Fizyka dla każdego

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana za „eksperymenty ze splątanymi fotonami, wykazanie łamania nierówności Bella i pionierski wkład w informatykę kwantową”. Otrzymali ją Alain Aspect (Francuz), John F. Clauser (Amerykanian) oraz Anton Zeilinger (Austriak). Laureatom serdecznie gratulujemy!

Eksperymenty przeprowadzone przez tegorocznych noblistów były związane z debatą między naukowcami w latach 30.  XX wieku na temat natury rzeczywistości. Debata ta miała więc po części naturę filozoficzną. Był to okres w historii nauki, w którym dynamicznie rodziła się nowa fizyka – mechanika kwantowa. Teoria ta tworzona była na potrzeby opisu oddziaływań obiektów o małych masach i rozmiarach, takich jak atomy, molekuły lub cząstki elementarne (fotony, elektrony, pozytony itd.). Potrzeba nowej teorii wynikała, z faktu, że fizyka klasyczna (czyli ta, której uczymy się w szkole podstawowej i średniej), która doskonale wyjaśnia zjawiska w świecie makroskopowym, zupełnie zawodzi w mikroświecie. Sukces nowej teorii był spektakularny – doskonale wyjaśniała one eksperymenty przeprowadzane na obiektach mikroświata. Lepsze rozumienie praw jakimi rządzone są fundamentalne struktury materii doprowadziło do rozwoju inżynierii materiałowej. Można również śmiało stwierdzić, że bez fizyki kwantowej nie udałoby się rozwinąć elektroniki (chipy, mikroprocesory, mikrokontrolery) do stanu jaki mamy obecnie. 

Fizyka kwantowa opiera się na zupełnie niekonwencjonalnym podejściu do opisu rzeczywistości. Podejście to jest tak nietypowe i niezgodne z naszym („zdrowym”) rozsądkiem, że czasami wydaje się wręcz dziwaczne. Fundamentalną ideą teorii kwantowej jest to, że właściwości obiektów istnieją w stanie niepewności, dopóki nie zostaną zmierzone. Innymi słowy w fizyce kwantowej akt pomiaru zmienia rzeczywistość (jakkolwiek by to dziwnie nie brzmiało) i zmiana ta ma charakter przypadkowy. Aby lepiej zobrazować tę szczególną własność cząstek mikroświata, Erwin Schrödinger (jeden z twórców mechaniki kwantowej) posłużył się przykładem kota zamkniętego w pojemniku z trucizną (zob. rys. poniżej). 

Kot Schrödingera (Wikipedia.org)

W pojemniku oprócz kota znajduje się również źródło promieniotwórcze w postaci jednego nietrwałego atomu. W wyniku rozpadu atom emituje cząstkę promieniowania jonizującego, która włącza aparaturę uwalniającą trujący gaz. Ponieważ rozpad atomu ma charakter zupełnie przypadkowy (tzn. po odpowiednio długim czasie atom może się rozpaść lub nie), według mechaniki kwantowej kot istnieje w stanie superpozycji – jest jednocześnie żywy i martwy. Dopiero dokonanie aktu obserwacji (zajrzenie do pojemnika) sprowadza kota do jednego z dwóch możliwych stanów. To w którym konkretnie stanie kot znajdzie się ostatecznie, rządzone jest przez przypadek (prawdopodobieństwo). Według twórców mechaniki kwantowej w taki właśnie sposób zachowują się cząstki mikroświata, znajdują się w stanie niepewności (superpozycji różnych cech), dopóki pomiar nie sprowadzi ich do jednego z możliwych (prawdopodobnych) stanów. 

Z takim obrazem rzeczywistości nie zgadzał się Albert Einstein, który wierzył, że wszystkie obiekty mają dokładnie określone właściwości, które są obiektywne, tzn. istnieją niezależne od aktu obserwacji. Według Einsteina pomiar jest jedynie testem sprawdzającym jaką cechę posiada obiekt i nie ma on wpływu na tę cechę. Natomiast stan superpozycji właściwości, który przewiduje mechanika kwantowa, jest jedynie abstrakcyjnym matematycznym konstruktem, który nie ma miejsca w rzeczywistości. Co prawda mechanika kwantowa dobrze opisuje prawa mikroświata, ale zdaniem Einsteina, dzieje się tak jedynie ze względu na jej statystyczny (probabilistyczny) charakter. Mechanika kwantowa nie jest więc teorią kompletną i musi istnieć jakaś bardziej fundamentalna teoria, która może przewidzieć wyniki eksperymentu ze 100% pewnością. Cytując Einsteina: „Bóg nie gra w kości”. 

Aby wykazać absurd podejścia kwantowego Einstein (razem Boysem Podolskym i Nathanem Rosenem) zaproponował eksperyment myślowy (Gedankenexperiment, nazwany później eksperymentem EPR), który w zmodyfikowanej wersji przedstawiono schematycznie na rysunku poniżej. 

Doświadczenie znane jest jako eksperyment EPR (od pierwszych liter nazwisk autorów: Einstein, Podolsky, Rosen)

Źródło emituje dwie identyczne cząstki (np. fotony lub elektrony) A i B, które oddalają się od siebie w przeciwnych kierunkach na dużą odległości i nie oddziałują ze sobą. Zakładając, że moment pędu układu przed emisją cząstek wynosił zero, to moment pędu po emisji również musi wynosić zero (prawa zachowania pędu i momentu pędu obowiązują również w mikroświecie).  Innymi słowy wyemitowane cząstki muszą mieć przeciwnie skierowane wektory (strzałki) momentu pędu (klasycznie oznaczałoby to, że obracają się w przeciwne strony). Według mechaniki kwantowej, każda z cząstek znajduje się jednak w stanie superpozycji obydwu możliwych stanów (w analogii klasycznej. oznaczałoby to, że obracają się jednocześnie w prawo i w lewo). Pomiar momentu pędu cząstki A sprowadza ją do jednego z tych możliwych stanów, ale to oznacza, że natychmiast cząstka B zostaje sprowadzona do stanu przeciwnego. Tak jakby cząstka B natychmiast dostała informację, że cząstka A została scharakteryzowana. Oznaczałoby to, że wymiana informacji między cząstkami nastąpiła z prędkością większą niż prędkość światła. Sytuacja wydawała się paradoksalna, bo fizycy zgodnie uznają, że informacja nie może być przekazywana z miejsca na miejsce z prędkością większą od prędkości światła. Takie „konspiracyjne porozumiewanie się” obydwu cząstek, przewidywane przez mechanikę kwantową, zostało nazwane splątaniem kwantowym (autorem nazwy jest Erwin Schrödinger). 

Artystyczna wizja splątania kwantowego (nobleprize.org)

Problem czy mechanika kwantowa poprawnie opisuje naturę rzeczywistości pozostałby pewnie problemem natury filozoficznej, gdyby nie irlandzki fizyk John Stewart Bell. W latach 60. XX wieku wykazał on teoretycznie, że jeżeli cząstki kwantowe posiadają cechy niezależne od aktów obserwacji (jak twierdził Einstein), to eksperymenty wykonane wielokrotnie z takimi cząstkami, powinny dawać wyniki, które pozostają w pewnych statystycznych korelacjach (nazywanych nierównościami Bella). Natomiast mechanika kwantowa nie spełnia tych nierówności. Tutaj na scenę wkraczają tegoroczni nobliści, którzy wykonali serię przełomowych eksperymentów ze splątanymi cząstkami światła (fotonami) i wykazali, że wyniki pomiarów nie spełniają nierówności Bella. Innymi słowy udowodnili doświadczalnie, że mechanika kwantowa poprawnie opisuje rzeczywistość, cząstki znajdują się w stanie superpozycji przed pomiarem, a stany splątane cząstek są realne. Innymi słowy Einstein mylił się.

Bardzo szybko odkryto, że stany splątane można wykorzystać praktycznie, m. in. w kwantowej kryptografii, która pozwala na bezpieczne szyfrowanie wiadomości oraz do szybszych i efektywniejszych obliczeń numerycznych. Obecnie jesteśmy na progu stworzenia pierwszego komputera kwantowego.

Dlaczego splątane cząstki „porozumiewają się” z prędkością większą niż światło? Tego do końca nie wiemy, prawdopodobnie stanowią jeden obiekt, pomimo, że są dwie. To jedno z „dziwactw” mechaniki kwantowej.

Przeczytaj również opinię o tegorocznej nagrodzie wygłoszoną przez prof. Dariusza Chruścińskiego, kierownika Katedry Fizyki Matematycznej na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK: https://www.fizyka.umk.pl/wiadomosci/?id=27331

Opracowanie: Kamil Fedus