjetlosti. Istraživanja na granicama kvantne fizike otkrila su da ove stvari ne mogu obje biti istinite. Umjesto toga, dokazi pokazuju da objekti nisu pod utjecajem samo okoline i da im također mogu nedostajati određena svojstva prije mjerenja.

Kao što je Albert Einstein rekao prijatelju: “Zar stvarno vjeruješ da mjesec nije tu kad ga ne gledaš?”

To je, naravno, duboko suprotno našim svakodnevnim iskustvima. Da parafraziramo Douglasa Adamsa, propast lokalnog realizma jako je razljutila mnoge ljude i mnogi su ga smatrali lošim potezom. Krivnja za ovo postignuće sada je izravno svaljena na pleća trojice fizičara: Johna Clausera, Alaina Aspecta i Antona Zeilingera. Jednako su podijelili Nobelovu nagradu za fiziku 2022. “za eksperimente sa zapetljanim fotonima, utvrđivanje kršenja Bellovih nejednakosti i pionirsku kvantnu informacijsku znanost”. (“Bellove nejednakosti” odnose se na pionirski rad sjevernoirskog fizičara Johna Stewarta Bella, koji je ranih 1960-ih postavio temelje za ovogodišnju Nobelovu nagradu za fiziku.)

Kolege su se složile da je trojka uspjela, zaslužujući ovu računicu za rušenje stvarnosti kakvu mi  znamo.

 

“To su fantastične vijesti. Dugo se čekalo”, kaže Sandu Popescu, kvantni fizičar sa Sveučilišta u Bristolu.

“Bez sumnje, nagrada je zaslužena.” “Eksperimenti koji počinju s najranijim od Clausera i nastavljaju se dalje, pokazuju da ove stvari nisu samo filozofske, već su stvarne – i poput drugih stvarnih stvari, potencijalno korisne”, kaže Charles Bennett, eminentni kvantni istraživač u IBM-u.

“Svake sam godine pomislio, ‘oh, možda je ovo ta godina'”, kaže David Kaiser, fizičar i povjesničar na Massachusetts Institute of Technology. “Ove godine je stvarno bilo. Bilo je vrlo emotivno – i vrlo uzbudljivo.”

Put kvantnih zaklada od margine do favorita bio je dug. Otprilike od 1940. pa sve do kasne 1990. tema se često tretirala kao filozofija u najboljem slučaju, a u najgorem slučaju kao glupost.

Mnogi znanstveni časopisi odbijali su objavljivati radove o kvantnim temeljima, a akademske pozicije koje su se bavile takvim istraživanjima bilo je gotovo nemoguće pronaći.

Godine 1985. Popescuov savjetnik upozorio ga je da ne doktorira. u predmetu.

“Rekao je ‘gledaj, ako to učiniš, zabavljat ćeš se pet godina, a onda ćeš ostati bez posla'”, kaže Popescu.

Danas je kvantna informacijska znanost među najživljim i najutjecajnijim podpoljima u cijeloj fizici. Povezuje Einsteinovu opću teoriju relativnosti s kvantnom mehanikom preko još uvijek misterioznog ponašanja crnih rupa. To diktira dizajn i funkciju kvantnih senzora, koji se sve više koriste za proučavanje svega, od potresa do tamne tvari. I pojašnjava često zbunjujuću prirodu kvantne isprepletenosti, fenomena koji je ključan za modernu znanost o materijalima i koji leži u srcu kvantnog računalstva.

Što uopće kvantno računalo čini ‘kvantnim’?

Nicole Yunger Halpern, fizičarka s Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju, retorički se pita.

“Jedan od najpopularnijih odgovora je isprepletenost, a glavni razlog zašto razumijemo isprepletenost je veliko djelo u kojem su sudjelovali Bell i ovi dobitnici Nobelove nagrade. Bez tog razumijevanja isprepletenosti vjerojatno ne bismo mogli realizirati kvantna računala.”

Problem s kvantnom mehanikom nikada nije bio u tome što daje pogrešna predviđanja – zapravo, teorija je sjajno opisivala mikroskopski svijet od samog početka kada su je fizičari osmislili u prvim desetljećima 20. stoljeća. Ono s čime su se Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen bunili, iznijeto u svom kultnom dokumentu iz 1935., bile su neugodne implikacije te teorije na stvarnost.

Njihova analiza, poznata po inicijalima EPR, bila je usredotočena na misaoni eksperiment koji je trebao ilustrirati apsurdnost kvantne mehanike; pokazati kako se pod određenim uvjetima teorija može slomiti – ili barem dati besmislene rezultate koji su u suprotnosti sa svim ostalim što znamo o stvarnosti.

Pojednostavljena i modernizirana verzija EPR-a ide otprilike ovako: Parovi čestica šalju se u različitim smjerovima iz zajedničkog izvora, usmjereni prema dva promatrača, Alice i Bobu, svaki stacioniran na suprotnim krajevima Sunčevog sustava. Kvantna mehanika nalaže da je nemoguće znati spin, kvantno svojstvo pojedinačnih čestica prije mjerenja.

Kad Alice izmjeri jednu od svojih čestica, otkrije da je njezina vrtnja ili gore ili dolje. Njezini su rezultati nasumični, a ipak, kad mjeri gore, odmah zna da Bobova odgovarajuća čestica mora biti dolje. Na prvi pogled, to i nije tako čudno; možda su čestice poput para čarapa – ako Alice dobije desnu čarapu, Bob mora imati lijevu. Ali prema kvantnoj mehanici, čestice nisu poput čarapa i samo kada se mjere, talože se na vrtnju gore ili dolje. Ovo je ključna zagonetka EPR-a: ako Aliceinim česticama nedostaje vrtnja do mjerenja, kako onda kada projure pokraj Neptuna znaju što će Bobove čestice učiniti dok lete iz Sunčevog sustava u drugom smjeru?

Svaki put kad Alice mjeri, ona učinkovito ispituje svoju česticu o tome što će Bob dobiti ako baci novčić: gore ili dolje? Šanse da se ovo točno predvidi čak 200 puta zaredom su 1 prema 1060 — broj veći od svih atoma u Sunčevom sustavu. Ipak, unatoč milijardama kilometara koji razdvajaju parove čestica, kvantna mehanika kaže da Aliceine čestice mogu nastaviti točno predviđati, kao da su telepatski povezane s Bobovim česticama.

Iako je namijenjen otkrivanju nesavršenosti kvantne mehanike, kada se provode verzije EPR misaonog eksperimenta iz stvarnog svijeta, rezultati umjesto toga učvršćuju najzapanjujuća načela teorije. Prema kvantnoj mehanici, priroda nije lokalno stvarna – česticama nedostaju svojstva kao što su vrtnja prema gore ili dolje prije mjerenja i naizgled razgovaraju jedna s drugom bez obzira na udaljenost. Fizičari koji su bili skeptični prema kvantnoj mehanici predložili su da postoje “skrivene varijable”, čimbenici koji postoje na nekoj neprimjetnoj razini stvarnosti ispod subatomskog carstva koja sadrži informacije o budućem stanju čestice. Nadali su se da bi priroda u teorijama skrivenih varijabli mogla povratiti lokalni realizam koji joj je uskratila kvantna mehanika.

“Čovjek bi pomislio da će argumenti Einsteina, Podolskog i Rosena u tom trenutku proizvesti revoluciju i da bi svi počeli raditi na skrivenim varijablama”, kaže Popescu.

Einsteinov “napad” na kvantnu mehaniku, međutim, nije zaživio među fizičarima, koji su uglavnom prihvaćali kvantnu mehaniku onakvu kakva jest. To je često bilo manje promišljeno prihvaćanje nelokalne stvarnosti, a više želja da se ne razmišlja previše dok se bavi fizikom – osjećaj zaglavljivanja glave u pijesku koji je kasnije sažeo fizičar David Mermin kao zahtjev da se “šuti i računa”. ”

Nedostatak interesa djelomično je uzrokovan time što je John von Neumann, visoko cijenjeni znanstvenik, 1932. godine objavio matematički dokaz koji isključuje teorije skrivenih varijabli. (Mora se reći da je Von Neumannov dokaz samo tri godine kasnije opovrgla mlada matematičarka, Grete Hermann, ali u to vrijeme kao da to nitko nije primijetio.) Problem nelokalnog realizma kvantne mehanike čamio bi u samozadovoljnom stuporu još tri desetljeća dok ga Bell nije odlučno razbio. Bellu je od početka karijere smetala kvantna ortodoksija i bio je simpatičan prema teorijama skrivenih varijabli. Inspiracija ga je sinula 1952., kada je saznao za održivu nelokalno skrivenu varijabilnu interpretaciju kvantne mehanike koju je osmislio kolega fizičar David Bohm – nešto što je von Neumann tvrdio da je nemoguće. Bell je godinama razmišljao o idejama, kao sporedni projekt uz njegov glavni posao kao fizičar čestica u CERN-u. Godine 1964. Bell je ponovno otkrio iste nedostatke u von Neumannovom argumentu koje je imao Hermann. A onda je, u trijumfu rigoroznog razmišljanja, Bell smislio teorem koji je pitanje skrivenih varijabli izvukao iz njegove metafizičke močvare na betonsko tlo eksperimenta.

Obično teorije skrivenih varijabli i kvantna mehanika predviđaju nerazlučive eksperimentalne ishode. Ono što je Bell shvatio jest da se pod točno određenim okolnostima može pojaviti empirijski nesklad između to dvoje. U istoimenom Bellovom testu (evoluciji EPR misaonog eksperimenta), Alice i Bob primaju iste uparene čestice, ali sada svaki od njih ima dvije različite postavke detektora – A i a, B i b. Ove postavke detektora omogućuju Alice i Bobu da česticama postavljaju različita pitanja; dodatni trik za odbacivanje njihove prividne telepatije. U lokalnim teorijama skrivenih varijabli, gdje je njihovo stanje unaprijed određeno i ništa ih ne povezuje, čestice ne mogu nadmudriti ovaj dodatni korak i ne mogu uvijek postići savršenu korelaciju gdje Alice mjeri spin prema dolje kada Bob mjeri spin prema gore (i obrnuto). Ali u kvantnoj mehanici, čestice ostaju povezane i daleko više korelirane nego što bi ikada mogle biti u lokalnim teorijama skrivenih varijabli. Oni su, jednom riječju, zapetljani. Stoga bi višestruko mjerenje korelacije za mnoge parove čestica moglo dokazati koja je teorija točna.

Ako je korelacija ostala ispod granice izvedene iz Bellovog teorema, to bi sugeriralo da su skrivene varijable stvarne; ako bi premašio Bellovo ograničenje, tada bi zapanjujuća načela kvantne mehanike zavladala.

Pa ipak, usprkos svom potencijalu da pomogne u određivanju same prirode stvarnosti, nakon što je objavljen u relativno diskutabilnom časopisu, Bellov teorem godinama je ostao nezapažen.

Godine 1967. John Clauser, tada diplomirani student na Sveučilištu Columbia, slučajno je naišao na primjerak Bellova rada u knjižnici i ostao očaran mogućnošću dokazivanja točnosti teorija skrivenih varijabli. Clauser je pisao Bellu dvije godine kasnije, pitajući je li itko doista izvršio test. Clauserovo pismo bilo je među prvim povratnim informacijama koje je Bell dobio.

Uz Bellovo ohrabrenje, pet godina kasnije Clauser i njegov student Stuart Freedman izveli su prvi Bellov test. Clauser je dobio dopuštenje od svojih nadređenih, ali malo je dobio  u smislu sredstava za rad, pa je postao, kako je rekao u kasnijem intervjuu, vješt u “ronjenju u kontejner” kako bi osigurao opremu – od koje su on i Freedman zatim zajedno zalijepili ljepljivu traku.

U Clauserovom postavu – aparatu veličine kajaka koji je zahtijevao pažljivo ručno ugađanje – parovi fotona slani su u suprotnim smjerovima prema detektorima koji su mogli mjeriti njihovo stanje ili polarizaciju. Na nesreću po Clausera i njegovu zaljubljenost u skrivene varijable, nakon što su on i Freedman dovršili svoju analizu, nisu mogli a da ne zaključe da su pronašli jake dokaze protiv njih.

Ipak, rezultat nije bio uvjerljiv zbog raznih “rupa” u eksperimentu koje bi mogle dopustiti da utjecaj skrivenih varijabli prođe neotkriven. Ono što je najviše zabrinjavalo bila je rupa u lokalitetu: ako su ili izvor fotona ili detektori mogli na neki način dijeliti informacije (što je vjerojatan pothvat unutar granica objekta veličine kajaka), rezultirajuće izmjerene korelacije još uvijek mogu proizaći iz skrivenih varijabli. Kao što Kaiser sažeto kaže, ako Alice tweetuje Bobu na kojoj se postavci detektora nalazi, ta smetnja onemogućuje isključivanje skrivenih varijabli.

Lakše je reći nego učiniti zatvoriti rupu u zakonu. Postavka detektora mora se brzo promijeniti dok su fotoni u pokretu – “brzo” što znači u samo nekoliko nanosekundi.

Godine 1976. mladi francuski stručnjak za optiku, Alain Aspect, predložio je način za izvođenje ovog ultra-brzog prekidača.

Eksperimentalni rezultati njegove grupe, objavljeni 1982., samo su potvrdili Clauserove rezultate: lokalne skrivene varijable izgledale su krajnje malo vjerojatne. “Možda priroda nije toliko čudna kao kvantna mehanika“, napisao je Bell kao odgovor na početne rezultate Aspecta. “Ali eksperimentalna situacija nije baš ohrabrujuća s ove točke gledišta.”

Druge su rupe, međutim, i dalje ostale – i, nažalost, Bell je umro 1990. ne svjedočivši njihovom zatvaranju. Čak ni Aspectov eksperiment nije u potpunosti isključio lokalne učinke jer se odvijao na premaloj udaljenosti. Slično, kao što su Clauser i drugi shvatili, ako Alice i Bob nisu bili sigurni u otkrivanju nepristranog reprezentativnog uzorka čestica, mogli bi doći do pogrešnih zaključaka.

Nitko nije ove nedorečenosti zatvorio ove “rupe” s većim guštom od Antona Zeilingera, ambicioznog, društvenog austrijskog fizičara. Godine 1998., on i njegov tim poboljšali su Aspectov raniji rad provodeći Bellov test na tada neviđenoj udaljenosti od gotovo pola kilometra. Doba proricanja nelokalnosti stvarnosti iz eksperimenata veličine kajaka približilo se kraju. Konačno, 2013. Zeilingerova grupa poduzela je sljedeći logičan korak, rješavajući više rupa u zakonu u isto vrijeme.

“Prije kvantne mehanike, zapravo me zanimalo inženjerstvo. Volim graditi stvari svojim rukama,” kaže Marissa Giustina, kvantna istraživačica u Googleu koja je radila sa Zeilingerom. “U retrospektivi, Bellov eksperiment bez rupa u samom zakonu ogroman je projekt sistemskog inženjeringa.”

Jedan od uvjeta za stvaranje eksperimenta koji zatvara više rupa u zakonu bio je pronalaženje savršeno ravnog, nenaseljenog tunela od 60 metara s pristupom optičkim kabelima. Kako se pokazalo, tamnica bečke palače Hofburg bila je gotovo idealno okruženje – osim što je bila prekrivena stoljetnom prašinom. Njihovi rezultati, objavljeni 2015., poklopili su se sa sličnim testovima dviju drugih skupina koje su također otkrile da je kvantna mehanika besprijekorna kao i uvijek.

Bellov test dospijeva do zvijezda !Ostala je jedna velika završna praznina koju je trebalo zatvoriti ili barem suziti. Svaka prethodna fizička veza između komponenti, bez obzira koliko daleka bila u prošlosti, može utjecati na valjanost rezultata Bell testa.

Ako se Alice rukuje s Bobom prije odlaska svemirskim brodom, oni dijele prošlost. Naizgled je nevjerojatno da bi lokalna teorija skrivenih varijabli iskoristila ove rupe, ali ipak je moguće. Godine 2017. tim koji je uključivao Kaisera i Zeilingera izveo je kozmički Bellov test.

Koristeći teleskope na Kanarskim otocima, tim je donio svoje nasumične odluke za postavke detektora od zvijezda dovoljno udaljenih jedna od druge na nebu da svjetlost s jedne ne bi doprla do druge stotinama godina, osiguravajući stoljećima dugu prazninu u njihovoj zajedničkoj kozmičkoj prošlosti. Ipak, čak se i tada kvantna mehanika ponovno pokazala trijumfalnom.

Jedna od glavnih poteškoća u objašnjavanju važnosti Bellovih testova javnosti – kao i skeptičnim fizičarima – je percepcija da je istinitost kvantne mehanike bila unaprijed gotov zaključak. Uostalom, istraživači su izmjerili mnoge ključne aspekte kvantne mehanike s preciznošću većom od 10 dijelova u milijardi. “Zapravo nisam želio raditi na tome. Pomislio sam, kao, ‘Hajde; ovo je stara fizika. Svi znamo što će se dogoditi’, kaže Giustina.

Ali točnost kvantne mehanike nije mogla isključiti mogućnost lokalnih skrivenih varijabli; samo su Bellovi testovi mogli to učiniti. “Ono što je privuklo svakog od ovih dobitnika Nobelove nagrade ovoj temi, i ono što je privuklo samog Johna Bella, bilo je [pitanje], ‘Može li svijet tako funkcionirati?'”, kaže Kaiser.

“A kako doista pouzdano znamo?”

Ono što Bellovi testovi omogućuju fizičarima jest uklanjanje pristranosti antropocentričnih estetskih prosudbi iz jednadžbe; čisteći iz svog rada dijelove ljudske spoznaje koji zaziru od mogućnosti jezivo neobjašnjive isprepletenosti ili koji se rugaju teorijama skrivenih varijabli kao samo još rasprava o tome koliko anđela može plesati na glavi pribadače.

Nagradom se odaje počast Clauseru, Aspectu i Zeilingeru, ali ona je svjedočanstvo svim istraživačima koji nisu bili zadovoljni površnim objašnjenjima o kvantnoj mehanici i koji su svoja pitanja postavljali čak i kada to nije bilo popularno. “Bell testovi”, zaključuje Giustina, “vrlo su koristan način gledanja na stvarnost.”

Izvor S. American

Preveo  i obradio Igor Drenjančević

Hop

HOP NA TELEGRAMU
https://t.me/hopportal