Albert Einstein nie chciał się pogodzić z tezami teorii kwantowej, która opisuje prawa rządzące najmniejszymi cząstkami materii. I trudno się dziwić genialnemu fizykowi. Z podobnym problemem zmaga się także każdy laik, któremu uczeni próbują wyjaśnić, o co w tym wszystkim chodzi: po prostu trudno zrozumieć, że właściwość układu kwantowego zaczyna istnieć dopiero wtedy, gdy zostanie zmierzona.
Według mechaniki kwantowej do momentu przeprowadzenia pomiaru układ może znajdować się jednocześnie w wielu stanach, czyli w tzw. superpozycji. - To tak, jakby jeden człowiek był zdolny iść jednocześnie w prawo i w lewo - wyjaśnia Radek Łapkiewicz, uczestnik najnowszych badań. W mechanice kwantowej człowiek idzie w prawo dopiero wówczas, kiedy go na tym przyłapiemy.
Rzeczywistość nie istnieje
Można powiedzieć, że pomiar nie tyle ujawnia wartość danej cechy cząstki (np. jej pędu lub położenia), co tak naprawdę ją tworzy. To obserwator decyduje, którą z wielu możliwych właściwości "powoła do życia". I tego właśnie nie chciał zaakceptować genialny fizyk, Albert Einstein. Wierzył w istnienie obiektywnej rzeczywistości, niezależnej od tego, czy ktoś ją obserwuje czy nie.
Kolega Einsteina Abraham Pais wspominał: - Na jednym ze spacerów Einstein nagle się zatrzymał, obrócił w moją stronę i spytał, czy naprawdę wierzę, że Księżyc istnieje tylko wtedy, kiedy na niego patrzę.
Ale kolejne obserwacje fizyków potwierdzały, że pomiary mają realny wpływ na zachowanie cząstek. I nie wynika to wyłącznie z faktu, że inwazyjna metoda pomiaru zmienia właściwości badanych obiektów.
Koronnym dowodem są coraz doskonalsze obserwacje par splątanych cząstek, prowadzane już od lat 60. XX wieku. Testy wykonywane na jednej z nich natychmiastowo wpływają na drugą, niezależnie od dzielącej je odległości (zjawisko to zaobserwowano nawet dla dystansu ponad 100 km). Pomiary każdej z cząstek dają zupełnie przypadkowe wyniki, ale, gdy zestawimy dane dla obu cząstek, okaże się, że są one identyczne.
Własności powstają podczas mierzenia
Od dawna próbowano wyjaśnić te zjawiska w oderwaniu od mechaniki kwantowej - tworząc alternatywne "teorie ukrytych zmiennych", w których układy mają dobrze określone właściwości, niezależne od obserwacji. Jak podkreśla Łapkiewicz, nie cieszą się one jednak popularnością wśród uczonych. To mechanika kwantowa jest powszechnie uznawana za dobry opis świata.
Do tej pory nie było jednak udokumentowanego doświadczenia (nie dotyczącego cząstek splątanych), które by wykluczało alternatywne teorie. Teraz już jest: zawdzięczamy go grupie młodych naukowców z Uniwersytetu Wiedeńskiego pod kierunkiem prof. Antona Zeilingera.
Wynik nie zaskakuje, ale jest dla fizyki przełomowy: wygrała mechanika kwantowa! Dr Marcin Wieśniak: - Wyszliśmy z założenia, że fizyka jest nauką doświadczalną i postanowiliśmy zrealizować eksperyment, który wykluczyłby istnienie zmiennych ukrytych.
Jak wyjaśnia naukowiec odpowiedzialny za teoretyczną część badania, w eksperymencie wykorzystano nierówność zaproponowaną w 2009 roku przez grupę tureckich matematyków. Jest ona spełniona, jeśli wyniki pomiarów jednej cechy są niezależne od tego, jakie pozostałe właściwości danej cząstki są badane. Pewne teorie ukrytych zmiennych nie mogą być prawdziwe (nierówność nie zostanie spełniona), jeśli poziom korelacji pomiędzy wynikami pomiarów dwóch różnych cech tej samej cząstki przekroczy graniczną wartość.
W Wiedniu udało się zademonstrować, że - nawet bez splątania - wyniki pomiarów nie dają się opisać przy użyciu ukrytych zmiennych niezależnych od pomiarów - wyniki uzyskane przez eksperymentatorów złamały nierówność.
Ukryte zmienne jak teorie spiskowe
Wieśniak: - Nie mogę powiedzieć, że ostatecznie wyeliminowaliśmy alternatywne opisy. To jest walka z teoriami w pewnym sensie spiskowymi.
Łapkiewicz: - Obserwacja łamania nierówności Bella (dotycząca cząstek splątanych) udowodniła już, że zaskakujące efekty kwantowe są faktem, i być może warto pomyśleć o ich wykorzystaniu. Narodziła się koncepcja ich zastosowania w obróbce oraz przesyłaniu informacji. Znaleziono i zademonstrowano protokoły służące kryptografii czy teleportacji. Może w tym przypadku będzie podobnie. My także pokazaliśmy, że wynik, który dotychczas istniał tylko na papierze, można zobaczyć w laboratorium.
Pracę opisującą przebieg doświadczenia i jego wyniki opublikowało ostatnio czasopismo "Nature".
(ew/pap/PhysOrg)
