Patogiai manome, kad net ir nestebimi objektai egzistuoja. Bet tokį įsitikinimą netrukus gali pakeisti naujas testas, skirtas nustatyti ar kvantinis keistumas išlieka ir makroskopiniuose objektuose

Senas filosofinis klausimas – jei niekas negirdėjo miške virstant medį, ar virstantis medis kokį nors garsą sukėlė? Paklaustas kvantų fizikas nuramins, kad buvo – bet negalima tvirtinti, kad buvo medis.

Kvantinė mechanika seniai plečia smulkiausios realybės supratimo ribas. Tarkime, nesuskaičiuojami eksperimentai parodė, kad dalelės sklinda kaip bangos, ar būna daugiau nei vienoje vietoje tuo pačiu metu. Kvantiniame pasaulyje galime žinoti tik tikimybę, kad kažkas vienoje ar kitoje vietoje pasirodys – kol pasižiūrime, kur galiausiai ji apsistojo. Tai nedavė ramybės ir Albertui Einšteinui. „Esu linkęs manyti, kad Mėnulis yra netgi tuomet, kai į jį nežiūriu,“ sakė jis.

Nauja eksperimentų klasė tikrina Einšteino įsitikinimą, aiškinasi, ar kvantiniai keistumai plinta ir už mažutėlaičio kvarkų, atomų ir kubitų pasaulio ribų į kasdienį lėkščių, kėdžių ir, ką jau ten, mėnulių, pasaulį. „Jei galima pritaikyti vienam atomui, dviems, trims, keturiems, penkiems, ar tūkstančiams atomų, kodėl turėtume sustoti?“ klausia Jona than Halliwell iš ICL.

Šiais eksperimentais tiriamas ne tik griežtos ribos, skiriančios kvantinį pasaulį nuo klasikinio, egzistavimas, bet ir ieškoma tikrosios realybės prigimties. Jei šis darbas vyks taip, kaip tikisi kai kurie teoretikai, jis gali pakirsti vieną iš tvirčiausių įsitikinimų: kad daiktai egzistuoja, nepaisant to, ar žiūrime į juos.

1935 metais Einšteinas sugalvojo mintinį eksperimentą, turintį parodyti, kad kvantinė mechanika nėra užbaigta tikrovės teorija, kurią anksčiau ar vėliau teks pakeisti. Su kolegomis Borisu Podolsky'iu ir Nathanu Rosenu, jis įsivaizdavo porą dalelių, susietų taip, kad paveikus vieną dalelę, poveikis iš karto atsiliepia ir kitai. Išmatavus vienos dalelės, tarkime, poziciją ar greitį, ir iš karto žinosime ir antrosios dalelė atitinkamas charakteristikas, netgi jų nematavę. Dabar tarkime, kad šios dalelės yra priešingose visatos pusėse ir atliekame tokį pat matavimą. Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad informacija tarp dalelių perduodama didesniu, nei šviesos greičiu.

Einšteinas ginčijo, kad šis „baugus poveikis per atstumą“ toks absurdiškas, kad bet kokio susietumo eksperimento rezultatas turi būti apspręstas iš anksto. Fizikui Johnui Bellui toks kvantinės mechanikos neapibrėžtumas irgi buvo ne prie širdies, tad 1964 metais jis sukūrė matematinį būdą šį paradoksą patikrinti, vadinamąją Bello nelygybę. Jeigu Einšteinas su kolegomis neklydo, Bello nelygybė pasitvirtintų.

Vėl ir vėl, eksperimentai rodo, kad Bello nelygybė pažeidžiama. Jei teigiate, kad realybė yra klasikinė, o ne kvantinė, tuomet norint paaiškinti susietumą ir Bello nelygybės pažeidimą, „reikia tarti, kad kažkas vyksta greičiau, nei sklinda šviesa“, sako Vlatko Vedral iš Oxfordo universiteto. Einšteinui reikia rinktis tarp realybės kvantinio keistumo ir visuotinio greičio ribos pažeidimo.

Bet tai dar ne viskas. Bello nelygybė taikoma lokalumui, idėjai, kad atstumas tarp objektų turi reikšmę. Į klausimą, ar Mėnulis yra, kai į jį nežiūri, jis neatsako. Realizmo požiūriu, dalelės pozicija, greitis, energija ir kitos savybės gali būti ganėtinai gerai nustatytos ir matavimas objekto veiksmų ateityje pakeisti neturėtų. Tuo tarpu kvantinė mechanika prideda neužtikrintumus ir superpozicijas, daugelio įmanomų tapatybių mišinius, įgyjančius vieną reikšmę, kai atliekamas matavimas.

Makroskopinių objektų realizmas vadinamas, nesunku atspėti, makrorealizmu. Žvelgdami į Mėnulį ar matuodami atstumą iki jo lazeriu, jo nekeičiame – bent jau įprastiniu požiūriu. „Makrorealizmas yra išsamiausia klasikinės realybės išraiška,“ sako Halliwellas. Ir, panašiai, kaip Bello nelygybę, ją galima patikrinti.

Realybės tikrinimas

Leggett-Garg nelygybe, kurią 1985 metais sukūrė Anthony Leggett ir Anupam Garg, irgi ieškoma koreliacijų tarp matavimų, taip tikrinant, laikomasi klasikinių ar kvantinių taisyklių. Bet vietoje dviejų dalelių skirtingose vietose, kaip Bello nelygybės atveju, šioje nelygybėje tikrinamas vieno objekto pokytis einant laikui. Dėl to Leggettas ir Gargas suprato teoriškai galį patikrinti ir labai didelių objektų kvantiškumą. Kitaip tariant, jų nelygybe galima nustatyti realizmo galiojimą įprastame pasaulyje.

 

„Patinka manyti, kad Mėnulis yra, net jeigu į jį nežiūriu“

Pastaraisiais metais pirmieji Leggett-Garg eksperimentai buvo atlikti su paprastomis kvantinėmis superlaidžių skysčių ir fotonų , atomų branduolių ir mažų kristalų sistemomis. Jais dar kartą patvirtinta, kad mikroskopinis pasaulis nėra realus. Atliekant Leggett-Garg eksperimentus, svarbu užtikrinti, kad jie nėra invazyvūs, tad, reikia būdo išmatuoti dalelę jos nesutrikdant. Tai nelengva, bet įmanoma. Ir kiekvienu atveju tyrėjai išsiaiškindavo, kad kiekvieno neinvazyvaus matavimo atveju, kurį jie sugebėjo atlikti, sistema buvo būsenų superpozicijoje.

Dabar metas išbandyti ką didesnio. „Visa tai susiveda tai, kiek toli taip galima nueiti,“ sako Urbasi Sinha iš Raman tyrimų instituto Indijoje. „Iš tiesų nežinome.“

Didžiausius kvantiškai besielgiančius objektus stebėjo Markus Arndt su kolegomis Viennos universitete, Austrijoje, atlikdamas kitokį eksperimentą. 2020 metais jie per dvigubą plyšį po vieną leido objektus, ir tikrino, ar jie elgsis, kaip bangos ir suformuos interferencinius vaizdus, kad parodytų, jog baltymai paklūsta kvantinėms taisyklėms.

Toks būdas nėra idealus. Naudojant didelius, sudėtingus objektus, jų kvantiškumas greitai išgaruoja dėl sąveikos su aplinka – vadinamosios dekoherencijos. Kvantinės būsenos yra trapios. Jas kaip mat suardo dujų molekulės, pašalinės šviesos fotonai ar net silpnučiai magnetiniai ar elektriniai laukai. „Tinkamai nepasirengus, bet koks kvantinis objektas gali elgtis kaip klasikinis,“ pažymi Chiara Marletto iš Oxfordo universiteto. Dvigubo plyšio eksperimentas šiuo atžvilgiu itin keblus, nes dvigubo plyšio interferencijos vaizdo susidarymas ilgai trunka ir visą šį laiką gali įvykti dekoherencija.

Leggett- Garg eksperimentai ne menkiau keblūs. Jie turi savų dekoherencijos šaltinių, bet tyrėjai privalo sugalvoti, kaip išmatuoti sistemą, jos nesutrikdant. Tik tada galima užtikrintai pasakyti, ar objektai yra kvantinėje superpozicijoje. „Matuoti reikia gudriai,“ sako Sinha. „Bandai kažką išmatuoti, bet antra vertus, nori užtikrinti, kad matavimas nepaliktų jokių įsiterpimo žymių.“

Daugumos kvantinių sistemų – judančių diskretiniais žingsneliais – į klasikinį pasaulį, kur judėjimas yra tolygus, ištempti neįmanoma. Dėl to sunku tuo pačiu eksperimentu tirti kvantinius objektus ir dalykus, kuriuos įprastai laikome klasikiniais. Bet fizikos teoretikas Sougato Bose iš UCL turi planą. Jis siūlo naudoti eksperimentinį įrenginį, galinti apjungti klasikinį ir kvantinį pasaulį – paprastą harmoninį osciliatorių iš pirmyn ir atgal, kaip svyruoklė šulinyje, judančio objekto. O tiksliai kaip jis osciliuoja, priklauso nuo to, kokioms taisyklėms jis paklūsta – kvantinėms ar klasikinėms. O kadangi paprasto harmoninio osciliatoriaus dydžio teoriškai niekas neriboja, Bose su kolegomis tikisi juo peršokti į makroskopinį pasaulį – panaudodami 100 000 kartų masyvesnį nanokristalą, nei Arndto komandos naudoti objektai.

Tyrėjų idėja yra yra užfiksuoti svyruojantį nanokristalą tuomet, kai jis turėtų būti osciliatoriaus viduryje, ant ribos tarp kairės ir dešinės (žr. „Realybė sūpuoklėse“). „Mes nestebime, tuomet staigiai užfiksuojame stebėjimą,“ sako Bose. Bet svarbiausia, kad detektorius galės matyti tik vieną osciliatoriaus pusę. Jei tyrėjai matys nanokristalą, žinos, kad jis šioje pusėje, jei ne – kitoje.

Jei kristalas elgiasi klasikiniu būdu, jis turėtų būti pusėje pirmų matavimų. Tuomet, palaukę pusę svyravimo periodo, tad, nanokristalui sugrįžus į sistemos centrą, tyrėjai vėl atliks matavimą ir jį pamatyti tikėsis pusę laiko. Bet jei dalelė kvantinė, jos nepamatymo vienoje osciliatoriaus pusėje aktas vadinamąją bangos funkciją – matematinį kvantinės būsenos aprašymą – kolapsuos. Netgi jei nematome nanokristalo, žinome jo poziciją, ir dėl kvantinio neapibrėžtumo tai suteikia dalelei momentą ir pakeičia jos osciliaciją. Kartodami matavimus apibrėžtais intervalais, tyrėjai tikisi nustatyti koreliaciją, parodysiančią, ar nanokristalas elgiasi kaip klasikinis ar kaip kvantinis objektas. Viso to triukas yra nenaudoti matavimų, kuomet nanokristalas matomas ir palikti tik tuos, kuriuose jis nematomas, kad matavimai būtų neinvazyvūs.

Bose su bendradarbiais tokį eksperimentą pasiūlė dar 2018 m., bet tik dabar dekoherencijos padedanti išvengti nanokristalų išlaikymo ir šaldymo technikos bei lazerių tikslumo pažanga reiškia, kad jis gali būti realizuotas. Kartu su eksperimentus atliekančiu Hendriku Ulbrichtu iš Southampton universiteto, JK, Bose planuoja atlikti testą su nanokristalu iš maždaug milijardo atomų. „Tai didelis šuolis,“ pastebi Ulbrichtas.

Tik neseniai lazeriai tapo pakankamai tikslūs, kad būtų galima nustatyti, kurioje osciliatoriaus pusėje yra nanokristalas. Didesnės dalelės atitinka mažesnes bangas, todėl šių nanokristalų atveju lazeriais turi būti įmanoma išskirti vandens molekulės dydžio pločius. Ulbrichtas ir Bose expect tikisi rezultatus gauti per artimiausią pusmetį. Jei eksperimentas pažeis Leggett-Garg nelygybes, jis sulaužys makroskopinių objektų realizmo koncepciją.

Tačiau netgi jei bus toks galutinis rezultatas, bus sunku visus įtikinti tokiu kvantų pasaulio išsiplėtimu. Pavyzdžiui, Leggett-Garg eksperimentais iš tiesų tikrinama, ar sistema elgiasi kaip klasikinė; jei ne, daroma prielaida, kad ji elgiasi, paklusdama kvantinei mechanikai, bet taip nebūtinai turi būti. Kita kliūtis – spragos, dėl kurių Leggett-Garg nelygybes gali pažeisti ir klasikinė sistema. Nors matavimai turėtų būti neinvazyvūs, praktika atveria vadinamas nerangumo spragas. „Užkietėjęs makrorealistai cinikas visada galėtų pasakyti: „Ah, sistemą sutrikdė pats matavimas“,“ sako Halliwell, ieškanti naujų matavimo metodų, kuriais tokių problemų būtų išvengiama.

Plytų sienos

Yra dar ir suokalbio spraga, kuomet eksperimente nedalyvaujančios dalelės sukelia pažeisto makrorealizmo įspūdį, nors taip nėra. Ir nepamirškime aptikimo spragos, kur rezultatus gali iškreipti detektoriaus negebėjimas registruoti kiekvieną dalelę.

Tyrėjai, tokie, kaip Sinha, stengiasi užtaisyti visas įmanomas Leggett-Garg eksperimentų spragas. Anksčiau šiais metais jos laboratorijoje, sistemoje iš fotonų, buvo atliktas, pasak Halliwell, kol kas patikimiausias patikrinimas. „Užtaisėme likusias spragas, tačiau niekada negalima tvirtinti, kad jame jokių spragų nelikę,“ sako Sinha.

Bellp nelygybės patikrinimas be spragų buvo publikuotas tik 2015 metais, praėjus pusšimčiui metų nuo Bello idėjos iškėlimo. Netgi dabar akyli fizikai nurodo galimus šių eksperimentų įtrūkimus. Ulbrichtas supranta, kad jų eksperimente spragų irgi tikriausiai bus. „Esu tikras, vyks labai sveiki ir ilgi debatai,“ sako jis.

Joks vykdytas eksperimentas niekada nėra prieštaravęs kvantinei mechanikai. Ir nėra jokio pagrindo manyti, kad kvantiniai keistumai netaikytini Mėnulio dydžio ar dar didesniems objektams, jei sistema izoliuojama nuo aplinkos sukeliamos dekoherencijos. „Teoriniu požiūriu, kvantinė teorija nenustato jokių kvantinės superpozicijos objekto dydžio apribojimų,“ pažymi Marletto.

Bet Ulbrichtas viliasi, kad šie eksperimentai gali atskleisti plytų sieną, kurios jokia kvantinė sistema įveikti negalėtų. Tokia kvantinį ir klasikinį pasaulį skirianti siena išgelbėtų pažįstamą realybę, pasiūlydama mūsų įprastam pasauliui būdą išsivaduoti iš kvantinių keistumų. „Gali būti universalus mechanizmas, visas kvantines sistemas paverčiantis klasikinėmis, vos jos į tą plytų sieną atsitrenkia,“ sako jis. Viena idėja, kurią 1987 metais pasiūlė Lajos Diósi iš Wigner fizikos tyrimų instituto Vengrijoje ir Rogeris Penrose'as iš Oxfordo universiteto, yra, kad mūsų klasikinė realybė randasi iš erdvėlaikio struktūros nestabilumo.

 

„Plytų siena tarp kavntinio ir klasikinio pasaulio išgelbėtų mums pažįstamą realybę “

Tikrinantis kvantinės mechanikos pritaikomumą vis didesniems objektams, Ulbrichtas tvirtina, kad taip galima atmesti kai kuriuos kvantinės mechanikos plėtinio – objektyvaus kolapso teorijos, numatančios, kur toji plytų siena turėtų būti, – modelius. Tačiau bus neįmanoma užtikrinti, kad siena egzistuoja, nes kolapsą visada gali sukelti kokia nors eilinė dekoherencija. „Kartais aplinka būna labai pasalūniška,“ pastebi Bose. Plytų siena ar kas visai kito, „nukrypimo nuo kvantų teorijos prognozių aptikimas – nesvarbu, patinka jums kvantinė teorija, ar ne – būtų puiku, nes galėtume pabandyti rasti naują teoriją“, sako Marletto. „Tai, kad kvantinė teorija tikrai gerai patvirtinama eksperimentiškai, žmonėms kelia frustraciją.“

Taigi, ar Mėnulis yra, kai į jį nežiūri, ar iš viso tas medis miške yra, kur galėtų nuvirsti? Leggett-Garg nelygybėms sėlinant į išties makroskopinį pasaulį, vis užtikrinčiau skamba neigiamas atsakymas. „Jei pažeidžiamas makroskopinis realizmas, negalime tarti, kad Mėnulis yra,“ sako Halliwell. Tokia realybė, apie kokią mąstome, gali nebūti reali.

Netgi įmanoma, kad būsimos Leggett-Garg nelygybės nesutaps ne tik su klasikinio pasaulio taisyklėmis, bet pažeis ir lig šiol nesulaužytas kvantines. „Tai suteiktų užuominą apie savotišką post kvantinį pasaulį,“ teigia Vedral. „Sunku tai įsivaizduoti, kaip tai galėtų būti, bet manau, rasime kažką netgi dar keistesnio.“

Komentarai (9)