Čudesno, a stvarno – svet kvantne fizike
„Ako mislite da razumijete kvantu fiziku, onda ne razumijete kvantnu fiziku“ –
izgovorio je i nije izgovorio o kvantnoj fizici Ričard Fajnman.
Jedna od najfascinantnijih stvari kvantne fizike je kvantna isprepletanost. Fascinantna ili možda jeziva, kako je opisao Ajnštajn ali upravo za rad na ovom polju su trojica fizičara dobili Nobelovu nagradu za fiziku u oktobru prošle godine. Njih trojica su se bavili upletenim fotonima, koji se ponašaju kao jedna jedinica čak i kada su fizički razdvojeni, nezavisno od udaljenosti.
Ovo je zgodan momenat da već na početku razjasnimo neke možda maglovite lekcije iz obične fizike: foton je elementarna čestica ili kvant elektromagnetnog zračenja, preciznije – svjetlosti.
Dakle zamislimo ga kao veoma veoma malu česticu. Šta je onda ta isprepletanost fotona? Ako su dva fotona upletena i jedan ima spin u smjeru kazaljke na satu, drugi može biti bilo gdje, sigurno će imati spin u smjeru suprotno od kazaljke na satu. Ovo svojstvo kvantne fizike predstavlja jednu od primarnih osobina koja nije prisutna u klasičnoj fizici. U klasičnoj, česticu A kad razdvojite od čestice B i odnesete ih dovoljno daleko jednu od druge, nemaju više nikakvu međusobnu vezu. Ne postoji oblast koja je više apstraktna i neprilagođena našem poimanju prirode i svijeta koji nas okružuje nego što je to kvantna fizika. Zato je možda najbolje krenuti od nečega opipljivog, a to su kada je fizika u pitanju uvijek eksperimenti.
Eksperiment koji postavlja više pitanja nego što daje odgovora
Vjerovatno najpoznatiji od svih je eksperiment sa dva proreza. Istorijat ovog eksperimenta seže do 1801. ali tada nije imao veze sa kvantnom fizikom već je poslužio kao dokaz za talasnu prirodu svjetlosti. Krajem 20. vijeka postaje jedan od najbizarnijih i najšokantnijih eksperimenata u modernoj nauci. O čemu se zapravo radi i kako to izgleda?
U eksperimentu se iz laserskog topa ispaljuju fotoni kroz vertikalni prorez, a iza proreza se postavlja prepreka (displej) na kojoj se te čestice skupljaju i na kojoj vidimo rezultate. Kao i što očekujemo, trag na barijeri je vertikalna štrafta koja je iscrtana od udara velikog broja čestica. Kada dodamo i drugi prorez, očekivani rezultat bi bio dvije vertikalne štrafte. Međutim, ne, slika koju imamo je drugačija.
Prvi logičan zaključak bi bio da čestice ometaju jedna drugu i da se posle prolaska kroz proreze sudaraju i kvare rezultat. Naučnici onda ispaljuju jedan po jedan foton iz lasera, međutim rezultat je identičan, opet imamo sliku interferencije. Jedina mogućnost da se ovo desi je to da foton koji se ispaljuje iz laserskog topa istovremeno prolazi kroz oba proreza. Da, da, dobro ste pročitali, u isto vrijeme, jedna čestica prođe kroz dva otvora. Posle prolaska sudari se sa samom sobom i ostavi trag kao da je u pitanju talas.
Ovo šokantno saznanje naučnici su odmah htjeli dalje da ispitaju. Kako to da istovremeno prođe kroz oba otvora? Postavlja se detektor koji će evidentirati kada foton prođe kroz neki prorez. Međutim, čim je detektor tu foton se opet ponaša kao čestica a ne kao talas. Opet kada se skloni detektor, svi ispaljeni fotoni prave otisak kao da je u pitanju talas. Kako foton “zna“ da li ga čovjek snima? Ako vam do ovog momenta stvari nisu dovoljno “lude“, onda idemo dalje.
Varijacije eksperimenta i potvrde šokantnosti
Eksperiment je ponovljen od strane mnogih naučnika i doživio je razne varijacije i dopune, ali čudan svijet kvantne mehanike je postajao sve čudniji. Sasvim racinalno pitanje koje se ovdje postavilo je da možda sam detektor ne utiče na ponašanje sićušne stvari kakva je foton. To je dovelo do proširenog eksperimenta sa dva proreza zvanog „kvantni brisač“.
Posle ispaljivanja fotona, postavlja se nekoliko ogledala i prizmi koje neke od fotona prvo detektuju a onda usmjeravaju tako da izgubimo saznanje o njihovoj putanji i informaciji iz kog proreza su došli. Na ponovno zaprepašćenje, ovakvi fotoni se ponašaju kao talas, iako smo u jednom momentu znali odakle su potekli. Samim tim, jasno je da detektori ne utiču na ponašanje fotona. Ako ih na samom kraju „gledamo“ ponašaju se kao čestice, ako sklonimo detektore onda imaju talasnu prirodu, bez obzira šta se sa njima dešavalo ranije.
Spisku nevjerovatnih varijacija ovog eksperimenta tu nije kraj. Vilerov eksperiment odloženog izbora je prvi put predstavljen 1978. i kasnije je doživio seriju misaonih eksperimenata koji pokazuju da izbor utiče na događaj koji se već desio u prošlosti.
U ovoj varijanti se ispaljuju po dva para upletenih fotona kroz dva otvora, od kojih po jedan ide u pravcu detektora D1 koji prikazuje rezultat (talas ili čestica) a drugi ide u pravcu detektora D2, D3 ili D4. Ispred ova tri detektora se postavljaju staklene prizme koje sa jednakom vjerovatnoćom propuštaju fotone ili ka D2 i D3 ili ka D4. Detektor 1 i detektor 4 nemaju informaciju kroz koji je prorez prošao upleteni foton, dok se na detektorima 2 i 3 zna tačna putanja i iz kojeg je proreza došao. U slučaju da fotoni prođu ka D2 i D3, očigledno je da će se znati odakle su došli i rezultat će biti dvije štrafte i na D2 i D3 ali i onog upletenog na D1.
U slučaju ako fotoni prođu ka D4, onda ne znamo odakle fotoni dolaze i javlja se slika interferencije, odnosno više štrafti i ista slika se javlja i na D1.
Ukoliko detektore D2, D3 i D4 udaljimo dovoljno da prvi upleteni foton stiže do D1 prije nego njegov upleteni drugar do nekog od ovih udaljenih, rezultat je nepromijenjen. Tako ispada da se određenim događajem na daljoj lokaciji (do koje foton stiže kasnije) određuje šta će se desiti ranije kod lokacije koja je bliža izvoru. Ako potpuno sklonimo detektor D4 i prizme, mi uključivanjem i isključivanjem detektora D2 i D3 biramo šta će se desiti u prošlosti na D1. Zvuči besmisleno? Da, upravo to, ali situacija je jasna – to se stvarno dešava i bunt naše uobičajene logike toj činjenici ne može ništa. Kvanta fizika se ne pokorava zakonima na koje smo navikli.
Povezanost čestica na velikim daljinama
Kvantna isprepletanost fotona sa početka priče je dobila i praktičnu provjeru od strane kineskih naučnika. Oni su dva upletena fotona udaljili na 1200 km i stvar je funkcionisala. Sve što bi bilo urađeno sa jednim fotonom dovelo bi do promjene i na drugom fotonu. Ova sposobnost upletenih fotona daje odličnu mogućnost za komunikaciju, koja bi bila potpuno zaštićena i sigurna. Uprošćeno, sve što vam je potrebno je foton koji je uparen sa onim kod vašeg sagovornika, a mogućnosti za presretanje takve komunikacije su potpuno eliminisane.
No nije sve u vezi kvantne mehanike u budućem vremenu. Kvantni računari su već neko vrijeme u fazi razvoja i trka u njihovim performansama sve više uzima maha. Obični računari koje koristimo danas rade sa binarnim bitovima i sve podatke sa kojima barataju označavaju sa nulama i jedinicama.
Prevedeno u opipljivi svijet, 1 znači da ima struje ili napona, 0 da nema. Ponovo šokantno, kod kvantnih računara stanje može biti istovremeno i 0 i 1. To automatski daje mnogo veći broj mogućih kombinacija i puno veću moć obrade u odnosu na klasični računar. Običnom računaru bi trebalo više bita nego što ima atoma u poznatom Univerzumu da bi predstavio stanje na procesoru IBM-ove perjanice – kvantnog računara Osprey sa 433 kvantna bita. Ipak, da bi ovakav računar uopšte funkcionisao, njegov procesor mora da radi na temperaturi približno apsolutnoj nuli, a to znači na -273 stepena Celzijusa.
Šta je stvarnost?
Čovjekova potreba da spozna prirodu je razumljiva i vodi nas naprijed, sa manjim ili većim oscijlacijama, već hiljade godina. U potrazi za odgovorima u novijem dobu često se javlja i potreba za senzacijom, za nevjerovatnim vijestima koje pomjeraju granice razuma i naravno pomjeraju granice broja klikova i zarađenog novca od reklama. Umjesto jurnjave za izmišljenim ili vrlo upitnim činjenicama dovoljno je začeprkati u svijet kvantne fizike i eto istinske senzacije. Lopta prolazi kroz zid, pogledajte! Zvuči kao lažna vijest i klasičan naslov za privlačenje publike.
Zapravo, tako nešto je zaista moguće, samo na niovu malih čestica – kvantna loptica zaista može da prođe kroz zid i ova pojava je odavno poznata kao tunel efekat. Sama činjenica da mi posmatranjem i formiranjem svijesti o nekom događaju utičemo na sam događaj iz temelja ljulja sve ono na šta smo navikli i kako funkcionišemo. No, pokreće i neka filozofska pitanja. Nils Bor je zapisao “Ako vas kvantna mehanika nije duboko šokirala, onda je još niste razumjeli. Ono što mi nazivamo stvarnošću sazdano je od stvari koje ne možemo da smatramo stvarnim.“
Čudesno, a stvarno.
Tekstovi o nauci na portalu P.U.L.S.E
Čudesno, a stvarno – svet kvantne fizike napisao/la P.U.L.S.E dana
Pregled tekstova autora – P.U.L.S.E →