Az Univerzum nem lokálisan valós - fizikai Nobel-díjasok bizonyították
Az elmúlt fél évszázad egyik legmegrendítőbb felfedezése, hogy a világegyetem nem lokálisan valós. Ebben az összefüggésben a "valóságos" azt jelenti, hogy a tárgyaknak a megfigyeléstől független, határozott tulajdonságaik vannak - egy alma akkor is lehet piros, ha senki sem nézi.
A "lokális" azt jelenti, hogy a tárgyakat csak a környezetük befolyásolhatja, és hogy semmilyen hatás nem terjedhet gyorsabban a fénynél. A kvantumfizika határterületein végzett vizsgálatok megállapították, hogy ezek a dolgok nem lehetnek mindketten igazak. Ehelyett a bizonyítékok azt mutatják, hogy a tárgyakat nem csak a környezetük befolyásolja, és a mérés előtt is rendelkezhetnek határozott tulajdonságokkal.
Ez persze mélyen ellentmond mindennapi tapasztalatainknak. Ahogy Albert Einstein egyszer siránkozott egy barátjának: "Tényleg azt hiszed, hogy a Hold nincs ott, amikor nem nézed?". Douglas Adams író egyik mondatát átvéve, a lokális realizmus megszűnése sok embert nagyon feldühített, és széles körben rossz lépésnek tartják.
A felelősséget ezért a vívmányért most három fizikus vállára hárították: John Clauser, Alain Aspect és Anton Zeilinger. Ők egyenlő arányban osztoztak a 2022-es fizikai Nobel-díjon "az összefonódott fotonokkal végzett kísérletekért, a Bell-egyenlőtlenségek megsértésének megállapításáért és a kvantuminformatika úttörő munkájáért". ("A "Bell-egyenlőtlenségek" John Stewart Bell észak-ír fizikus úttörő munkájára utal, aki az 1960-as évek elején megalapozta a 2022-es fizikai Nobel-díj alapját). A kollégák egyetértettek abban, hogy a trió megérdemelte ezt a számonkérést az általunk ismert valóság megdöntéséért. "Már régóta esedékes volt" - mondja Sandu Popescu, az angliai Bristoli Egyetem kvantumfizikusa. "Kétségtelenül megérdemelt a díj."
"A Clauser legkorábbi kísérletével kezdődő és a továbbiakban folytatódó kísérletek azt mutatják, hogy ez a dolog nem csak filozófiai, hanem valóságos - és mint más valóságos dolgok, potenciálisan hasznos" - mondja Charles Bennett, az IBM egyik jeles kvantumkutatója. "Minden évben azt gondoltam, hogy 'Ó, talán ez az az év'" - mondja David Kaiser, a Massachusetts Institute of Technology fizikusa és történésze. "Ez az év tényleg az volt. Nagyon érzelmes volt - és nagyon izgalmas."
Hosszú volt az út a peremvidékről a népszerűségig. Körülbelül 1940-től egészen 1990-ig az úgynevezett kvantumalapokról szóló tanulmányokat a legjobb esetben is filozófiaként, a legrosszabb esetben pedig őrültségként kezelték. Számos tudományos folyóirat nem volt hajlandó publikálni a témában, és szinte lehetetlen volt olyan tudományos állásokat találni, amelyekben ilyen kutatásokat folytattak. 1985-ben Popescut tanácsadója óva intette a témában való doktorálástól. "Azt mondta: 'Nézze, ha ezt csinálja, öt évig jól fog szórakozni, aztán munkanélküli lesz'" - mondja Popescu.
Ma a kvantuminformatika a fizika legélénkebb részterületei közé tartozik. A fekete lyukak még mindig rejtélyes viselkedésén keresztül összekapcsolja Einstein általános relativitáselméletét a kvantummechanikával. Ez határozza meg a kvantumérzékelők tervezését és működését, amelyeket egyre gyakrabban használnak a földrengésektől a sötét anyagig mindenfélét tanulmányozni. És tisztázza a kvantum összefonódás gyakran zavaros természetét, amely jelenség kulcsfontosságú a modern anyagtudományban, és a kvantumszámítástechnika középpontjában áll. "Egyáltalán mitől lesz egy kvantumszámítógép "kvantumos"?" teszi fel a költői kérdést Nicole Yunger Halpern, a National Institute of Standards and Technology fizikusa. "Az egyik legnépszerűbb válasz az összefonódás, és a fő ok, amiért megértjük az összefonódást, az a nagyszerű munka, amelyben Bell és ezek a Nobel-díjasok részt vettek. Az összefonódás megértése nélkül valószínűleg nem lennénk képesek megvalósítani a kvantumszámítógépeket".
Akiért a harang szól
A kvantummechanikával sosem az volt a baj, hogy rossz előrejelzéseket tett - valójában az elmélet már a kezdetektől fogva nagyszerűen írta le a mikroszkopikus világot, amikor a fizikusok a 20. század első évtizedeiben kidolgozták. Amivel Einstein, Boris Podolsky és Nathan Rosen vitatkozott, ahogyan azt 1935-ben megjelent ikonikus tanulmányukban kifejtették, az az elméletnek a valóságra gyakorolt kellemetlen következményei voltak. EPR rövidítéssel ismert elemzésük középpontjában egy gondolatkísérlet állt, amely a kvantummechanika abszurditását hivatott szemléltetni. A cél az volt, hogy megmutassák, hogy bizonyos körülmények között az elmélet megtört - vagy legalábbis olyan képtelen eredményeket hozott, amelyek ellentmondanak a valóságról alkotott legmélyebb feltételezéseinknek.
Az EPR egyszerűsített és modernizált változata valahogy így hangzik: Egy közös forrásból különböző irányokba küldött részecskepárokat céloz meg két megfigyelőt, Alice-t és Bobot, akik a Naprendszer két ellentétes végén helyezkednek el. A kvantummechanika azt diktálja, hogy a mérés előtt lehetetlen megismerni az egyes részecskék spinjét, ami az egyes részecskék kvantumtulajdonsága. Amint Alice megméri az egyik részecskét, megállapítja, hogy annak spinje vagy "felfelé" vagy "lefelé" van. Az eredményei véletlenszerűek, és mégis, amikor felfelé mér, azonnal tudja, hogy Bob megfelelő részecskéje - amelynek véletlenszerű, határozatlan spinje volt - most már lefelé van. Első pillantásra ez nem is olyan furcsa. Talán a részecskék olyanok, mint egy pár zokni - ha Alice a jobb zoknit kapja, akkor Bobnak a balnak kell lennie.
De a kvantummechanika szerint a részecskék nem olyanok, mint a zoknik, és csak akkor állapodnak meg a felfelé vagy lefelé irányuló pörgésükben, amikor mérik őket. Ez az EPR kulcskérdése: Ha Alice részecskéinek a mérésig nincs spinje, akkor honnan tudják (miközben elszáguldanak a Neptunusz mellett), hogy mit fognak tenni Bob részecskéi, amikor a Naprendszerből a másik irányba repülnek ki? Alice minden egyes méréskor kikérdezi a részecskéit, hogy mit fog kapni Bob, ha feldob egy érmét: felfelé vagy lefelé? Annak az esélye, hogy ezt akár 200-szor egymás után helyesen megjósolja, egy az 1060-hoz - ez a szám nagyobb, mint a Naprendszer összes atomja. A részecskepárokat elválasztó több milliárd kilométer ellenére a kvantummechanika szerint Alice részecskéi továbbra is képesek helyesen jósolni, mintha telepatikus kapcsolatban állnának Bob részecskéivel.
A kvantummechanika tökéletlenségének feltárására tervezett EPR végül olyan kísérleti eredményekhez vezetett, amelyek ehelyett az elmélet legelképesztőbb tételeinek megerősítéséhez vezettek. A kvantummechanika szerint a természet nem lokálisan valós: a részecskéknek a mérés előtt hiányozhatnak olyan tulajdonságaik, mint a fel- vagy a lefelé pörgés, és úgy tűnik, hogy távolságtól függetlenül beszélgetnek egymással. (Mivel a mérések kimenetele véletlenszerű, ezek a korrelációk nem használhatók fel a fénysebességnél gyorsabb kommunikációra).
A kvantummechanikával szemben szkeptikus fizikusok azt javasolták, hogy ezt a rejtélyt rejtett változókkal lehet megmagyarázni, olyan tényezőkkel, amelyek a valóság valamilyen észrevehetetlen szintjén, a szubatomi birodalom alatt léteznek, és amelyek információt tartalmaznak egy részecske jövőbeli állapotáról. Azt remélték, hogy a rejtett változós elméletekben a természet visszanyerheti azt a helyi realizmust, amelyet a kvantummechanika megtagadott tőle. "Az ember azt hitte volna, hogy Einstein, Podolsky és Rosen érvei abban a pillanatban forradalmat idéznek elő, és mindenki a rejtett változókkal kezdett volna foglalkozni" - mondja Popescu.
Einstein kvantummechanika elleni "támadása" azonban nem váltott ki sikert a fizikusok körében, akik nagyjából úgy fogadták el a kvantummechanikát, ahogy van. Ez nem annyira a nem lokális valóság átgondolt elfogadása volt, mint inkább az a vágy, hogy ne gondolkodjanak túl sokat - ez a homokba dugott fejű érzés később N. David Mermin amerikai fizikus által a "kussolj és számolj!" követelésként került megfogalmazásra. Az érdektelenség részben annak tudható be, hogy John von Neumann, egy nagyra becsült tudós 1932-ben matematikai bizonyítást tett közzé, amely kizárta a rejtett változós elméleteket. Von Neumann bizonyítását, meg kell mondani, mindössze három évvel később egy fiatal matematikusnő, Grete Hermann cáfolta meg, de akkoriban úgy tűnt, senki sem vette észre.
A nem lokális realizmus problémája további három évtizedig lappangott, mielőtt Bell megdöntötte volna. Bell pályafutása kezdetétől fogva zavarta a kvantumortodoxia, és szimpatizált a rejtett változós elméletekkel. Az ihlet 1952-ben érte, amikor megtudta, hogy David Bohm amerikai fizikus megfogalmazta a kvantummechanika életképes, nem lokális rejtett változós értelmezését - amit von Neumann lehetetlennek tartott.
Bell éveken át töprengett az ötleteken, a Genf melletti CERN-ben dolgozó részecskefizikusként végzett munkája mellett. 1964-ben újra felfedezte von Neumann érvelésének ugyanazokat a hibáit, mint Hermann. Aztán a szigorú gondolkodás diadalával Bell kidolgozott egy tételt, amely a helyi rejtett változók kérdését a metafizikai mocsárból a kísérlet konkrét talajára rántotta.
A lokális rejtett változók elméletei és a kvantummechanika jellemzően megkülönböztethetetlen kísérleti eredményeket jósolnak. Bell azonban felismerte, hogy pontos körülmények között empirikus eltérés alakulhat ki a kettő között. A névadó Bell-tesztben (az EPR-gondolatkísérlet továbbfejlesztése) Alice és Bob ugyanazokat a párosított részecskéket kapja, de most már mindkettőjüknek két különböző detektorbeállítása van - A és a, B és b. Ezek a detektorbeállítások egy további trükkel megzavarják Alice és Bob látszólagos telepátiáját. A lokális rejtett változó elméletekben az egyik részecske nem tudhatja, hogy a másik melyik kérdést teszi fel. A korrelációjukat titokban előre beállítják, és nem érzékeny a frissített detektorbeállításokra. A kvantummechanika szerint azonban, ha Alice és Bob ugyanazokat a beállításokat használja (mindkettő nagybetűs vagy kisbetűs), mindkét részecske tisztában van azzal, hogy a másik milyen kérdést tesz fel, és a kettő tökéletesen korrelál - olyan szinkronban, amit egyetlen helyi elmélet sem tud megmagyarázni. Egyszóval összefonódnak.
A korreláció többszöri mérése sok részecskepár esetében tehát bebizonyíthatná, hogy melyik elmélet a helyes. Ha a korreláció a Bell-tételből levezetett határérték alatt marad, az azt sugallná, hogy a rejtett változók léteznek; ha meghaladná a Bell-határt, akkor a kvantummechanika észbontó tételei uralkodnának. És mégis, annak ellenére, hogy a Bell-tétel a valóság természetének meghatározásában segíthet, évekig észrevétlenül egy viszonylag ismeretlen folyóiratban lappangott.
A harang érted szól
1967-ben a Columbia Egyetem egyik végzős hallgatója, John Clauser véletlenül belebotlott Bell tanulmányának egy könyvtári példányába, és elragadta a rejtett változós elméletek helyességének bizonyításának lehetősége. Amikor Clauser két évvel később írt Bellnek, és megkérdezte, hogy valaki elvégezte-e már a tesztet, ez volt az első visszajelzések között, amelyeket Bell kapott.
Három évvel ezután Bell bátorítására Clauser és végzős diákja, Stuart Freedman elvégezte az első Bell-tesztet. Clauser engedélyt kapott a feletteseitől, de kevés pénzeszközzel rendelkezett, ezért - ahogy egy későbbi interjúban mondta - "kukabúvárkodásban" lett jártas, hogy megszerezze a felszerelést, amelynek egy részét ő és Freedman aztán ragasztószalaggal ragasztották össze. Clauser berendezésében - egy kajak méretű, gondos kézi hangolást igénylő készülékben - a fotonpárokat ellentétes irányba küldték a detektorok felé, amelyekkel mérni lehetett az állapotukat vagy polarizációjukat.
Sajnos Clauser és a rejtett változók iránti rajongása miatt, miután ő és Freedman befejezték elemzésüket, arra a következtetésre kellett jutniuk, hogy erős bizonyítékokat találtak ellenük. Mégis, az eredmény aligha volt meggyőző, mert a kísérletben különböző "kiskapuk" voltak, amelyek elképzelhetően lehetővé tették, hogy a rejtett változók hatása észrevétlenül átcsússzon. Ezek közül a leginkább aggasztó a lokalitás kiskapuja volt: ha akár a fotonforrás, akár a detektorok valahogyan megoszthatták volna az információt (ami egy kajak méretű tárgyon belül hihető volt), az így kapott mért korrelációk még mindig származhattak rejtett változókból. Ahogy David Kaiser elmagyarázta, ha Alice tweetel Bobnak, hogy közölje vele a detektor beállítását, akkor ez az interferencia lehetetlenné teszi a rejtett változók kizárását.
A lokalitás kiskapujának bezárása könnyebben mondható, mint megvalósítható. A detektorbeállítást gyorsan kell megváltoztatni, miközben a fotonok repülnek - a "gyorsan" azt jelenti, hogy mindössze nanoszekundumok alatt. 1976-ban egy fiatal francia optikai szakértő, Alain Aspect javaslatot tett egy olyan módszerre, amellyel ez a rendkívül gyors váltás megvalósítható. Csoportjának 1982-ben közzétett kísérleti eredményei csak megerősítették Clauser eredményeit: a lokális rejtett változók rendkívül valószínűtlennek tűntek. "Talán a természet nem is olyan furcsa, mint a kvantummechanika" - írta Bell válaszul Aspect tesztjére. "De a kísérleti helyzet ebből a szempontból nem túl biztató".
Más kiskapuk azonban továbbra is fennmaradtak, és Bell 1990-ben úgy halt meg, hogy nem volt tanúja ezek bezárásának. Még Aspect kísérlete sem zárta ki teljesen a helyi hatásokat, mert túl kis távolságon zajlott. Hasonlóképpen, ahogy Clauser és mások is felismerték, ha Alice és Bob a részecskék nem reprezentatív mintáját észleli - például egy olyan felmérés, amely csak jobbkezes emberekkel lépett kapcsolatba -, akkor a kísérleteik téves következtetésekre juthatnak.
Anton Zeilingernél, egy ambiciózus, társaságkedvelő osztrák fizikusnál senki sem igyekezett lelkesebben bezárni ezeket a kiskapukat. 1997-ben ő és csapata továbbfejlesztette Aspect korábbi munkáját, és egy akkor még soha nem látott, közel fél kilométeres távolságon át végzett Bell-tesztet hajtott végre. A valóság nem-lokalitásának kajak méretű kísérletekből való megjóslásának korszaka a végéhez közeledett. Végül 2013-ban Zeilinger csoportja megtette a következő logikus lépést, és egyszerre több kiskaput is leküzdött.
"A kvantummechanika előtt valójában a mérnöki tudományok érdekeltek. Szeretek dolgokat építeni a kezemmel" - mondja Marissa Giustina, a Google kvantumkutatója, aki Zeilingerrel dolgozott együtt. "Visszatekintve, egy kiskapuk nélküli Bell-kísérlet egy óriási rendszermérnöki projekt." A több kiskaput is bezáró kísérlet létrehozásának egyik feltétele az volt, hogy találjanak egy tökéletesen egyenes, 60 méteres, üres alagutat, ahol üvegszálas kábelekhez lehet hozzáférni. Mint kiderült, a bécsi Hofburg-palota tömlöce szinte ideális helyszín volt - eltekintve attól, hogy egy évszázadnyi porral borított. A 2015-ben közzétett eredményeik egybeestek két másik csoport hasonló tesztjeivel, amelyek szintén hibátlannak találták a kvantummechanikát, mint mindig.
A Bell-teszt eléri a csillagokat
Egy utolsó nagy kiskaput még be kellett zárni - vagy legalábbis szűkíteni. Bármilyen korábbi fizikai kapcsolat az összetevők között, függetlenül attól, hogy milyen távoli a múltban, befolyásolhatja a Bell-teszt eredményeinek érvényességét. Ha Alice kezet fog Bobbal, mielőtt elindul egy űrhajóval, akkor közös múltjuk van. Látszólag valószínűtlennek tűnik, hogy egy lokális rejtett változó elmélet kihasználja ezeket a kiskapukat, de mégis lehetséges volt.
2016-ban egy csapat, amelynek Kaiser és Zeilinger is tagja volt, kozmikus Bell-tesztet hajtott végre. A Kanári-szigeteken lévő teleszkópok segítségével a kutatók a detektorbeállításokra vonatkozó véletlenszerű döntéseit az égbolton egymástól elég távol lévő csillagokból szerezték be, hogy az egyikből érkező fény több száz évig ne érje el a másikat, biztosítva ezzel egy évszázadokon átívelő szakadékot a közös kozmikus múltjukban. A kvantummechanika azonban még ekkor is győzedelmeskedett.
A Bell-tesztek fontosságának magyarázata a nagyközönségnek - és a szkeptikus fizikusoknak is - azzal a felfogással jár, hogy a kvantummechanika igazságtartalma előre eldöntött tény. Végül is a kutatók a kvantummechanika számos kulcsfontosságú aspektusát 10 rész a milliárdhoz viszonyítva nagyobb pontossággal mérték. "Valójában nem akartam ezen dolgozni" - mondja Giustina. "Azt gondoltam, hogy 'Ugyan már, ez már régi fizika. Mindannyian tudjuk, mi fog történni." De a kvantummechanika pontossága nem tudta kizárni a lokális rejtett változók lehetőségét; erre csak a Bell-tesztek voltak képesek.
"Ami ezeket a Nobel-díjasokat a téma felé vonzotta, és ami magát John Bellt is a téma felé vonzotta, az valóban [a kérdés] volt: "Működhet-e így a világ?""." mondja Kaiser. "És hogyan tudjuk ezt valóban biztosan tudni?" Amit a Bell-tesztek lehetővé tesznek a fizikusok számára, az az antropocentrikus esztétikai ítéletek előítéletének eltávolítása az egyenletből. Megtisztítják munkájukból az emberi megismerés azon részeit, amelyek visszariadnak a hátborzongatóan megmagyarázhatatlan összefonódás lehetőségétől, vagy amelyek a rejtett változók elméleteit csak újabb vitáknak tartják arról, hogy hány angyal táncolhat egy gombostű fején.
A díj Clauser, Aspect és Zeilinger előtt tiszteleg, de minden olyan kutatót megillet, aki nem elégedett meg a kvantummechanikával kapcsolatos felszínes magyarázatokkal, és aki akkor is feltette a kérdéseit, amikor ez nem volt népszerű. "A Bell-tesztek" - zárja Giustina - "nagyon hasznos módja annak, hogy a valóságot szemügyre vegyük".