19.07.2018
PL EN
17.05.2018 aktualizacja 17.05.2018
Marek Matacz
Marek Matacz

Wielki Test Bella sprawdził kwantową rzeczywistość

Źródło: The BIG Bell Test Collaboration Źródło: The BIG Bell Test Collaboration

Fizycy z pięciu kontynentów przetestowali podstawowe założenia mechaniki kwantowej i pokazali, jak niezwykle zachowuje się świat w skali cząstek elementarnych. W eksperymencie uczestniczyło 100 tys. ochotników, ponieważ naukowcy potrzebowali ludzkiej wolnej woli.

Opisywany przez mechanikę kwantową świat elektronów, fotonów i innych cząstek zachowuje się wbrew codziennej intuicji.

Dwie cząstki mogą np. przez wzajemne oddziaływanie zostać splątane i działają wtedy jak jeden układ, niezależnie od tego, jak daleko od siebie się znajdują.

Na przykład mogą to być dwa splątane fotony o przeciwnej polaryzacji. Kiedy zmierzy się ją u jednego z nich, drugi będzie miał polaryzację dokładnie przeciwną.

Nie było by w tym nic dziwnego, gdyby nie to, że według mechaniki kwantowej foton przyjmuje konkretną polaryzację dopiero w momencie, w którym się ją mierzy. Podobnie dzieje się z wieloma innymi właściwościami cząstek.

Już do tej myśli trudno się przyzwyczaić, a oznacza ona jeszcze, że np. w przypadku splątanych fotonów, w momencie sprawdzenia polaryzacji jednego z nich, oba przyjmują konkretną (przeciwną) polaryzację - w tej samej chwili. Nawet, jeśli znajdowałyby się miliardy lat świetlnych od siebie.

Teoria względności jasno tymczasem mówi, że żadnej informacji nie da się przesyłać szybciej od światła.

Sytuacja jest więc nad wyraz zagadkowa. Aby ją rozwiązać, Einstein zaproponował istnienie tzw. ukrytych parametrów. Według niego splątujące się cząstki niosą jednak pewną zakodowaną, ukrytą informację o swoim przyszłym zachowaniu.

Nieco dokładniej można to opisać z pomocą teorii lokalnego realizmu. Według niej każdą cząstkę można dokładnie scharakteryzować za pomocą pewnej, skończonej liczby parametrów. Jednocześnie cząstki oddziałują tylko na swoje najbliższe otoczenie.

Wydawałoby się, że w ten sposób można powrócić do „zdroworozsądkowego” postrzegania świata. Niestety, najprawdopodobniej nic z tego.

Północnoirlandzki fizyk, John Stewart Bell, już w latach 60. XX w., posługując się statystyczną analizą wyników kwantowych pomiarów, sformułował przełomowe twierdzenie zwane często nierównością Bella.

Pokazało ono, że kwantowe zjawiska są sprzeczne z teorią lokalnego realizmu - czyli że działające lokalnie parametry nie mogą takich zjawisk opisać. Według niego poprawne może być tylko założenie istnienia ukrytych parametrów albo tylko oddziaływań lokalnych.

Mówiąc inaczej oznacza to, że w przypadku splątania albo jedna cząstka natychmiastowo oddziałuje na drugą niezależnie od dzielącego je dystansu, albo ich właściwości nie istnieją przed pomiarem i pojawiają się dopiero w czasie jego wykonania.

Kolejne eksperymenty potwierdzały te wnioski. Krytycy zwracali jednak uwagę na pewien problem związany z dotychczasowymi eksperymentami. Nazywany jest on luką wolnego wyboru.

Otóż warunki pomiaru muszą w tych doświadczeniach być ustalane losowo. Tymczasem, jeśli do ich losowania wykorzysta się jakikolwiek fizyczny układ – czy to generator liczb losowych, czy choćby kostki – teoretycznie istnieje możliwość, że będzie on skorelowany z badanymi cząstkami, co uniemożliwi przeprowadzenie losowego testu.

Aby sobie z tym problemem poradzić, dwanaście laboratoriów rozmieszczonych na pięciu kontynentach przeprowadziło BIG Bell Test.

W projekcie kierowanym przez zespół z Instytutu Badań Fotonicznych (Institute of Photonic Sciences - ICFO) w Barcelonie wzięło udział 100 tys. ochotników, którzy decydowali o przebiegu pomiarów przeprowadzonych w listopadzie ubiegłego roku.

Założenie eksperymentatorów było takie, że w przeciwieństwie do zwykłych układów fizycznych ludzie dysponują wolną wolą, niezależną od stanu badanych cząstek.

Zadanie ochotników było przy tym proste. Z pomocą internetowej gry generowali ciągi zer i jedynek, które naukowcy wykorzystywali do prowadzenia doświadczeń. Na ich podstawie ustawiali np. kąty polaryzatorów czy innych elementów wpływających na splątane cząstki.

Każde z dwunastu laboratoriów przeprowadziło innego rodzaju test sprawdzający teorię lokalnego realizmu, w innym systemie fizycznym. Badacze posługiwali się splątanymi fotonami, atomami i urządzeniami nadprzewodzącymi.

Ochotnicy nazwani przez badaczy Bellstersami wygenerowali w sumie prawie 100 mln zer i jedynek.

"Big Bell Test był niebywale wymagającym i ambitnym projektem. Z początku, jego przeprowadzenie wydawało się niemożliwe, ale stało się realne dzięki wysiłkom dziesiątek pełnych pasji naukowców, specjalistów od naukowej komunikacji, dziennikarzy i mediów, a szczególnie dziesiątkom tysięcy ludzi, którzy przyłączyli się do eksperymentu 30 listopada 2016 r." - o projekcie opowiada Carlos Abellán z ICFO.

Wnioski z badania utrzymują w mocy sprzeczną z codziennym doświadczeniem naturę mechaniki kwantowej.

Seria eksperymentów, które po raz pierwszy wyeliminowały lukę wolnego wyboru, przyniosła rezultaty wyraźnie inne od propozycji Einsteina.

Twierdzenie Bella się obroniło i albo oddalone cząstki natychmiastowo na siebie oddziałują, albo ich własności pojawiają się w momencie ich pomiaru.

"Dla mnie najbardziej niezwykłe jest, że spór między Einsteinem a Nielsem Bohrem, po upływie ponad 90 lat wysiłków nad jego eksperymentalnym rozstrzygnięciem, nadal zawiera ludzką i filozoficzną cząstkę" - mówi kierujący projektem prof. Morgan Mitchell.

Wspomniany Bohr to jeden z twórców mechaniki kwantowej. Podobnie, jak Max Planck spierał się on z Einsteinem, który opowiadał się za klasycznym, czyli można powiedzieć, zwyczajnym wytłumaczeniem kwantowych zjawisk.

"Dzięki niezwykłym maszynom, fizycznym systemom zbudowanym w celu sprawdzania praw fizyki wiemy, że istnieją fale grawitacyjne i bozon Higgsa. Jednak na pytanie dotyczące lokalnego realizmu nie możemy odpowiedzieć z pomocą maszyny. Wydaje się, że my sami musimy być częścią eksperymentu, aby Wszechświat pozostał uczciwy" - wyjaśnia badacz.

Więcej informacji - na stronie https://www.nature.com/articles/s41586-018-0085-3

Marek Matacz

mat/ lt/ zan/

Copyright © Fundacja PAP 2018