2015-10-09
Kategoria: Nauka

„Upiorne działanie na odległość”. Czy Einstein się mylił?

Albert-Einstein-TongueNauka to nie tylko błyskotliwe fajerwerki geniuszu zawarte w rewolucyjnych teoriach. Sęk w tym, że zawarte w nich tezy trzeba udowodnić. Jest to szczególnie ważne, w wypadku, gdy jedna z nich stawia pod znakiem zapytania twierdzenia samego Einsteina. Zdarza się, że zajmuje to czasem nawet pięćdziesiąt lat. Tym większy powód do radości uczonych, kiedy wreszcie się uda. I nie tylko uczonych. Tym razem powód do radości mamy wszyscy. Pod warunkiem, że… nie jesteśmy hakerami.

John-Bell-thumbNajbardziej cieszyłby się zapewne autor rewolucyjnych tez, John Stewart Bell, północnoirlandzki uczony. Jego teoria znana w świecie fizyki jako twierdzenie Bella, znalazła wreszcie potwierdzenie w eksperymencie przeprowadzonym w sierpniu 2015 roku na uniwersytecie w holenderskim mieście Delft. Ta pierwsza w historii udana, najbardziej rygorystyczna próba przeprowadzenia testu splątania kwantowego, skomentowana została natychmiast przez świat naukowy jako „historyczny moment”. Niestety, sam Bell nie mógł być świadkiem swojego triumfu. Uczony zmarł bowiem w 1990 roku.

Twierdzenie Bella (zwane też nierównością Bella) to twierdzenie dotyczące mechaniki kwantowej i teorii pomiaru, pokazujące, w jaki sposób przewidywania mechaniki kwantowej różnią się od klasycznej intuicji: Żadna teoria zmiennych ukrytych zgodna z teorią względności nie może opisać wszystkich zjawisk mechaniki kwantowej.

Dlaczego eksperyment przeprowadzony w Delft miał aż takie znaczenie dla nauki i co przeprowadzony z sukcesem test Bella ma wspólnego z hakerami? Odpowiedź na to pytanie wymaga cofnięcia się w przeszłość, do lat 30. ubiegłego wieku.

Scheme-of-a-Two-Channel-Bell-Test

Schemat testu nierówności Bella: Źródło (S) wysyła parę fotonów do Alicji i Boba. Każde z nich mierzy polaryzację otrzymanego fotonu ustawiając odpowiednio swój polaryzator (ab) i odczytując który z detektorów (D+ czy D-) odbierze foton. Wyniki są przesyłane do odbiorcy (CM) który zlicza statystyki dla każdego ustawienia polaryzatorów.

„Upiorne działanie na odległość”

Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej ten sam obiekt może znajdować się jednocześnie w różnych stanach. Może być na przykład w dwóch miejscach, czy przyjmować jednocześnie różne wartości spinu. Co więcej, obiekty mogą być ze sobą powiązane-splątane w ten sposób, że zmiana jednego z nich skutkuje NATYCHMIASTOWĄ zmianą stanu wszystkich obiektów z nim powiązanych.

Ta natychmiastowość oznaczała, że działoby się to z prędkością nieskończoną. A więc zgodnie z teorią Einsteina – nieistniejącą.

Twórca teorii względności, aby wytłumaczyć niemożliwe, zaproponował teorię zmiennych ukrytych. Zakłada ona, że istnieją przyczyny powstawania zjawisk fizycznych, których nie można opisać za pomocą mechaniki kwantowej.

W 1935 roku trzech panów: Albert Einstein, Borys Podolsky i Nathan Rosen opublikowało pracę, z której wynikało, że mechanika kwantowa nie jest teorią pełną, że zawiera istotna lukę. Aby tego dowieść, panowie zaproponowali doświadczenie myślowe znane jako paradoks EPR (od pierwszych liter ich nazwisk). Z obliczeń matematycznych wynikało, że cząstki kwantowe powiązane ze sobą w specyficzny sposób, powinny reagować natychmiast na zmianę stanu swojego partnera, nawet jeżeli znajdował się on w dużej odległości. Sytuacja paradoksalna (stąd paradoks EPR), bo przecież fizycy uznają, że nie istnieje prędkość większa niż prędkość światła (300 tysięcy km/s).

Realne podejście do świata, zdaniem autorów, wyklucza możliwość istnienia prędkości nieskończonej. Mechanika kwantowa musi uwzględniać jakieś nieznane jeszcze zmienne – doszli do wniosku uczeni. Einstein nazwał splątanie „upiornym działaniem na odległość”. Możliwość istnienia prędkości nieograniczonej została przez genialnego fizyka odrzucona.

Informacja szybsza od światła?

– Czy informacje mogą być przesłane szybciej niż światło? – to pytanie zadał sobie z początkiem lat 60. wspomniany na początku, młody wówczas fizyk, John Stewart Bell.

W roku 1964 opublikował pracę dotyczącą paradoksu EPR („EPR Paradox”). Praca Bella wykazała sprzeczność pomiędzy mechaniką kwantową a jakąkolwiek teorią klasyczną zgodną z teorią względności. Dzięki zawartym w niej tezom pracy pojawiła się możliwość zaprojektowania konkretnych doświadczeń, które pozwoliłyby ustalić empirycznie czy mechanika kwantowa jest teorią tylko niekompletną (czyli brakuje tylko owych Einsteinowskich zmiennych), czy po prostu źle opisuje świat. Innymi słowy, odpowiedzieć na pytanie, czy Einstein miał, czy nie miał racji (przynajmniej w pewnym zakresie).

Jednak udowodnienie twierdzeń Bella okazało się niezwykle trudne. Pierwsze doświadczenia bazujące na pracach Bella przeprowadzono w 1972 roku, na kolejne trzeba było poczekać prawie dekadę. Ale było warto.

Alain-Aspect-thumbPo eksperymencie przeprowadzonym w roku 1981 przez zespół Alaina Aspecta (kontakt) z francuskiego instytutu Optyki w Palaiseau Bell mógł odtrąbić zwycięstwo – po raz pierwszy eksperyment przez niego opracowany powiódł się! Splątanie kwantowe istniało. Wciąż było jednak pewne „ale”. W eksperymencie użyto splątanych fotonów. Część z nich, i to niemała, bo aż 80%, tracono w jego trakcie. Nie można więc było stwierdzić z całą pewnością, że wynik jest reprezentatywny dla całego zestawu, czy tylko liczby „ocalałych” fotonów. To uniemożliwiało uznanie dowodu za przeprowadzony. Ale uczeni byli uparci i wciąż ponawiano kolejne próby.

Opór materii i upór uczonych

Ponieważ światło (fotony) zawiodło, postanowiono zdać się na materię. Tutaj powstał inny problem – uczeni mieli trudności z odsunięciem od siebie atomów w taki sposób, by nadal istniał między nimi stan splątania. W ten sposób powstaje błąd komunikacji, gdyż jeśli splątane atomy znajdują się zbyt blisko, można argumentować, że czynnik, który wpłynął na stan jednego z nich, wpłynął bezpośrednio na zmianę atomów z nim splątanych. Nie ma tu zatem mowy o przekroczeniu prędkości światła.

Anton-Zeilinger-thumbPróby prowadzono nadal. Anton Zeilinger (kontakt) z Vienna Center for Quantum Science and Technology zaprezentował udoskonaloną wersję doświadczenia Aspecta. W 2006 r. jego zespół wytworzył splątanie na odległość aż 144 kilometrów, ale splątane nadal były tylko fotony.

Marek-Zukowski-thumbRok później polski zespół Marka Żukowskiego (kontakt) z Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki w Gdańsku, współtwórcy projektów Quantum Optics & Quantum Information, we współpracy z grupą Zeilingera przeprowadził test doświadczalny i ostatecznie wykluczył pewną klasę wariantów ze zmiennymi ukrytymi.

Ronald-Hanson-thumbDopiero w sierpniu 2015 roku, wspomnianym na początku fizykom z Delft pracującym pod kierownictwem Ronalda Hansona, (kontakt) udało się przeprowadzić test Bella. Uniknięto przy tym błędów wynikających zarówno z detekcji (znikania) fotonów, jak też problemów ze splątaniem atomów.

Uczeni w swoim eksperymencie użyli zarówno cząsteczek światła, jak i materii. W dwóch osobnych laboratoriach na terytorium placówki umieszczono kryształy diamentu, a w nich elektrony. Każdy z elektronów został indywidualnie splątany z fotonem, a następnie fotony te przesłano do innej wspólnej lokalizacji, gdzie doszło do ich splątania. W ten sam sposób udało się również powiązać elektrony. W ciągu dziewięciu dni zespół naukowców zdołał stworzyć 254 par splątanych ze sobą elektronów.

W ten sposób przekroczono limit Bella, co pozwala stwierdzić z niemal 100% pewnością, że teoria zmiennych ukrytych Einsteina jest błędna.

Drżyjcie hakerzy!

Na razie wygląda więc na to, że reguły mechaniki kwantowej dobrze opisują świat. Przy okazji opisanych doświadczeń okazało się, że można przystąpić do budowy komputera kwantowego – w takiej maszynie dane przetwarzane byłyby przez obiekty kwantowe. Mechanika kwantowa stała się więc największą nadzieją technologii przetwarzania informacji i… postrachem hakerów.

Tego przynajmniej zdania jest Matthew Leifer, fizyk z kanadyjskiego Perimeter Institute, który uważa, że sukces w bezbłędnym, rygorystycznym przeprowadzeniu testu Bella to niezwykle ważna informacja dla kwantowej kryptografii.

Artur-Ekert-thumbPo udanym eksperymencie w Delft może zostać spełniony postulat Artura Ekerta (kontakt), który stwierdził w 1991 roku, że zintegrowanie testu Bella z kwantową kryptografią daje pewność, iż komunikacja nie zostanie podsłuchana. W praktyce jednak wykorzystanie wymiany splątania to zadanie niezwykle trudne i trzeba będzie na nie raczej długo poczekać. Dlaczego?

Otóż do praktycznej kwantowej komunikacji konieczne jest przetwarzanie kluczy szyfrujących z prędkością tysięcy kubitów na minutę. To wartości wciąż jeszcze nieosiągalne. Hakerzy mogą więc na razie spać (?) spokojnie.

Zadanie dla filozofii

Według Bella ukryte zmienne mogą tak manipulować (!) osobami prowadzącymi eksperyment, że wybiorą one do pomiarów te, a nie inne cechy, przez co wynik doświadczenia nie będzie obiektywny. Dojdą one do fałszywego wniosku, że teoria kwantowa jest prawdziwa.

Zgadza się z nim Leifer:

„Być może już podczas Wielkiego Wybuchu został wybrany sposób przeprowadzenia eksperymentu. Takiego założenia jednak nigdy nie będziemy mogli obalić, więc sądzę, że nie powinniśmy zbytnio się tym przejmować”.

Ale tu już wkraczamy w rejony metafizyki, mało mającej wspólnego z rygorystycznym limitem testu Bella…

Nam, zwykłym zjadaczom chleba, pozostaje tylko żałować, że wobec najbardziej zasadniczych pytań nauka nadal jest bezradna. A może na tym właśnie polega jej siła i urok?

Czy wiesz, że…

1. John Stewart Bell był wielkim uczonym, ale też wielkim… pechowcem! Nie tylko nie dożył udowodnienia swoich teorii, ale nie dane mu było również zostać laureatem Nagrody Nobla! W 1990 roku był pewnym kandydatem do jej otrzymania. Niestety, uczony zmarł nagle, 1 października tegoż roku, niemal godziny przed ogłoszeniem nazwisk laureatów! A zgodnie z regulaminem, Nagrody Nobla nie można otrzymać pośmiertnie.

2. Polacy odkryli „czarne dziury” w technice informacji kwantowej! Polakom nauka zawdzięcza odkrycie splątania związanego obrazowo określanego mianem „czarnych dziur” kwantowej teorii informacji. W idealnym stanie obiekty kwantowe są splątane w maksymalnym stopniu. Mierząc stan jednego, potrafimy z całą pewnością stwierdzić, jaki stan zobaczymy u drugiego. Jednak w rzeczywistych sytuacjach układy cząstek splątanych zawsze oddziałują z otoczeniem, co tworzy pewien szum. Niekiedy zdarzają się układy tak zniszczone szumem, że zwykła analiza nie pozwala odtworzyć tych danych. W takiej sytuacji do układu trzeba wprowadzić inne splątanie, właśnie splątanie związane odkryte przez Polaków.

3. Einstein, gdyby nie został fizykiem, z pewnością poświęciłby się karierze… muzyka.
Muzyka była obecna we wszystkich aspektach życia Einsteina i to już od wczesnego dzieciństwa. Jako pięciolatek zaczął naukę gry na skrzypcach, był też biegłym pianistą. Uwielbiał szczególnie Mozarta i Bacha. Słynne jest powiedzenie uczonego:

Gdybym nie był fizykiem, najprawdopodobniej zostałbym muzykiem. Często „myślę” muzyką, żyję marząc o muzyce i patrzę na moje życie przez pryzmat muzyki.

4. Einstein cierpiał na autyzm (?). Tak przynajmniej uważał profesor Michael Fitzgerald, który odrębności w budowie anatomicznej mózgu Einsteina, takie jak względne powiększenie półkul, szczególnie w okolicy ciemieniowej, interpretował w ten właśnie sposób. Tej tezy nie można jednak potwierdzić, wymagałoby to bowiem przeprowadzenia wywiadu z samym uczonym… Wolą Einsteina było, aby po śmierci jego ciało zostało poddane kremacji, a mózg zachowano dla celów naukowych.

To tylko jeden z wielu setek znakomitych filmów, nadawanych na kanale National Geographic. Gospodarzem odcinka jest Brian Greene, który opowiada o tajemnicach Cząstek Elementarnych i – jak na razie dla nas bardzo dziwnej – Mechanice Kwantowej.

RDC logoRDC-Tomasz-Stawiszynski-thumbRadio RDC – Niedziela filozofów, prowadzi Tomasz Stawiszyński (foto): Lokalny realizm a mechanika kwantowa – opowiada dr Jan Chwedeńczuk (kontakt) z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

O Autorze

 > John Lennon „Imagine”: Imagine there’s no Countries... Imagine no Possession... Nothing to Kill or Die For... And no Religion too... No Need for Greed or Hunger... A Brotherhood of Man... (Niestety, John, dziś żyjemy w innym świecie. Twoje idee, lepsze czy gorsze, zostały wypaczone). Mahatma Gandhi: Na początku cię ignorują. Potem śmieją się z ciebie. Następnie z tobą walczą. W końcu wygrywasz • Siedem grzechów społecznych: polityka bez zasad, bogactwo bez pracy, przyjemność bez sumienia, wiedza bez osobowości, wiara bez poświęcenia, nauka bez człowieczeństwa oraz handel bez moralności • Religie to różne drogi prowadzące do tego samego celu. Jakaż to jest różnica, którą z nich wybierzemy? Jaki cel więc mają te kłótnie między nami? • Słabi nigdy nie potrafią przebaczać. Przebaczenie jest cnotą silnych • Jakże wielkiej daniny grzechu i błędów wymaga od człowieka bogactwo i władza • Nie znam większego grzechu niż uciskanie słabszych w imieniu Boga • Jest wiele powodów, dla których mogę być przygotowany na śmierć, ale nie ma żadnego, dla którego gotów byłbym zabić. Albert Einstein: Nie ma rzeczywistości samej w sobie, są tylko obrazy widziane z różnych perspektyw • Gdy miałem dwadzieścia lat, myślałem tylko o kochaniu. Lecz później kochałem już tylko myśleć • Tylko dwie rzeczy są nieskończone: wszechświat i ludzka głupota. Co do tej pierwszej istnieją jednak pewne wątpliwości • Nauka bez religii jest kaleka, religia bez nauki jest ślepa • Jestem bardzo głęboko religijnym niewierzącym • Gospodarcza anarchia społeczeństwa kapitalistycznego w jego dzisiejszej formie jest, moim zdaniem, prawdziwym źródłem zła • Wszyscy wokół wiedzą, że czegoś nie da się zrobić. I wtedy pojawia taki, który o tym nie wie, i on właśnie to coś robi • Nie wiem, jaka broń będzie użyta w trzeciej wojnie światowej, ale czwarta będzie na maczugi.



SKOMENTUJ

Zaloguj się i napisz komentarz.

Ruch Lotniczy nad Ziemią 24H

Artykuły w Kategoriach:

Poznaj Chiny

Pogoda

Warszawa
2017-10-18, 05:36
Mgła
8°C
Odczuwalna: 9°C
Ciśnienie: 1020 mb
Wilgotność: 100%
Wiatr: 0 m/s S
Prognoza: 2017-10-18
dzień
Przelotne zachmurzenie
21°C
noc
Przelotne chmury
11°C
 

Teleskop Hubble'a