Το πείραμα επιβεβαιώνει την κβαντική παραξενιά
Μπορεί να μην υπάρχει παραπέρα αυτό που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν αποκάλεσε «απόκοσμη δράση από απόσταση». Με ένα πείραμα που περιγράφεται σήμερα στο Physical Review Letters — ένα κατόρθωμα που περιελάμβανε την αξιοποίηση του αστρικού φωτός για τον έλεγχο των μετρήσεων των σωματιδίων που εκτοξεύονται μεταξύ κτιρίων στη Βιέννη — μερικοί από τους κορυφαίους κοσμολόγους και κβαντικούς φυσικούς του κόσμου κλείνουν την πόρτα σε μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική της «κβαντικής εμπλοκής».
«Από τεχνική άποψη, αυτό το πείραμα είναι πραγματικά εντυπωσιακό», είπε ο Nicolas Gisin, κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης που μελέτησε αυτό το κενό γύρω από τη διαπλοκή.
Σύμφωνα με την τυπική κβαντική θεωρία, τα σωματίδια δεν έχουν καθορισμένες καταστάσεις, παρά μόνο σχετικές πιθανότητες να είναι το ένα ή το άλλο πράγμα - τουλάχιστον, μέχρι να μετρηθούν, όταν φαίνεται να ρίχνουν ξαφνικά τα ζάρια και να πηδούν σε σχηματισμό. Ακόμα πιο περίεργο, όταν δύο σωματίδια αλληλεπιδρούν, μπορούν να «μπλέξουν», αποβάλλοντας τις μεμονωμένες πιθανότητες τους και να γίνουν συστατικά μιας πιο περίπλοκης συνάρτησης πιθανότητας που περιγράφει και τα δύο σωματίδια μαζί. Αυτή η συνάρτηση μπορεί να προσδιορίζει ότι δύο μπερδεμένα φωτόνια είναι πολωμένα σε κάθετες διευθύνσεις, με κάποια πιθανότητα το φωτόνιο Α να είναι κατακόρυφα πολωμένο και το φωτόνιο Β να είναι οριζόντια πολωμένο, και κάποια πιθανότητα το αντίθετο. Τα δύο φωτόνια μπορούν να ταξιδεύουν έτη φωτός μεταξύ τους, αλλά παραμένουν συνδεδεμένα:Μετρήστε το φωτόνιο Α για να είναι κατακόρυφα πολωμένο και το φωτόνιο Β γίνεται στιγμιαία οριζόντια πολωμένο, παρόλο που η κατάσταση του Β ήταν απροσδιόριστη μια στιγμή νωρίτερα και κανένα σήμα δεν είχε χρόνο να ταξιδέψει μεταξύ τους . Αυτή είναι η «απόκοσμη δράση» για την οποία ο Αϊνστάιν ήταν περίφημα σκεπτικιστής στα επιχειρήματά του κατά της πληρότητας της κβαντικής μηχανικής στις δεκαετίες του 1930 και του ’40.
Το 1964, ο βορειοϊρλανδός φυσικός John Bell βρήκε έναν τρόπο να δοκιμάσει αυτή την παράδοξη ιδέα. Έδειξε ότι εάν τα σωματίδια έχουν καθορισμένες καταστάσεις ακόμα και όταν κανείς δεν κοιτάζει (μια έννοια γνωστή ως «ρεαλισμός») και εάν πράγματι κανένα σήμα δεν ταξιδεύει γρηγορότερα από το φως («τοπικότητα»), τότε υπάρχει ένα ανώτερο όριο στο ποσό της συσχέτισης που μπορεί να παρατηρηθεί μεταξύ των μετρούμενων καταστάσεων δύο σωματιδίων. Όμως τα πειράματα έχουν δείξει επανειλημμένα ότι τα μπερδεμένα σωματίδια συσχετίζονται περισσότερο από το ανώτερο όριο του Bell, ευνοώντας τη ριζοσπαστική κβαντική κοσμοθεωρία έναντι του τοπικού ρεαλισμού.
Μόνο που υπάρχει ένα πρόβλημα:Εκτός από την εντοπιότητα και τον ρεαλισμό, ο Bell έκανε μια άλλη, λεπτή υπόθεση για να αντλήσει τη φόρμουλα του - μια υπόθεση που αγνοήθηκε σε μεγάλο βαθμό για δεκαετίες. «Οι τρεις παραδοχές που εντάσσονται στο θεώρημα του Μπελ και είναι σχετικές είναι η εντοπιότητα, ο ρεαλισμός και η ελευθερία», δήλωσε ο Andrew Friedman του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, συν-συγγραφέας της νέας εργασίας. «Πρόσφατα ανακαλύφθηκε ότι μπορείς να διατηρήσεις την εντοπιότητα και τον ρεαλισμό εγκαταλείποντας λίγη ελευθερία». Αυτό είναι γνωστό ως "παραθυράκι της ελευθερίας της επιλογής".
Σε μια δοκιμή Bell, τα μπερδεμένα φωτόνια Α και Β διαχωρίζονται και αποστέλλονται σε οπτικούς διαμορφωτές που απέχουν πολύ μεταξύ τους - συσκευές που είτε μπλοκάρουν τα φωτόνια είτε τα αφήνουν να περάσουν στους ανιχνευτές, ανάλογα με το αν οι διαμορφωτές είναι ευθυγραμμισμένοι με ή αντίθετα με τις κατευθύνσεις πόλωσης των φωτονίων. Η ανισότητα του Bell θέτει ένα ανώτατο όριο στο πόσο συχνά, σε ένα τοπικό-ρεαλιστικό σύμπαν, τα φωτόνια Α και Β θα περάσουν και τα δύο από τους διαμορφωτές τους και θα ανιχνευθούν. (Οι ερευνητές βρίσκουν ότι τα μπερδεμένα φωτόνια συσχετίζονται πιο συχνά από αυτό, παραβιάζοντας το όριο.) Είναι σημαντικό, ο τύπος του Bell υποθέτει ότι οι ρυθμίσεις των δύο διαμορφωτών είναι ανεξάρτητες από τις καταστάσεις των σωματιδίων που ελέγχονται. Σε πειράματα, οι ερευνητές χρησιμοποιούν συνήθως γεννήτριες τυχαίων αριθμών για να ορίσουν τις γωνίες προσανατολισμού των συσκευών. Ωστόσο, εάν οι διαμορφωτές δεν είναι πραγματικά ανεξάρτητοι - εάν η φύση περιορίζει κατά κάποιο τρόπο τις πιθανές ρυθμίσεις που μπορούν να επιλεγούν, συσχετίζοντας αυτές τις ρυθμίσεις με τις καταστάσεις των σωματιδίων τις στιγμές πριν από ένα πείραμα - αυτή η μειωμένη ελευθερία θα μπορούσε να εξηγήσει τα αποτελέσματα που συνήθως αποδίδονται στην κβαντική εμπλοκή.
Το σύμπαν μπορεί να είναι σαν ένα εστιατόριο με 10 είδη μενού, είπε ο Friedman. «Νομίζεις ότι μπορείς να παραγγείλεις οποιοδήποτε από τα 10, αλλά μετά σου λένε:«Τελείωσε το κοτόπουλο» και αποδεικνύεται ότι μόνο πέντε από τα πράγματα είναι πραγματικά στο μενού. Έχετε ακόμα την ελευθερία να διαλέξετε από τα υπόλοιπα πέντε, αλλά υπερμετρούσατε τους βαθμούς ελευθερίας σας». Ομοίως, είπε, «μπορεί να υπάρχουν άγνωστα στοιχεία, περιορισμοί, οριακές συνθήκες, νόμοι διατήρησης που θα μπορούσαν να καταλήξουν να περιορίσουν τις επιλογές σας με πολύ λεπτό τρόπο» κατά τη δημιουργία ενός πειράματος, οδηγώντας σε φαινομενικές παραβιάσεις του τοπικού ρεαλισμού.
Αυτό το πιθανό κενό κέρδισε έλξη το 2010, όταν ο Michael Hall, τώρα του Πανεπιστημίου Griffith στην Αυστραλία, ανέπτυξε έναν ποσοτικό τρόπο μείωσης της ελευθερίας επιλογής. Στις δοκιμές Bell, οι συσκευές μέτρησης έχουν δύο πιθανές ρυθμίσεις (που αντιστοιχούν σε ένα bit πληροφοριών:είτε 1 είτε 0), και επομένως χρειάζονται δύο bit πληροφοριών για να καθορίσουν τις ρυθμίσεις τους όταν είναι πραγματικά ανεξάρτητες. Αλλά ο Hall έδειξε ότι εάν οι ρυθμίσεις δεν είναι εντελώς ανεξάρτητες - εάν μόνο ένα bit τις καθορίζει μία φορά σε κάθε 22 εκτελέσεις - αυτό μειώνει στο μισό τον αριθμό των πιθανών ρυθμίσεων μέτρησης που είναι διαθέσιμες σε αυτές τις 22 εκτελέσεις. Αυτή η μειωμένη ελευθερία επιλογής συσχετίζει τα αποτελέσματα των μετρήσεων αρκετά ώστε να υπερβαίνει το όριο του Bell, δημιουργώντας την ψευδαίσθηση της κβαντικής εμπλοκής.
Η ιδέα ότι η φύση μπορεί να περιορίσει την ελευθερία διατηρώντας τον τοπικό ρεαλισμό έχει γίνει πιο ελκυστική υπό το φως των αναδυόμενων συνδέσεων μεταξύ της πληροφορίας και της γεωμετρίας του χωροχρόνου. Η έρευνα για τις μαύρες τρύπες, για παράδειγμα, προτείνει ότι όσο ισχυρότερη είναι η βαρύτητα σε έναν όγκο χωροχρόνου, τόσο λιγότερα κομμάτια μπορούν να αποθηκευτούν σε αυτήν την περιοχή. Θα μπορούσε η βαρύτητα να μειώνει τον αριθμό των πιθανών ρυθμίσεων μέτρησης στα τεστ Bell, κρυφά εντυπωσιακά στοιχεία από το μενού του σύμπαντος;
Ο Friedman, ο Alan Guth και οι συνεργάτες του στο MIT διασκέδαζαν τέτοιες εικασίες πριν από μερικά χρόνια, όταν ο Anton Zeilinger, ένας διάσημος πειραματιστής Bell στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, ήρθε για μια επίσκεψη. Ο Zeilinger είχε επίσης το βλέμμα του στο κενό της ελευθερίας της επιλογής. Μαζί, αυτοί και οι συνεργάτες τους ανέπτυξαν μια ιδέα για το πώς να διακρίνουν ένα σύμπαν που στερείται τοπικού ρεαλισμού και ένα σύμπαν που περιορίζει την ελευθερία.
Στο πρώτο από μια προγραμματισμένη σειρά πειραμάτων «κοσμικής δοκιμής Bell», η ομάδα έστειλε ζεύγη φωτονίων από την οροφή του εργαστηρίου του Zeilinger στη Βιέννη μέσα από τα ανοιχτά παράθυρα δύο άλλων κτιρίων και σε οπτικούς διαμορφωτές, καταμετρώντας τις συμπτωματικές ανιχνεύσεις ως συνήθως. Αλλά αυτή τη φορά, προσπάθησαν να μειώσουν την πιθανότητα οι ρυθμίσεις του διαμορφωτή να συσχετιστούν με κάποιο τρόπο με τις καταστάσεις των φωτονίων τις στιγμές πριν από κάθε μέτρηση. Έστειλαν ένα τηλεσκόπιο έξω από κάθε παράθυρο, εκπαίδευσαν κάθε τηλεσκόπιο σε ένα φωτεινό και βολικά τοποθετημένο (αλλά κατά τα άλλα τυχαίο) αστέρι και, πριν από κάθε μέτρηση, χρησιμοποιούσαν το χρώμα ενός εισερχόμενου φωτονίου από κάθε αστέρι για να ορίσουν τη γωνία του σχετικού διαμορφωτή. Τα χρώματα αυτών των φωτονίων αποφασίστηκαν πριν από εκατοντάδες χρόνια, όταν έφυγαν από τα αστέρια τους, αυξάνοντας την πιθανότητα αυτά (και επομένως οι ρυθμίσεις μέτρησης) να είναι ανεξάρτητα από τις καταστάσεις των φωτονίων που μετρώνται.
Ωστόσο, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα αποτελέσματα της μέτρησης εξακολουθούσαν να παραβιάζουν το ανώτατο όριο του Bell, ενισχύοντας την πεποίθησή τους ότι τα πολωμένα φωτόνια στο πείραμα παρουσιάζουν τρομακτική δράση σε μια απόσταση.
Η φύση θα μπορούσε ακόμα να εκμεταλλευτεί το κενό της ελευθερίας της επιλογής, αλλά το σύμπαν θα έπρεπε να διαγράψει στοιχεία από το μενού των πιθανών ρυθμίσεων μέτρησης τουλάχιστον 600 χρόνια πριν πραγματοποιηθούν οι μετρήσεις (όταν το πιο κοντινό από τα δύο αστέρια έστειλε το φως του προς τη Γη) . «Τώρα χρειάζεται να έχουν εδραιωθεί οι συσχετισμοί ακόμη και πριν γράψει ο Σαίξπηρ:«Μέχρι να μάθω αυτή τη σίγουρη αβεβαιότητα, θα διασκεδάσω την προσφερόμενη πλάνη», είπε ο Χολ.
Στη συνέχεια, η ομάδα σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει φως από ολοένα και πιο απομακρυσμένα κβάζαρ για να ελέγξει τις ρυθμίσεις μέτρησής τους, ερευνώντας πιο πίσω στο χρόνο και δίνοντας στο σύμπαν ένα ακόμη μικρότερο παράθυρο για να μαγειρέψει συσχετισμούς μεταξύ των μελλοντικών ρυθμίσεων της συσκευής και να περιορίσει τις ελευθερίες. Είναι επίσης πιθανό (αν και εξαιρετικά απίθανο) η ομάδα να βρει ένα σημείο μετάβασης όπου οι ρυθμίσεις μέτρησης δεν συσχετίζονται και οι παραβιάσεις του ορίου του Bell εξαφανίζονται — κάτι που θα αποδείκνυε ότι ο Αϊνστάιν είχε δίκιο που αμφέβαλλε για τρομακτικές ενέργειες.
«Για εμάς φαίνεται σαν ένα είδος win-win», είπε ο Friedman. "Είτε κλείνουμε το κενό όλο και περισσότερο και έχουμε μεγαλύτερη αυτοπεποίθηση για την κβαντική θεωρία, είτε βλέπουμε κάτι που θα μπορούσε να δείχνει προς τη νέα φυσική."
Υπάρχει μια τελική πιθανότητα που πολλοί φυσικοί αποστρέφονται. Θα μπορούσε να είναι ότι το σύμπαν περιόρισε την ελευθερία επιλογής από την αρχή - ότι κάθε μέτρηση ήταν προκαθορισμένη από συσχετισμούς που δημιουργήθηκαν στη Μεγάλη Έκρηξη. «Ο υπερντετερμινισμός», όπως αποκαλείται, είναι «άγνωστος», είπε ο Jan-Åke Larsson, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Linköping στη Σουηδία. το πλήρωμα δοκιμών του κοσμικού Bell δεν θα μπορέσει ποτέ να αποκλείσει συσχετισμούς που υπήρχαν προτού υπάρξουν αστέρια, κβάζαρ ή οποιοδήποτε άλλο φως στον ουρανό. Αυτό σημαίνει ότι το κενό της ελευθερίας επιλογής δεν μπορεί ποτέ να κλείσει εντελώς.
Αλλά δεδομένης της επιλογής μεταξύ της κβαντικής εμπλοκής και του υπερντετερμινισμού, οι περισσότεροι επιστήμονες προτιμούν τη διαπλοκή - και μαζί της, την ελευθερία. «Εάν οι συσχετισμοί είναι πράγματι καθορισμένοι [στο Big Bang], όλα είναι προκαθορισμένα», είπε ο Larsson. «Το βρίσκω βαρετή κοσμοθεωρία. Δεν μπορώ να πιστέψω ότι αυτό θα ήταν αλήθεια.”
