Experiment, který navždy změnil naše představy o realitě

Princip neurčitosti říká, že nelze současně poznat určité vlastnosti kvantového systému. Například nemůžete současně znát polohu částice a její hybnost. Co to však znamená o realitě? Kdybychom mohli nahlédnout za oponu kvantové teorie, zjistili bychom, že objekty mají skutečně přesně definované polohy a hybnosti? Nebo princip neurčitosti znamená, že na základní úrovni objekty prostě nemohou mít jasnou polohu a hybnost zároveň. Jinými slovy, je rozmazanost v naší teorii, nebo v samotné realitě?“

Zobrazit více

Případ 1: Rozmazané brýle, jasná realita

První možností je, že používání kvantové mechaniky je jako nošení rozmazaných brýlí. Pokud bychom mohli tyto brýle nějak sundat a nahlédnout do zákulisí základní reality, pak samozřejmě částice musí mít nějakou určitou polohu a hybnost. Koneckonců je to věc v našem vesmíru a vesmír musí vědět, kde ta věc je a kterým směrem se pohybuje, i když my to nevíme. Podle tohoto pohledu není kvantová mechanika úplným popisem reality – zkoumáme jemnost přírody tupým nástrojem, a tak nám určitě uniknou některé detaily.

To odpovídá tomu, jak funguje všechno ostatní v našem světě. Když si sundám boty a vy vidíte, že mám červené ponožky, nepředpokládáte, že mé ponožky byly ve stavu neurčité barvy, dokud jsme je nepozorovali s určitou pravděpodobností, že mohly být modré, zelené, žluté nebo růžové. To jsou bláznivé řeči. Místo toho (správně) předpokládáte, že mé ponožky byly vždy červené. Tak proč by to u částice mělo být jinak? Vlastnosti věcí v přírodě přece musí existovat nezávisle na tom, zda je měříme, ne?“

Případ 2: Čiré brýle, rozmazaná realita

Na druhou stranu se může stát, že naše brýle jsou dokonale čiré, ale realita je rozmazaná. Podle tohoto pohledu je kvantová mechanika úplným popisem reality na této úrovni a věci ve vesmíru prostě nemají určitou polohu a hybnost. Tohoto názoru se drží většina kvantových fyziků. Nejde o to, že by nástroje byly neostré, ale o to, že realita je ze své podstaty mlhavá. Na rozdíl od případu mých červených ponožek, když měříte, kde se částice nachází, neměla do okamžiku měření definitivní polohu. Akt měření její polohy ji donutil mít definitivní polohu.

Nyní si možná myslíte, že je to jedna z těch metafyzických otázek typu „jestli spadne strom do lesa“, na které nikdy nelze dát definitivní odpověď. Na rozdíl od většiny filozofických otázek však existuje skutečný experiment, kterým můžete tuto debatu vyřešit. A co víc, tento experiment byl již mnohokrát proveden. Podle mého názoru jde o jednu z nejvíce podceňovaných myšlenek v našem populárním chápání fyziky. Experiment je poměrně jednoduchý a nesmírně hluboký, protože nám říká něco hlubokého a překvapivého o povaze reality.

Tady je nastavení. Uprostřed místnosti je zdroj světla. Každou minutu, přesně na minutu, vyšle dva fotony v opačných směrech. Tyto dvojice fotonů se vytvářejí ve zvláštním stavu známém jako kvantové provázání. To znamená, že jsou oba kvantově propojeny – takže pokud provedete měření na jednom fotonu, nezměníte pouze kvantový stav tohoto fotonu, ale okamžitě změníte i kvantový stav toho druhého.

Jste zatím se mnou?“

Na levé a pravé straně této místnosti jsou dvě identické krabice určené k přijímání fotonů. Na každé krabici je umístěno světlo. Každou minutu, když foton dopadne na krabici, světlo zabliká jednou ze dvou barev, buď červeně, nebo zeleně. Z minuty na minutu se zdá, že barva světla je zcela náhodná – někdy je červená a jindy zelená, bez jasného vzoru tak či onak. Pokud strčíte ruku do dráhy fotonu, žárovka nebliká. Zdá se, že tato krabička detekuje nějakou vlastnost fotonu.

Takže když se podíváte na kteroukoli krabičku, bliká červeným nebo zeleným světlem, a to zcela náhodně. Je na každém, jakou barvu rozbliká příště. Ale tady je opravdu zvláštní věc: Kdykoli jedno políčko blikne určitou barvou, druhé políčko bude vždy blikat stejnou barvou. Bez ohledu na to, jak daleko od sebe se pokusíte krabičky od detektoru vzdálit, mohly by být i na opačných koncích naší sluneční soustavy, budou bezpodmínečně blikat stejnou barvou.

Téměř jako by se tyto krabičky spikly, aby daly stejný výsledek. Jak je to možné? (Pokud máte vlastní oblíbenou teorii o tom, jak tyto krabičky fungují, držte se jí a za chvíli budete moci svůj nápad ověřit experimentem.“

„Aha!“ říká kvantový nadšenec. „Mohu vysvětlit, co se tu děje. Pokaždé, když foton dopadne na jednu z krabiček, krabička změří její kvantový stav, který ohlásí bliknutím buď červeného, nebo zeleného světla. Ale oba fotony jsou spolu svázány kvantovým provázáním, takže když změříme, že jeden foton je v červeném stavu (řekněme), donutili jsme do stejného stavu i druhý foton! Proto obě krabičky vždy blikají stejnou barvou.“

„Počkejte,“ říká prozaický klasický fyzik. „Částice jsou jako kulečníkové koule, ne jako panenky voodoo. Je absurdní, že měření v jednom rohu prostoru může okamžitě ovlivnit něco na úplně jiném místě. Když pozoruji, že jedna z mých ponožek je červená, nezmění to okamžitě stav druhé ponožky a nepřinutí ji, aby byla také červená. Jednodušší vysvětlení je, že fotony v tomto experimentu, stejně jako ponožky, vznikají v párech. Někdy jsou oba v červeném stavu, jindy jsou oba v zeleném stavu. Tyto krabičky právě měří tento ‚skrytý stav‘ fotonů.“

Experiment a úvahy zde uvedené jsou verzí myšlenkového experimentu, který poprvé formulovali Einstein, Podolsky a Rosen, známého jako EPR experiment. Podstata jejich argumentace spočívá v tom, že se zdá absurdní, že měření na jednom místě může okamžitě ovlivnit měření na zcela jiném místě. Logičtějším vysvětlením je, že krabičky detekují nějakou skrytou vlastnost, kterou mají oba fotony společnou. Od okamžiku svého vzniku by tyto fotony mohly nést nějaké skryté razítko, podobné pasu, které je identifikuje buď jako červené, nebo jako zelené. Krabičky pak musí detekovat toto razítko. Einstein, Podolsky a Rosen tvrdili, že náhodnost, kterou v těchto experimentech pozorujeme, je vlastností naší neúplné teorie přírody. Podle nich jsou to naše brýle, které jsou rozmazané. V žargonu oboru je tato myšlenka známá jako teorie skrytých proměnných reality.

Zdá se, že v tomto kole zvítězil klasický fyzik s vysvětlením, které je jednodušší a dává větší smysl.

Další den přijde poštou nový pár krabiček. Nová verze krabice má zabudované troje dveře. V jednu chvíli můžeš otevřít pouze jedny dveře. Za každými dveřmi je světlo a stejně jako dříve může každé světlo svítit červeně nebo zeleně.

Dva fyzikové si s těmito novými krabicemi hrají, chytají fotony a sledují, co se stane, když dveře otevřou. Po několika hodinách dovádění zjistí toto:

1. Pokud otevřou stejná dvířka obou krabiček, světla blikají vždy stejnou barvou.

2. Pokud otevřou dvířka obou krabiček náhodně, pak světla blikají stejnou barvou přesně v polovině případů.

Po chvíli přemýšlení přijde klasický fyzik na jednoduché vysvětlení tohoto experimentu. „V podstatě se to příliš neliší od včerejších krabic. Tady je způsob, jak o tom přemýšlet. Řekněme, že namísto jediného razítka má nyní každý pár fotonů tři razítka, něco jako když držíte několik pasů. Na každých dveřích krabičky se nachází jiné z těchto tří razítek. Takže například tři razítka mohou být červená, zelená a červená, což znamená, že první dveře budou blikat červeně, druhé dveře budou blikat zeleně a třetí dveře budou blikat červeně.“

„Když budeme pokračovat v této myšlence, dává smysl, že když otevřeme stejné dveře na obou krabičkách, dostaneme stejně barevné světlo, protože obě krabičky čtou stejné razítko. Ale když otevřeme různé dveře, krabičky čtou různá razítka, takže mohou dávat různé výsledky.“

Vysvětlení klasického fyzika je opět přímočaré a neodvolává se na žádné fantastické pojmy, jako je kvantové provázání nebo princip neurčitosti.

„Ne tak rychle,“ říká kvantový fyzik, který právě dokončil výpočet na svůj poznámkový blok. „Když jsme s tebou náhodně otevřeli dveře, zjistili jsme, že v polovině případů blikají světla stejnou barvou. Toto číslo – polovina – přesně souhlasí s předpovědí kvantové mechaniky. Ale podle tvé představy ‚skrytých razítek‘ by světla měla blikat stejnou barvou ve více než polovině případů!“

Kvantový nadšenec tu na něco kápnul.

„Podle představy skrytých razítek existuje 8 možných kombinací razítek, které by fotony mohly mít. Označme je zkráceně prvními písmeny barev, takže RRG = červená červená zelená.“

RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
RGG
RGG
RRR
GGG

„Když nyní náhodně vybíráme dveře, ve třetině případů náhodně vybereme stejné dveře, a když je vybereme, uvidíme stejnou barvu.“

„Ve zbývajících dvou třetinách případů vybereme různé dveře. Řekněme, že se setkáme s fotony s následující konfigurací razítek:“

RRG

„V takové konfiguraci, pokud jsme si vybrali dveře 1 na jednom políčku a dveře 2 na druhém, blikají světla stejnou barvou (červeně a červeně). Pokud bychom však vybrali dveře 1 a 3 nebo dveře 2 a 3, blikaly by různými barvami (červeně a zeleně). Takže v jedné třetině takových případů blikají políčka stejnou barvou.“

„Shrnuto, ve třetině případů blikají políčka stejnou barvou, protože jsme vybrali stejné dveře. Ve dvou třetinách případů jsme si vybrali různé dveře a v jedné třetině těchto případů políčka blikají stejnou barvou.“

„Když to sečteme,“

⅓ + ⅔ ⅓ = 3/9 + 2/9 = 5/9 = 55. V jednom případě jsme si vybrali jiné dveře, protože políčka blikají stejnou barvou.55%

„Takže 55,55% je pravděpodobnost, že políčka budou blikat stejnou barvou, když náhodně vybereme dvoje dveře, podle teorie skrytých razítek.“

„Ale počkat! Podívali jsme se pouze na jednu možnost – RRG. A co ty ostatní? Chce to trochu přemýšlení, ale není příliš těžké ukázat, že matematika je ve všech následujících případech naprosto stejná:“

RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
GRG
RGG

„Zbývají tedy jen dva případy: „

RRR
GGG

„V těchto případech dostaneme stejnou barvu bez ohledu na to, které dveře vybereme. Takže to může pouze zvýšit celkovou pravděpodobnost, že obě krabice budou blikat stejnou barvou.“

„Pointa je v tom, že podle myšlenky skrytých razítek je pravděpodobnost, že obě krabice budou blikat stejnou barvou, když náhodně otevřeme dveře, nejméně 55,55 %. Podle kvantové mechaniky je však odpověď 50 %. Data souhlasí s kvantovou mechanikou a vylučují teorii ‚skrytých razítek‘.“

Pokud jste došli až sem, stojí za to se pozastavit a zamyslet se nad tím, co jsme si právě ukázali.

Právě jsme prošli argumentaci průlomového výsledku kvantové mechaniky známého jako Bellova věta. Černé skříňky ve skutečnosti nebliká červené a zelené světlo, ale v detailech, na kterých záleží, odpovídají skutečným experimentům, které měří polarizaci propletených fotonů.

Bellův teorém kreslí čáru v písku mezi podivným kvantovým světem a známým klasickým světem, který známe a milujeme. Dokazuje, že teorie skrytých proměnných, jaké vymyslel Einstein a jeho kamarádi, prostě nejsou pravdivé1. Na její místo nastoupila kvantová mechanika se svými částicemi, které mohou být propleteny na obrovské vzdálenosti. Když narušíte kvantový stav jedné z těchto provázaných částic, okamžitě narušíte i tu druhou, bez ohledu na to, kde ve vesmíru se nachází.

Utěšuje nás myšlenka, že bychom mohli vysvětlit podivnosti kvantové mechaniky, kdybychom si představili každodenní částice, které mají v sobě malá neviditelná ozubená kolečka nebo neviditelná razítka nebo skrytý zápisník nebo něco takového – nějaké skryté proměnné, ke kterým nemáme přístup – a tyto skryté proměnné uchovávají „skutečnou“ polohu a hybnost a další podrobnosti o částicích. Je uklidňující myslet si, že na základní úrovni se realita chová klasicky a že naše neúplná teorie nám neumožňuje nahlédnout do tohoto skrytého rejstříku. Bellův teorém nás však o toto pohodlí připravuje. Realita je rozmazaná a my si na tuto skutečnost prostě musíme zvyknout.

Poznámky

1. Technicky vzato Bellova věta a následný experiment vylučují velkou třídu teorií skrytých proměnných známých jako teorie lokálních skrytých proměnných. Jedná se o teorie, v nichž se skryté proměnné nešíří rychleji než světlo. Nevylučuje nelokální teorie skrytých proměnných, kde skryté proměnné cestují rychleji než světlo, a Bohmianova mechanika je nejúspěšnějším příkladem takové teorie.

Na toto vysvětlení Bellovy věty pomocí krabic s blikajícími světly jsem poprvé narazil v knize Briana Greena Fabric of the Cosmos. Tato pedagogická verze Bellova experimentu sahá až k fyzikovi Davidu Merminovi, který s ní přišel. Pokud chcete ochutnat jeho jedinečnou a brilantní značku výkladu fyziky, pořiďte si výtisk jeho knihy Boojums All the Way Through.

Obrázek na úvodní stránce: Obrázek: NASA/Flickr