Splątane zegary - mechanika kwantowa i kierunek upływu czasu

Splątane zegary - mechanika kwantowa i kierunek upływu czasu
Przyjdę o trzeciej. Zdawałoby się, że to jasna informacja. Nie dla fizyków kwantowych! Ci będą dopytywać się, czy o trzeciej dziś, czy może o trzeciej wczoraj. Bo w ich dziwnym świecie czas może biec niekoniecznie „do przodu”.

W ośrodkach badawczych całego świata mnożą się doświadczenia naukowe potwierdzające różne dziwne konsekwencje mechaniki kwantowej. Na holenderskim Uniwersytecie Technicznym w Delft przeprowadzono eksperyment potwierdzający, że określane przez Einsteina jako „upiorne” działanie na odległość rzeczywiście ma miejsce.

Według mechaniki kwantowej cząstki mogą być ze sobą powiązane bez względu na to, jak daleko znajdują się od siebie. Gdy jedna z nich zmieni np. swój stan, wszystkie splątane z nią cząstki natychmiast reagują, a ich stan również się zmienia. W latach 60. XX wieku irlandzki fizyk John Bell zaproponował test, który pozwoliłby rozróżnić to, o czym mówił Einstein, czyli ukryte zmienne, od interpretacji mechaniki kwantowej. Zgodnie z obliczeniami Bella, ukryte zmienne mogą wyjaśnić korelacje, ale tylko do pewnego limitu. Gdy zostanie on przekroczony, teoria Einsteina musiałaby być błędna.

Wizualizacja stanu splątania atomów
Wizualizacja stanu splątania atomów

Pierwszy eksperyment wg koncepcji Bella, dobrze znany w środowiskach fizycznych, został przeprowadzony w 1981 r. przez zespół Alaina Aspecta z Instytutu Optyki w Palaiseau we Francji. Później realizowano wiele kolejnych. Każdy nieodmiennie potwierdzał splątanie kwantowe, nasuwając jednocześnie pytania i wątpliwości, z którymi fizyka musiała się zmierzyć. Przykładowo, wykorzystywanie w eksperymentach fotonów prowadziło do tzw. błędu detekcji - polegał on na tym, że części fotonów (czasem nawet 80% z nich) nie udawało się wykryć. Osiągnięte w ten sposób rezultaty przypisywano całemu zestawowi fotonów. Korzystanie w eksperymentach z atomów, które były łatwiejsze w wykrywaniu, pozwoliło uniknąć błędu detekcji, ale oddzielenie od siebie odległych atomów bez niszczenia ich splątania okazało się bardzo trudne, co prowadziło do tzw. błędu komunikacji - gdy splątane atomy były zbyt blisko siebie, dokonywane pomiary na jednym z nich mogły mieć wpływ na inne atomy bez przekraczania prędkości światła.

Test Bella wreszcie na szóstkę

Eksperyment przeprowadzony kilkanaście miesięcy temu na Uniwersytecie Technicznym w Delft w Holandii jest przełomem w tej dziedzinie. Jak twierdzi Ronald Hanson z Instytutu Nanonauki Kavli, on i jego zespół poradzili sobie z błędem detekcji oraz komunikacji. Jest to zatem pierwszy bezbłędnie przeprowadzony eksperyment Bella. W tym doświadczeniu zastosowano specjalną technikę zamiany splątania, która pozwoliła użyć zarówno cząsteczek światła, jak i materii.

Ronald Hanson - po prawej
Ronald Hanson - po prawej

W dwóch osobnych laboratoriach na kampusie uczelnianym, które znajdują się w odległości 1,3 km, 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 sposób udało się również powiązać elektrony. W ciągu dziewięciu dni zespół naukowców z Delft zdołał stworzyć 245 par splątanych ze sobą elektronów. Pozwoliło to przekroczyć wspomniany wcześniej limit Bella, co sugeruje, że teoria ukrytych zmiennych Einsteina jest błędna. Przeprowadzenie eksperymentu w dwóch laboratoriach z udziałem elektronów przy zachowaniu tak dużej odległości pozwoliło uniknąć błędów detekcji i komunikacji.

Holenderskich eksperymentatorów pochwalił znany w świecie autorytet w dziedzinie fizyki kwantowej, prof. Anton Zeilinger z Uniwersytetu Wiedeńskiego. Na pochwały na łamach „New York Timesa” zdobył się też David Kaiser z Massachusetts Institute of Technology (MIT), który projektuje eksperyment mierzący efekty kwantowe w świetle docierającym z kwazarów na krawędzi Wszechświata. Jego zdaniem dopiero w tym przypadku będzie można mówić o całkowitej pewności co do niezależnej detekcji.

Czas - psychologicznym nawykiem

Wróćmy do problemu czasu, który jest ściśle związany ze splątaniem, czego dowodzą kolejne eksperymenty fizyczne. Skoro potwierdzamy prawdziwość teorii splątania, musimy pogodzić się z rewolucją w rozumieniu czasu. W 1983 r. fizycy Don Page z Uniwersytetu Alberty w Kanadzie i William Wooters zaproponowali wyjaśnienie, wedle którego problem czasu można obejść, stosując pojęcie splątania kwantowego. Według nich, jeśli chodzi o obiekty splątane na poziomie kwantowym, można dokonać pomiaru właściwości już zdeterminowanego układu. Pomijając matematyczne szczegóły, oznacza to, iż zegar czasu rusza dopiero po splątaniu z konkretnym wszechświatem.

Odkrycia powyższe stanowiły podstawę prac grupy włoskich fizyków z turyńskiego Narodowego Instytutu Badań Meteorologicznych (INRiM). W 2013 r. opracowali model wszechświata, w którym czas jest jedynie złudzeniem, a jego upływ stanowi tylko dziwną właściwość splątania kwantowego. Ich model wszechświata składał się z dwóch fotonów. Jeden z pary był zorientowany - spolaryzowany wertykalnie, a drugi horyzontalnie. Ich stan kwantowy, a więc i polaryzacja, były potem wykrywane przez serię detektorów. Okazuje się, że dopóki nie dojdzie do obserwacji ostatecznie determinującej układ odniesienia, fotony znajdują się w klasycznej superpozycji kwantowej, czyli były zorientowane zarówno wertykalnie, jak i horyzontalnie. Podobnie jest z obserwatorem odczytującym wskazanie zegara - determinuje stany kwantowe, wpływając na wszechświat, którego częścią się staje. Czas i jego upływ są tylko złudzeniem, a rzeczywistość staje się dopiero poprzez interakcję obserwatora z nią.

Zegar-lustro
Zegar-lustro

Uczeni twierdzą, że zdolność człowieka do zapamiętania przeszłości, ale nie przyszłości, również można rozumieć jako tworzenie się związków między oddziałującymi cząstkami. Gdy czytamy wiadomość na kartce papieru, mózg staje się skorelowany z nią za pośrednictwem fotonów, które docierają do oczu. Dopiero od tego momentu możemy zapamiętać, co mówi nam ta wiadomość.

Fizyk Seth Lloyd proponuje nowe rozumienie strzałki czasu, twierdząc, że teraźniejszość może być określona poprzez proces korelacji z naszym otoczeniem. „Możemy dyskutować o tym, że godzinę temu nasze mózgi były w stanie, który korelował z mniejszą liczbą rzeczy. Ale nasz pogląd, że czas płynie - to zupełnie inna sprawa”. Jego zdaniem potrzebne będą kolejne rewolucje w dziedzinie fizyki, które to wszystko nam wyjaśnią.

Bardzo wielu fizyków współcześnie mówi o czasie jako o iluzji. Nie chodzi tu więc o to, że w dziwnym świecie kwantowym świat może biec do tyłu, a raczej o umowność przekonania, że biegnie „do przodu”. Strzałka czasu może być z punktu widzenia mechaniki kwantowej jedynie psychologicznym przyzwyczajeniem.