Fizyka kwantowa, cd.
ilustr. Joanna Titeux/pinezka.pl

Moim celem było zasianie niepokoju i pokazanie, że nasz świat jest o wiele dziwniejszy, niż by się na pierwszy rzut oka zdawało. Tym niemniej prawdopodobnie ta właśnie dziwność jest warunkiem, by zaistniały w nim pewne normalne, a bardziej złożone rzeczy, jak chmury, supernowe i rozumni obserwatorzy.


Paradoks EPR, upiorne oddziaływanie na odległość

Einstein, choć swoimi pracami (m.in. o efekcie fotoelektrycznym) przyczynił się do powstania teorii kwantów, z czasem nabrał do niej dystansu. Nie mógł pogodzić się z wbudowanym w naturę przypadkiem, co wyraził w powiedzeniu: „Bóg nie gra w kości” (Gott würfelt nicht). Uważał, że przypadek jest zjawiskiem pozornym, skutkiem naszej niedokładnej znajomości świata. Dalej próbując interpretować zamiary Stwórcy, od którego tworu oczekiwał harmonii i estetyki, powiedział: „Pan Bóg jest wyrafinowany, lecz nie perfidny” (Raffiniert ist der Herrgott, boshaft aber nicht).

Chcąc udowodnić niekompletność fizyki kwantowej w jej klasycznej, kopenhaskiej interpretacji, przeprowadził eksperyment myślowy, znany od nazwisk jego twórców (Einstein-Podolsky-Rosen) jako paradoks EPR.
Istnieją zjawiska, podczas których generowana jest para cząstek, związana tzw. spleceniem kwantowym. Na przykład, gdy wysłany przez laser pojedynczy foton pada na kryształ BBO (boran beta-barowy), może zostać przekształcony w splecioną parę fotonów. Jeden z nich okaże się spolaryzowany w osi pionowej (H), a drugi w poziomej (V). Nie wiadomo który jest który, ale mierząc stan jednego jesteśmy pewni, że drugi ma stan przeciwny. Przypominam, że według interpretacji kopenhaskiej do momentu pomiaru stan każdego z nich jest superpozycją obu stanów i dopiero w momencie pomiaru wynik jest jednoznaczny – H albo V. Przedtem nie tylko my nie wiemy, „nie wie” tego nawet natura. To już jest dość dziwne, ale rozumowanie EPR idzie dalej.
Jeżeli wykonując pomiar na pierwszym fotonie, zmusimy go do „decyzji”  , wyboru stanu, to drugi traci swoją przypadkowość, bo musi wybrać stan przeciwny. Do tego musi się to stać równocześnie, bo inaczej byłaby pewna szansa na uzyskanie w niezależnych pomiarach zgodnego stanu obu fotonów, co jest niemożliwe. Równocześnie – niezależnie od odległości.
I tu jest problem, bo szczególna teoria względności nie pozwala na oddziaływania szybsze od prędkości światła. Co – według Einsteina – prowadzi do sprzeczności.

Tymczasem doświadczenia wykazały, że splecione cząstki zachowują się właśnie tak, sprzecznie ze zdrowym rozsądkiem.

Teleportacja, kryptografia kwantowa

   Co z tym można zrobić?
Można by sądzić, że da się splecenie bezpośrednio wykorzystać do przesyłania informacji, i to z prędkością ponadświetlną, właściwie nieskończoną. Tak jednak nie jest. Wiemy o cząstkach splecionych, że są w stanach przeciwnych, ale nie wiemy w jakich. Nie możemy nadać jednej cząstce określonego stanu tak, by druga dzięki temu natychmiastowo otrzymała stan przeciwny, który mógłby odczytać odległy obserwator.

Można ten proces jednak wykorzystać do szyfrowania wiadomości. Działa to tak:

  • nadawca (Ala) wytwarza foton X o znanym sobie stanie, tzn. koduje na nim 1 bit informacji;
  • Ala wytwarza dwa splecione fotony A i B – stan każdego z nich jest nieznany, lecz wiadomo, że są w stanach przeciwnych;
  • foton A Ala „miesza” z fotonem X, uzyskując jedną z czterech możliwości, informując o wyniku odbiorcę (Bolka) konwencjonalnym kanałem – o podświetlnej prędkości, dającym się podsłuchać;
  • foton B Ala wysyła do Bolka;
  • Bolek posiadając foton B i informację o „wymieszanym” stanie A i X, dokonuje na fotonie B transformacji odwrotnej, odzyskując informację, zakodowaną uprzednio na fotonie X.

Pomijam tu oczywiście szczegóły techniczne. Charakterystyczne jest to, że:

  • informacja nie jest przesyłana z prędkością nadświetlną;
  • przekazu informacyjnego nie da się niepostrzeżenie podsłuchać, bo choć można przechwycić przesyłaną konwencjonalnym kanałem informację o wymieszanym stanie A i X, ale przechwytując foton B, nie da się odtworzyć jego uprzedniego stanu, wobec tego Bolek zauważy kradzież informacji;
  • całość można uznać za teleportację, bo w miejsce fotonu X u Ali uzyskaliśmy identyczny foton u Bolka;
  • nie jest to jednak klonowanie, bo foton X u Ali utracił swój stan w procesie mieszania z fotonem A.


Sam przekaz informacyjny nie narusza więc limitu prędkości, wyznaczonego przez teorię względności, jednak samo splecenie jest dalej trudne do pojęcia – splecione cząstki zachowują się, jak gdyby były połączone dowolnie długim, nieskończenie sztywnym drągiem. Na marginesie, słyszy się czasem zaskakujące historie o bliźniętach,  którzy wyczuwają np. chorobę brata lub grożące mu niebezpieczeństwo, nie porozumiewając się w żaden znany nam dziś sposób. Można by zastanowić się nad (na tym etapie dość wariacką) hipotezą, czy nie ma to coś wspólnego z opisanymi powyżej efektami.


Efekty kwantowe w skali makro

Tu jesteśmy powoli przy końcu naszych rozważań. Chciałem się zastanowić nad tym, czemu w naszym świecie, w skali makro, nie obserwujemy efektów kwantowych, czemu ten biedny, schrödingerowski kot jest raczej w jednoznacznym stanie, niż w dziwacznej superpozycji. Dla ścisłości – oczywiście żyjemy w świecie kwantowym, samo istnienie atomów, czy cząsteczek wyjaśnia sensownie dopiero fizyka kwantowa, a laser w czytniku CD-romów jest urządzeniem czysto kwantowym. Nie o to jednak mi chodzi.

Kopnięta piłka albo w bramce jest, albo nie, a krzesła nie przechodzą przez ściany efektem tunelowym, choć samorzutne znikanie pieniędzy z portfela przypomina rozpad beta.
Dlaczego? Różne są podejścia. Dla ciał o wielkiej masie tunelowanie choćby było możliwe, jest niezmiernie mało prawdopodobne. Może przypadkowość zachowania pojedynczych cząstek jest wyrównywana statystyką, prawem wielkich liczb. Podobnie cząstki wody poruszają się chaotycznie tu i tam (ruchy Browna), ale całe akwarium stoi nieruchomo na stole.

Kluczem wydaje się jednak obecnie pojęcie dekoherencji, mianowicie kwantowe rozmycie obiektów i superpozycja stanów dotyczą obiektów izolowanych, oddziaływanie (m.in. odbierane jako pomiar) powoduje „wygaszenie” efektów kwantowych i powrót do klasycznego świata.
Jak to jednak działa i dlaczego…

Na zakończenie kolejny cytat z Einsteina: „Wszystko należy robić tak prosto, jak to możliwe – lecz nie prościej” (Mach alles so einfach wie möglich, aber nicht einfacher). Teksty te były jednak pewnie „prostsze, niż można”. Po pierwsze, miały to być felietony, a nie praca na 1000 stron. Po drugie, o wszystkim da się znaleźć informacje przeciwne, wyciągające inne wnioski z tych samych doświadczeń, czy rozumowań, lub dowodzące, że inny autor pominął istotne założenia i jego wyniki są niekompletne lub wręcz błędne.

Dlatego moim celem było zasianie niepokoju i pokazanie, że nasz świat jest o wiele dziwniejszy, niż by się na pierwszy rzut oka zdawało. Tym niemniej, prawdopodobnie ta właśnie dziwność jest warunkiem, by zaistniały w nim pewne normalne, a bardziej złożone rzeczy, jak chmury, supernowe i rozumni obserwatorzy.

Nie podaję linków, sugeruję raczej poszukanie w wyszukiwarce paru haseł. Proponuję:

  • quantum entanglement
  • EPR paradox
  • decoherence

i do tego paru aktywniejszych naukowców:

  • Charles H.Bennett (teleportacja – IBM)
  • Anton Zeilinger (teleportacja – Uniwersytet Wiedeński)
  • Nicolas Gisin (optyka kwantowa, teleportacja – Uniwersytet Genewski)
  • Alain Aspect (potwierdzenie splecenia kwantowego – Uniwersytet Paryski)
  • Wojciech Zurek lub Wojciech Żurek (obliczenia kwantowe i wiele innych – Los Alamos National Laboratory)

ilustr. Joanna Titeux/pinezka.pl

Poprzedni odcinek – Fizyka kwantowa – interpretacje (i ich interpretacje)