Gabinet kwantowych osobliwości. Upiory znikają, gdy znika czas

Cyngiel został naciśnięty, ponieważ pistolet wystrzelił - w świecie kwantowym takie zdanie wcale nie jest absurdalne. Co więcej, okazuje się, że "odpuszczenie" tradycyjnej strzałki czasu rozwiązuje problem, od którego Einsteina bolała głowa…Uczeni coraz częściej i coraz głośniej powtarzają, iż z eksperymentów kwantowych wynika, że czas nie istnieje - przynajmniej nie w taki sposób, jak nam się tradycyjnie wydawało. Przeprowadzane w różnych wariantach doświadczenie z "opóźnionym wyborem" można uznać za zmodyfikowaną wersję starego eksperymentu z użyciem podwójnej szczeliny. W jego klasycznej formie cząstki (fotony, elektrony czy jakikolwiek obiekt wielkości atomu) są wystrzeliwane w kierunku ekranu, w którym wykonano dwie szczeliny. Z drugiej strony ekranu znajduje się detektor rejestrujący, gdzie ląduje foton. Kiedy badacze zamykają jedną ze szczelin, obraz w detektorze pokazuje oczekiwany obraz cząstki. Po otwarciu obu szczelin wyłania się "obraz interferencji" – cząstki zaczynają zachowywać się jak fale. Widzimy więc sytuację, w której foton "przechodzi" przez obie szczeliny naraz i wchodzi sam ze sobą w interakcję. Gdy "obserwator" decyduje się zmierzyć i przekonać, przez którą część materii przechodzi, "fala" potencjalnych ścieżek zamienia się w jedną konkretną ścieżkę. Tak, jakby cząsteczka wiedziała, że jest oglądana. Niekiedy jest to interpretowane nawet w ten sposób, że obserwator ma wpływ na zachowanie się cząstki.

Paradoksalny opóźniony wybór

Fizycy z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego (ANU) przeprowadzili w 2015 r. wymyślony przez znanego fizyka, Johna Wheelera w 1978 r. eksperyment "z opóźnionym wyborem", a jego wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie "Nature Physics". Wheeler szukał odpowiedzi na pytanie o zachowanie się światła, sprawdzając czy światło "wyczuwa" w jakiś sposób aparaturę pomiarową i czy "dostosowuje" do niej swoje zachowanie.

John Wheeler

Australijski zespół uwięził kilka atomów helu w stanie znanym jako kondensat Bosego-Einsteina, a następnie usuwał je, aby w końcu pozostał tylko jeden atom. Ten został następnie rzucony na wiązkę laserów ułożonych we wzór kraty, tworzący skrzyżowanie na drodze atomu. Potem dodano drugą warstwę laserowych krat, które rekombinowały ścieżkę po pierwszym "skrzyżowaniu". W wypadku pierwszego ze skrzyżowań dochodziło do interferencji podobnej do eksperymentu ze szczelinami. Wyglądało to tak, że po pierwszym skrzyżowaniu atom nie określił jeszcze swojej dokładnej ścieżki, robił to dopiero na drugim skrzyżowaniu, po którym następował pomiar. Czyli jego stan z przeszłości na drodze pomiędzy skrzyżowaniami zdefiniowany został później, gdy przeszedł drugie z nich.
W klasycznej wersji Wheeler chciał zastosować zwierciadła. Opóźniony wybór polegać ma na tym, że zwierciadło drugie wstawiane jest z opóźnieniem w stosunku do przejścia fotonu przez zwierciadło pierwsze. Foton już dawno wybrał jedną tylko drogę jako cząstka, a my, wstawiając drugie zwierciadło, powodujemy zmianę jego wyboru drogi z przeszłości. Pomiar w teraźniejszości za pomocą drugiego zwierciadła zmienia przeszłość wydarzenia na pierwszym. To tak jakby przeszłość była organizowana przez przyszłość.
"Jeśli spróbujemy nadać obiektywne znaczenie stanowi kwantowemu pojedynczego systemu, pojawiają się dziwne paradoksy - efekty kwantowe naśladują nie tylko natychmiastowe działanie na odległość, ale także, jak widać, wpływ przyszłych działań na wydarzenia z przeszłości, nawet po tym, jak wydarzenia te zostały nieodwracalnie zarejestrowane" - komentował w mediach australijski eksperyment Asher Peres, pionier teorii informacji kwantowej.
Jeśli eksperymentalne zabawy z laserami i zwierciadłami nie są dla nas dostatecznie klarowne, Wheeler zaproponował, by wyobrazić sobie to w kosmicznej skali, np. jako gwiazdę emitującą miliardy lat temu foton w kierunku planety Ziemia. Po drodze znajduje się galaktyka. W wyniku tzw. soczewkowania grawitacyjnego światło będzie musiało wygiąć się wokół galaktyki, a więc musi obrać jedną z dwu ścieżek. Miliardy lat później, jeśli ktoś zdecyduje się zbudować aparat do detekcji tego fotonu, otrzymany wynik byłby obrazem interferencji, jak w eksperymencie ze szczelinami. Gdyby jednak wybrać "podgląd" fotonu, ustawiając urządzenia rejestrujące po obu stronach galaktyki w celu ustalenia, po której stronie foton przeleciał obok niej, otrzymalibyśmy inny wynik. Sam akt pomiaru lub "obserwacji" oznacza, że przechodzi tylko z jednej strony. Zatem sposób, w jaki decydujemy się mierzyć "teraz", wpływa na to, w jakim kierunku foton skierował się miliardy lat wcześniej. Nasz wybór budowy detektorów w chwili obecnej wpłynął na to, co wydarzyło się już w przeszłości.

Po co zabija się fotony?

Latem 1935 r. fizycy Albert Einstein i Erwin Schrödinger zaangażowali się w bogatą, wielowymiarową korespondencję o implikacjach nowej teorii mechaniki kwantowej. Ich zmartwienia skupiały się na tym, co Schrödinger nazwał później splątaniem, niezdolnością do samodzielnego opisania dwóch układów kwantowych lub cząstek, po ich interakcji. Aż do śmierci Einstein był przekonany, że splątanie pokazuje, jak niekompletna jest mechanika kwantowa. Schrödinger uważał, że splątanie pozostaje cechą charakterystyczną nowej fizyki, ale to nie znaczy, że zaakceptował ją bez zastrzeżeń.

Wizualizacja splątania kwantowego atomów

Einstein i jego współautorzy wykazali, jak uwikłanie prowadzi do tego, co obecnie nazywane jest nielokalnością kwantową, dziwnym związkiem, który zdaje się istnieć pomiędzy splątanymi cząstkami. Jeżeli dwa systemy kwantowe spotykają się, a następnie oddzielają, nawet na odległość tysięcy lat świetlnych, niemożliwe staje się zmierzenie cech jednego systemu bez natychmiastowego wprowadzenia drugiego systemu w określony stan.
Współcześnie to znienawidzone oddziaływanie na odległość jest potwierdzane także w wymiarze czasowym. Zespół fizyków z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie poinformował w 2013 r., że z powodzeniem zaplątał fotony, które nigdy nie współistniały. Naukowcy najpierw stworzyli splątaną parę fotonów "1-2". Wkrótce potem zmierzyli polaryzację fotonu 1 (właściwość opisującą kierunek oscylacji światła) – w ten sposób „zabijając” go (krok II). Foton 2 pozostawał w układzie, podczas gdy powstała nowa para "3-4" (krok III). Następnie mierzono foton 3 wraz z fotonem 2 w taki sposób, że relacja splątania została "zamieniona" ze starych par ("1-2" i "3-4") na nowe "2-3" (krok IV). Jakiś czas później (krok V) zmierzono polaryzację ocalałego fotonu 4, a wyniki porównano z wynikami dotyczącymi fotonu 1, który już dawno "nie żył". Skutek? Dane wykazały istnienie korelacji kwantowych pomiędzy fotonami 1 i 4, "czasowo nielokalnymi". Oznacza to, że splątanie może mieć miejsce w dwóch systemach kwantowych, które nigdy nie współistniały w czasie.

Termodynamiczny człowiek widzi tylko jeden kierunek

John Stewart Bell orzekł, że wszystkich tych dziwnych zjawisk, które zachodzą w mechanice kwantowej, nigdy nie da się wytłumaczyć oddziaływaniami lokalnymi. To tak, jakby nic nie powodowało, że mnóstwo bilardowych piłek podąża tak różnymi ścieżkami. Na poziomie podstawowym Wszechświat jest przypadkowy. Jeśli w pewnym momencie w przestrzeni połączone są dwie cząstki, pomiar właściwości jednej z nich natychmiast ustawia wartość dla drugiej, bez względu na to, gdzie we Wszechświecie się przeniosła. Takie splątanie było wielokrotnie testowane w świetle twierdzenia Bella, w poszukiwaniu śladów oddziaływania na poziomie lokalnym i wciąż żadnych "ukrytych" czynników lokalnych nie wykryto.
Gdyby jednak odwrócić działanie przyczynowości w czasie, oznaczałoby to, że cząstka mogłaby "cofnąć"skutek swojego pomiaru w czasie, do momentu, kiedy została splątana, wpływając na swojego partnera. Nie ma wówczas mowy o znienawidzonych przez Einsteina "przesyłach informacji" z szybkością większą od światła.
Para fizyków z USA i Kanady - Matthew S. Leifer z Uniwersytetu Chapmana w Kalifornii oraz Matthew F. Pusey z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Ontario – zauważyła, że gdy nie trzymamy się wersji, iż czas biegnie w jedną stronę, znikają "upiory" Einsteina. Pomiary przeprowadzone na cząstce mogą odbijać się echem w przeszłości i przyszłości, które tracą w tej sytuacji znaczenie. Przeformułowując kilka podstawowych założeń, naukowcy opracowali model oparty na twierdzeniu Bella, w którym przestrzeń została zamieniona na czas. Ich obliczenia pokazują, dlaczego przyjmując, iż czas zawsze biegnie do przodu, potykamy się o sprzeczności. Rozważania te zostały opublikowane w "Proceedings of The Royal Society A".

Carlo Rovelli

"Nie ma czegoś takiego jak przeszłość czy przyszłość", pisze fizyk Carlo Rovelli w książce "Seven Brief Lessons on Physics" ("Siedem krótkich lekcji fizyki"), która sprzedała się w milionach egzemplarzy na całym świecie. Jest on znany jako propagator tzw. kwantowej grawitacji pętlowej, oferującej rozwiązanie problemu pogodzenia pozornie niekompatybilnych teorii mechaniki kwantowej oraz ogólnej teorii względności. W koncepcji tej czasoprzestrzeń sama w sobie jest rozumiana jako drobnoziarnista struktura utkana z pętli. Jak dawno temu pokazał Einstein, czas jest względny – upływa wolniej dla obiektu poruszającego się szybciej niż inny obiekt. W tym względnym świecie absolutne "teraz" wydaje się bezsensowne. Czas nie jest więc jakąś odrębną rzeczywistością, która beznamiętnie płynie gdzieś obok nas. Jak mówi Rovelli, czas jest "częścią skomplikowanej geometrii tkanej razem z geometrią przestrzeni".
Według Rovellego nasze ludzkie doświadczenie czasu jest nierozerwalnie związane ze sposobem, w jaki zachowuje się energia cieplna. Dlaczego poznajemy tylko przeszłość, a nie przyszłość? Kluczem, jak sugeruje uczony, jest jednokierunkowy przepływ ciepła z cieplejszych obiektów do zimniejszych. Kostka lodu wrzucona do gorącej filiżanki kawy chłodzi kawę. Proces ten nie jest odwracalny. Człowiek jako swoista "maszyna termodynamiczna" podąża za tą strzałką czasu i nie jest w stanie pojąć innego kierunku.
"Jeżeli jednak obserwuję stan mikroskopowy", pisze Rovelli, "to różnica między przeszłością a przyszłością zanika (...) w elementarnej gramatyce rzeczy nie ma rozróżnienia między przyczyną a efektem."

W gąszczu interpretacji

Jak na dziedzinę, którą tak słabo pojmujemy, mechanika kwantowa jest zadziwiająco skuteczna. To teoria, która leży u podstaw niemal całej nowoczesnej technologii - od chipów krzemowych w użytkowej elektronice do diod LED na ekranach telewizorów, od mechanizmów napędowych sond kosmicznych do laserów skanujących w supermarketowych kasach. Wyjaśnia nam, dlaczego słońce świeci i jak nasze oczy widzą świat. Fizyka kwantowa działa.
Pomimo jednak tych sukcesów, wciąż nie rozumiemy, co mówi o otaczającym nas świecie. Nawet najprostsze rzeczy stają się tu trudne do rozszyfrowania. Powiedzmy, że chcemy opisać położenie pojedynczego maleńkiego obiektu - jednego elektronu, najprostszej cząstki subatomowej, jaką znamy. Istnieją trzy wymiary, więc można się spodziewać, że potrzebujemy do tego tylko trzech liczb. Okazuje się jednak, że w fizyce kwantowej trzy liczby nie wystarczą. W odniesieniu do ledwie jednego elektronu potrzeba ich całej nieskończoności, rozsianych po nieogarniętej przestrzeni.
Ten nieskończony zbiór liczb nazywa się funkcją falową (zgodnie z równaniem Erwina Schrödingera), ponieważ liczby te rozrzucone w przestrzeni zwykle zmieniają się płynnie, rozkładając się jak fala. Pomimo prostoty i piękna równania Schrödingera, funkcje falowe są dość dziwne. Dlaczego potrzeba tyle informacji - nieskończoności liczb rozsianych po całej przestrzeni, tylko po to, by opisać położenie pojedynczego obiektu? Nie wiadomo. Jednak kiedy tak naprawdę chcemy "przyłapać" elektron, jest on tylko w jednym miejscu i dzieje się coś jeszcze dziwniejszego. Funkcja falowa elektronu przestaje spełniać równanie Schrödingera - "zapada się", z nieskończoności możliwości liczbowych do zera, z wyjątkiem miejsca, w którym znalazł się elektron.
Co tak naprawdę dzieje się w świecie kwantowym? W przeszłości standardową odpowiedzią było stwierdzenie, że nie istnieje problem z pomiarem, ponieważ nie ma sensu pytać o to, co zachodzi, gdy nikt nie patrzy. Pozostaje to niezauważalne, a po co mówić o rzeczach niezauważalnych? Stanowisko to znane jest jako "kopenhaska interpretacja" fizyki kwantowej, na cześć miasta wielkiego duńskiego fizyka Nielsa Bohra.
Pomimo historycznego statusu jako domyślnej odpowiedzi na pytania kwantowe, interpretacja kopenhaska jest niewystarczająca. Nic nie mówi o tym, co dzieje się w owym kwantowym świecie. W swojej upartej ciszy na temat natury rzeczywistości nie oferuje wyjaśnienia, dlaczego fizyka kwantowa w ogóle działa. Nie ma przecież żadnych logicznych ani filozoficznych podstaw, aby uważać rzeczy niepodlegające obserwacji za bezsensowne.

Wizualizacja wszechświatów równoległych, oparta na przykładzie "kota Schrödingera"

Najbardziej znaną z alternatyw interpretacji kopenhaskiej jest interpretacja "wielu światów" fizyki kwantowej. Zgodnie z nią Wszechświat nieustannie się dzieli, z każdym możliwym wynikiem każdego zdarzenia mającego miejsce gdzieś w "wielorakości". Inna alternatywa, teoria pilotażu, stwierdza, że cząstki kwantowe są kierowane w swoich ruchach przez fale i że z kolei mogą one wywierać szybszy niż światło wpływ na fale dalekie (choć nie może to być wykorzystywane do wysyłania energii lub sygnałów szybszych niż światło). Istnieją również koncepcje, które modyfikują matematykę fizyki kwantowej, takie jak teorie spontanicznego załamania się fal. Sugerują one, że załamanie się funkcji fali nie ma nic wspólnego z pomiarem - jest ono naturalnym procesem, odbywającym się całkowicie przypadkowo.
Główne wnioski fizyki kwantowej rysują się następująco: światem rządzi prawdopodobieństwo, wszystko na świecie jest ze sobą wzajemnie powiązane, nasz świat jest niemożliwy do opisania bez rozumnego obserwatora. Prawa te określają tylko prawdopodobieństwo tego lub innego rozwoju wydarzeń. Jaka będzie przyszłość w rzeczywistości, to już zależy od tego, w jaki sposób wolność woli i wyboru będzie realizowana przez rozumną istotę - człowieka. Według tej koncepcji, Wszechświat nie jest jakimś obojętnym mechanizmem, który nie wiadomo po co istnieje. Został przeznaczony dla rozumnego obserwatora - człowieka.
"Uważam, że świadomość ma fundamentalne znaczenie. Materię postrzegam jako pochodną świadomości. Nie możemy pozostać w tyle za świadomością. Wszystko, o czym mówimy, wszystko, co uważamy za istniejące, postuluje świadomość" -twierdził Max Planck, fizyk teoretyczny, który stworzył teorię kwantową, co w 1918 r. przyniosło mu Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Po stu latach do fizyki wraca jego światopogląd, trochę oddalający się od tego, co znaliśmy do tej pory w naukach ścisłych.
Film o problemie kwantowego pomiaru: