— Objavljeno 23/12/2022 / Novi list.
Vox Academiae
ANTIKITERA
NOBELOVA NAGRADA ZA FIZIKU ZA 2022. GODINU
Modernu fiziku, začetu na početku 20. stoljeća, nose dva temeljna stupa: teorija relativnosti i kvantna teorija. Prva dominira na velikoj skali i opisuje jedno od četiri fundamentalna međudjelovanja, gravitacijsko. Druga dominira na maloj skali i opisuje preostala tri fundamentalna međudjelovanja: elektromagnetsko, slabo nuklearno i jako nuklearno. Obje su teorije iz temelja izmijenile naše razumijevanje svijeta, i dalje se razvijaju te neprekidno omogućuju nove primjene.
Kvantna teorija ishodište ima u ideji diskretnosti ili kvantiziranosti pojedinih fizikalnih veličina u vezanim stanjima poput energije jednog elektrona. Ako je taj elektron slobodan, njegova energija može imati bilo koju vrijednost, bez ograničenja. No, ako je taj elektron dio atoma pa se nalazi u vezanom stanju, onda njegova energija može poprimiti samo određene, diskretne vrijednosti. Kažemo da je ta energija kvantizirana.
Kvantizacija je bila tek prva specifičnost svijeta na maloj skali koja je bila otkrivena. Uslijedila su otkrića mnogih drugih osebujnosti mikrosvijeta koja su, iz svakodnevne perspektive, djelovala vrlo bizarno. Doduše, matematika kvantne teorije radi sjajno i daje predviđanja koja su, eksperimentalno, dobro potvrđena. Ono s čim imamo problem je interpretacija, što to točno znači. Jedna od prvih i, još uvijek, jedna od utjecajnijih interpretacija je probabilistička, poznata i kao standardna ili kopenhaška interpretacija. Prema njoj, neka fizikalna veličina kvantnog sustava ima određene vrijednosti s određenim vjerojatnostima. Mjerenjem se jedna od tih vrijednosti realizira, ali to ne znači da je ta veličina prije mjerenja imala upravo tu vrijednost, kao u klasičnoj fizici. Pa koju je onda vrijednost imala prije mjerenja? Prema kopenhaškoj interpretaciji, to pitanje nema smisla. Ili, ako prepričate matematiku kvantne fizike, imala je superpoziciju svih mogućih vrijednosti, štogod to značilo. Neki od pionira kvantne teorije, kao Schrödinger, Einstein i de Broglie, nisu mogli prihvatiti kopenhašku interpretaciju. Smatrali su da postoji nešto što još ne znamo, zbog čega kvantna fizika djeluje apsurdno. Kad saznamo to nešto (što je postalo poznato kao skrivene varijable) kvantna teorija će postati deterministička poput klasične fizike.
Među najapsurdnijim pojavama ionako bizarnog kvantnog svijeta pojava je kvantne prepletenosti. Nju su zagovaratelji skrivenih varijabli isticali kao primjer iz kojega bi svima valjda trebalo biti jasno da tu nešto ne štima, da tako nešto jednostavno ne može biti. Za kvantnu prepletenost (engl. entanglement) u hrvatskom se ponekad koriste i nazivi spregnutost i svezanost. Radi se o pojavi pri kojoj dvije čestice, koje su bile u međudjelovanju pa su potom razdvojene, i dalje ostaju u svojevrsnoj povezanosti, bez obzira koliko su se prostorno udaljile. Kvantni sustav dviju čestica koji je bio jedna cjelina i dalje ostaje cjelina, unatoč tome što je svaka od dviju čestica otišla na svoju stranu i bez obzira koliko je daleko otišla. Svaka od tih čestica kao da neprekidno „zna” što radi ona druga, makar je ta druga kilometrima ili svjetlosnim godinama daleko. Einstein je to svojstvo pogrdno zvao sablasno djelovanje na daljinu. U to se vrijeme činilo da kvantna teorija stvarno daje neka besmislena predviđanja pa da stvarno s njom nešto nije u redu.
Na svim skalama, od mikrosvijeta do makrosvijeta, vrijede zakoni očuvanja. Njihova je formulacija prilično jednostavna: u zatvorenom sustavu (onom u kojem nema izmjena s okolinom) ukupni iznos neke veličine (recimo energije) ne mijenja se s vremenom. Osim energije, zakon očuvanja vrijedi i za mnoge druge fizičke veličine, recimo količinu gibanja, električni naboj i razne kvantne brojeve. Jedan od tih veličina je kvantni broj spina. U zatvorenom sustavu ukupni kvantni broj spina se vremenom ne mijenja. Ako je bio nula, mora ostati nula. Fotoni, čestice svjetlosti, imaju kvantni broj spina +1 ili –1. Dva fotona mogu nastati u procesu anihilacije, primjerice kad se elektron i pozitron ponište. Ako je sustav elektron-pozitron imao ukupni spin nula, onda i dva nastala fotona moraju imati ukupni spin nula. Drugim riječima, ako jedan ima +1 drugi mora imati –1, i obrnuto. Naizgled, tu nema ničeg čudnog. Kao i u klasičnom primjeru s dvije lopte, crnom i bijelom, koje se izbacuju na različite strane. Ako ste uhvatili crnu loptu, znate da je ona druga sigurno bijela. No, kad bi te dvije izbačene lopte bile kvantni sustav, onda prije hvatanja ne bi bile ni crne ni bijele. Bile bi superpozicija crnog i bijelog stanja, 50% crne, 50% bijele. Obje neodređene sve do trenutka hvatanja jedne od njih. Ali kad jednu uhvatite i njezina se boja realizira, ona druga više nema izbor. Kako? Ne znamo, ali kvantna teorija predviđa upravo takvo ponašanje.
A onda su došli eksperimenti koji su pokazali da kvantna prepletenost stvarno postoji, da se priroda u određenim okolnostima upravo tako ponaša. Doduše, bilo je još uvijek nade da postoje i one skrivene varijable koje bi razotkrile misterij. Teorijski fizičar John Stewart Bell pokazao je 1964. godine da bi te skrivene varijable mogle funkcionirati samo pod određenim uvjetima, ne općenito. On je postavio izvjesna ograničenja, koja su postala poznata kao Bellova nejednakost, čije bi narušavanje pokazalo da skrivene varijable ne postoje, odnosno da je teorija skrivenih varijabli nekompatibilna s predviđanjima kvantne mehanike.
Prvi eksperiment za provjeru Bellove nejednakosti osmislio je i ostvario John Clauser. Koristio je atome kalcija koji, obasjani posebnom svjetlošću, emitiraju prepletene fotone. Nakon mnoštva mjerenja uspio je pokazati narušenje Bellove nejednakosti. Alain Aspect pronašao je bolji način pobude atoma pa je mogao proizvesti više prepletenih fotona. Mogao je i bolje kontrolirati uvjete eksperimenta pa je jasno potvrdio da je kvantna mehanika točna i ne postoje skrivene varijable. Mnoge dodatne provjere Bellove nejednakosti proveo je Anton Zeilinger. On je prepletene fotone stvarao tako da je laserom obasjao posebne kristale. U jednom od svojih eksperimenata, kontrolu filtra kojima se mjeri polarizacija fotona osigurao je pomoću neovisnih signala iz dviju udaljenih galaksija.
Svi ti eksperimenti omogućili su manipuliranje kvantnim stanjima i primjenu kvante prepletenosti, što je temelj za razvoj potpuno novih kvantnih tehnologija. Konkretno, za kvantno računalstvo, prijenos i pohranjivanje kvantnih informacija te za realizaciju kvantnog šifriranja. Upravo zato su Clauser, Aspect i Zeilinger ovjenčani Nobelovom nagradom za fiziku za 2022. godinu „za eksperimente s prepletenim fotonima, potvrdu narušenja Bellovih nejednakosti i pionirske doprinose kvantnoj informacijskoj znanosti”.