Nobla z fizyki w 2022 roku przyznano trzem naukowcom. To Alain Aspect, John F. Clauser i Anton Zeilinger, którzy przeprowadzili eksperymenty łamiące nierówność Bella. To pojęcie z zakresu fizyki kwantowej, a co za tym idzie, również z filozofii. Te dwie dziedziny przenikają się wyjątkowo mocno, ponieważ dotykają podstawowych wartości naszego świata.
O wadze tego osiągnięcia najlepiej świadczy fakt, że nazwiska wyróżnionych uczonych przewijały się na listach faworytów do Nobla właściwie każdego roku
- mówi dla Gazeta.pl Adam Adamczyk, który prowadzi portal kwantowo.pl.
Nobel z Fizyki 2022 dotyczy podstaw nauki i rzeczywistości
Żeby wytłumaczyć doniosłość złamania twierdzeń Bella, trzeba się cofnąć do początków fizyki kwantowej. Również Komitet Noblowski podczas swojej prezentacji, zaczął w ten sposób, przytaczając słynny cytat z Alberta Einsteina, w którym naukowiec mówi, że "Bóg nie gra w kości".
W ten sposób Einstein podkreślał, że nie ma innej drogi interpretacji rzeczywistości niż determinizm. Możemy go nazwać boską wolą czy przeznaczeniem, bo to teoria, która zakłada, że wszystko jest już z góry określone. Dla fizyki ma to fundamentalne znaczenie, ponieważ jeśli determinizm jest prawdziwy, to dysponując wszystkimi zmiennymi jesteśmy w stanie określić każdy możliwy stan w czasoprzestrzeni. Mówiąc prościej, bylibyśmy w stanie przewidywać przyszłość i odczytywać przeszłość, jeśli tylko istniałby komputer, który może przetworzyć wszystkie zmienne.
Taki pogląd jest zgodny z naszymi intuicjami i przez stulecia, dominował w społeczeństwie, a być może tak jest do dziś. Trudno bowiem pomyśleć, że istnieje Przypadek przez duże P. Owszem, coś może być małym przypadkiem i pozostaje dla nas tajemnicą, gdy jednak odkryjemy jego przyczyny, nie ma mowy o losowości. Od Newtona przez kilka wieków teoria ta się sprawdzała jako klasyczna teoria fizyki, bo mając dane mogliśmy przewidywać ruch ciał niebieskich czy atomów.
Odkrycia z początku XX wieku zburzyły jednak ten obraz. Mechanika kwantowa wprowadziła do fizyki Przypadek i zgodnie z nią nie możemy poznać wszystkich zmiennych, bo część z nich jest losowa .Tę własność prezentuje słynny kot Schrödingera - dopóki kot jest w pudełku, to znajduje się w superpozycji, czyli jednocześnie żyje i jest martwy. Dopiero otwarcie pudełka, sprawia, że kot jest albo martwy, albo żywy. To tzw. efekt obserwatora, który w rzeczywistości dotyczy cząstek elementarnych, a nie zwierząt.
Zgodnie z założeniami efektu obserwatora, nasza obserwacja wpływa na stan cząstek. Żeby coś obejrzeć, musimy wysłać sygnał, na przykład światło, które odbije się od obiektu i trafi do naszego oka. Przy dużych obiektach, nie ma to większego znaczenia. Gdy przechodzimy jednak na poziom cząstek elementarnych, energia, jaką niesie za sobą sygnał potrzebny do obserwacji, wpływa na stan cząstki i go zmienia. Niemożliwe jest więc obserwowanie tak małych cząstek w "surowym" stanie.
Kolejne pojęcie, jakie jest potrzebne, to splątanie kwantowe. Fizyka kwantowa wykazała, że para fotonów przepuszczona przez rozdzielający kryształ jest ze sobą powiązana. Jeśli jedna cząstka ma polaryzację pionową, to druga ma poziomą. Jednakże zgodnie z efektem obserwatora, która jest która, dowiemy się, dopiero gdy zbadamy choć jedną z nich. Wówczas druga cząstka natychmiastowo i automatycznie przyjmuje opozycyjną wartość, niezależnie od tego, jak daleko znajduje się ta druga. Wyjaśnienia teoretycznie są dwa cząstki mogły się więc komunikować lub już wcześniej wiedziały, która jest pozioma, a która pionowa. Trzecie, które je godzi to splątanie kwantowe, którego przyczyn bliżej nie znamy, ale wiemy że istnieje. Einstein nazywał je upiornym oddziaływaniem na odległość.
Na przykładzie herbaty oba zagadnienia tłumaczył dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański z Instytutu Fizyki Teoretycznej, Wydziału Fizyki UW w czasie tygodnia noblowskiego organizowanego przez Centrum Współpracy i Dialogu UW: Jeśli gospodarz zawsze podaje każdemu tę samą herbatę, to gdy pierwsza osoba rozpozna zieloną herbatę, pozostałe również od razu będą wiedziały, że jest zielona. To samo dotyczy herbaty czerwonej, czy jakiejkolwiek innej. Fizyka kwantowa pokazała, że gospodarz może podać nieokreśloną herbatę i dopiero pierwszy łyk zdeterminuje, jaki to rodzaj herbaty, a ze względu na stany kwantowe ,w tym samym momencie pozostałe filiżanki okażą się zawierać ten sam napój.
Einstein w swojej teorii względności przyjmuje, że światło ma stałą prędkość około 300 tys. km/s i jest to fundamentalne założenie. Jeśli cząstki miałyby się komunikować, to potrzebna jest energia, które przeniesie tę informację do drugiej cząstki. Ze względu na odległość, nieobserwowana cząstka przyjmie jednak wartość dopiero po czasie, gdy otrzyma informację od tej obserwowanej. Ale zgodnie z teorią splątania kwantowego, związane cząstki przyjmują opozycyjne stany dokładnie w tym samym momencie. To by oznaczało, że Einstein się pomylił i albo światło nie ma stałej prędkości, albo istnieje coś, co może przenieść informację z cząstki do cząstki jeszcze szybciej niż światło.
Jak więc Einstein sobie to wytłumaczył? Nie podważał swoich teorii dot. prędkości światła. To wymagałoby wielu zmian, a jego teoria względności poprawnie opisywała rzeczywistość, dopóki nie przechodziliśmy na poziom cząstek elementarnych. Einstein zgadzał się też, że na tym poziomie, dobrze sprawdza się teoria kwantowa, więc i tutaj nie trzeba czynić rewolucji. Założył więc, że cząstki w rzeczywistości mają już wcześniej określone własności - np. polaryzację pionową i poziomą - ale ze względu na efekt obserwatora, czyli naszą ułomność nie jesteśmy w stanie ich poznać. Zdaniem Einsteina, istniała więc kolejna wielka teoria fizyczna, która tłumaczyłaby to zachowanie cząstek, obalając na tym poziomie teorię kwantową. Wierzył więc w superdeterminizm i nie dopuszczał do siebie myśli, że w świecie może istnieć jakiś losowy element.
W opozycji do niego stał Niels Bohr, jeden z twórców fizyki kwantowej. Gdy Einstein mówił, że cząstki mają obiektywne własności, których nie możemy poznać, Bohr twierdził, że właściwości obiektów fizycznych nie istnieją przed pomiarem. Naukowcy zadają tutaj często pytanie - czy fizycy mają wolną wolę? Bo wracając do pierwszych akapitów, Einstein zgodnie z naszą intuicją uznał, że Przypadku nie ma, po prostu nie poznaliśmy jeszcze teorii, która go opisze. A to oznaczałoby, że wolna wola to tylko złudzenie. Natomiast Bohr twierdził zgodnie ze zdobyczami fizyki kwantowej, że jest to teoria ostateczna i w pełni opisująca rzeczywistość, a losowość jest wrodzoną cechą naszego wszechświata.
Panowie toczyli ze sobą wiele dyskusji w temacie. Dyskusji trzeba zaznaczyć filozoficznych i czysto teoretycznych, bo przez wiele dekad nie było możliwości eksperymentalnego zbadania, który z nich ma rację. Po tym długim wstępie możemy przejść do wytłumaczenia, za co przyznano w tym roku Nobla, ponieważ nagroda dot. rozstrzygnięcia sporu między Einsteinem oraz Bohrem.
Nobel za złamanie nierówności Bella
W 1964 roku John Stewart Bell zaproponował teoretyczne rozstrzygnięcie sporu miedzy naukowcami. W 1969 roku teorię Bella poprawili John Clauser, Michael Horne, Abner Shimony ora Richard Holt, dlatego często mówi się od nierówności Bella-CHSH.
Twierdzenie Bella, inaczej zwane nierównością Bella, brzmi następująco: żadna lokalna teoria zmiennych ukrytych nie może opisać wszystkich zjawisk mechaniki kwantowej.
Prościej to wytłumaczył jednak dr hab. Demkowicz-Dobrzański: - Nierówności Bella to matematyczne właściwości, które mówią, że jeśli mechanika kwantowa je złamie, to znaczy, że nie możemy o niej myśleć w sposób klasyczny, deterministyczny - mówił naukowiec. Czyli zgodnie z tym, co uważał Bohr, a czego nie dopuszczał do siebie Einstein.
Bell znalazł więc sposób, by mimo efektu obserwatora rozstrzygnąć, czy cząstki mają obiektywne wartości, których nie możemy zbadać, czy może wszechświat zawiera element losowości. Od wyniku eksperymentu zależało, czy rację miał Einstein czy Bohr. W latach 60. wciąż jednak nie dało się eksperymentalnie sprawdzić, czy nierówność zostanie złamana, czy potwierdzona.
Dopiero w latach 70. po raz pierwszy pojawiła się technologia, która pozwoliła wziąć na warsztat twierdzenie Bella. Zespół Johna Clausera - pierwszego z tegorocznych noblistów - zdołał w 1972 roku złamać nierówność, potwierdzając, że mechanika kwantowa jest pełnym opisem rzeczywistości, a losowość jego własnością. Ze względów technicznych, wciąż było wiele zastrzeżeń do eksperymentu.
Pierwszym była kwestia odległości i niewystarczającego odseparowania od siebie badanych fotonów. Oznaczało to, że istniała możliwość przeniesienia tej informacji między cząstki, na przykład przez pole elektromagnetyczne. Rozwiązanie tego problemu przyniosły eksperymenty drugiego tegorocznego noblisty Alaina Aspecta z lat 1980-1982 roku. Grupa naukowców, którą kierował postanowiła bardzo szybko zmieniać ustawienia polaryzatorów w trakcie lotu fotonów. Dzięki temu znów złamano nierówność Bella na kolejnym poziomie i potwierdzono, że rację miał Bohr.
Wciąż jednak badanie było niepełne, a sam Bell powiedział, że test będzie w 100 proc. wiarygodny, dopiero gdy pojawią się detektory zdolne wyłapywać co najmniej 2/3 fotonów. Takie urządzenia zdołano zbudować ledwie dekadę temu. Dzięki temu w 2015 roku Anton Zellinger z zespołem ostatecznie złamali nierówności Bella, za co naukowca nagrodzono noblem.
Dzięki tym odkryciom, nie ma dziś już wątpliwości, że obiekty fizyczne na poziomie elementarnym nie mają obiektywnych właściwości fizycznych. Przyjmują je dopiero, gdy zostaną zaobserwowane. Cechą rzeczywistości jest więc losowość, a rację miał Niels Bohr. Einstein kierowany głęboką intuicją, mylił się. Wciąż jednak można tłumaczyć jego poglądy poprzez superdeterminizm, a więc na gruncie filozofii spór o wolną wole nadal może trwać: albo istnieje choćby jedno, dowolnie słabe, źródło ontycznej (rzeczywistej - red.) losowości we Wszechświecie, albo wszystko jest zdeterminowane od początku do końca - mówił na swoim wykładzie na temat nierówności Bella Michał Ekcstein, fizyk i matematyk, z Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej na Uniwersytecie Gdańskim.
Fizyka ma już w tej kwestii rozstrzygnięcie. Bo choć nie jesteśmy w stanie wykazać prawdziwości mechaniki kwantowej, to nie możemy też uczynić tego z żadną inną teorią. Natomiast ta pierwsza sprawdza się w doświadczeniach, a w konsekwencji ma zastosowanie praktyczne.
Co złamanie równania Bella oznacza w praktyce?
Choć fizyka teoretyczna często nie znajduje zastosowania praktycznego, to w tym przypadku jest akurat inaczej. Komputery i kryptografia kwantowe w ostatnich latach wyraźnie umocniły swoją pozycję i są dość dobrze zbadanymi i rozwiniętymi technologiami. To między innymi zasługa tegorocznych noblistów. Kryptografia kwantowa opiera się na zasadach fizyki kwantowej, a nagrodzone Noblem doświadczenia potwierdzają jej bezpieczeństwo.
Te eksperymenty, które były przeprowadzane, z niewielkimi modyfikacjami mogą być używane jako eksperymenty do zadań czysto technologicznych, nie filozoficznych. Takich jak kryptografia kwantowa, czyli bezpieczne rozsyłanie klucza kryptograficznego, którego bezpieczeństwo jest gwarantowane prawami fizyki kwantowej. One mówią o tym, że ta herbata nie ma jeszcze koloru, nie można jej podejrzeć. I to podglądanie nieuchronnie zaburza ten układ i na tym można zbudować bezpieczeństwo komunikacji
- mówił dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański. Jak dodaje, to są dojrzałe technologie, które można kupić i realnie z nich korzystać. Problematyczny jest jednak zasięg, bo na razie wynosi ledwie 100 km.
Prof. Krzysztof Meissner zwrócił też uwagę, że w ramach tych eksperymentów zrealizowano teleportację. Wytłumaczył jednak, że nie chodzi o dosłowne przeniesienie kogoś z miejsca na miejsce, a raczej o przeniesieniu jego stanu i odtworzenie go w innym układzie, wcześniej niszcząc ten poprzedni. Taka teleportacja dotyczy więc stanów obiektów fizycznych, a nie ich samym. Zdołał tego w dokonać w swoich eksperymentach Zellinger. Dr. hab Demkowicz-Dobrzański porównał tę technologię do tej ze Star Treka. Kultowe promienie teleportacyjne można bowiem interpretować jako sczytanie i rozsypanie informacji, która następnie była w formie energii przekazywana do miejsca docelowego, gdzie na jej podstawie odtwarzano obiekt fizyczny.
