Μία από τις πιο ανησυχητικές ανακαλύψεις τον τελευταίο μισό αιώνα είναι ότι το σύμπαν δεν είναι “τοπικά πραγματικό”. «Πραγματικό», που σημαίνει ότι τα αντικείμενα έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες ανεξάρτητες από τις παρατηρήσεις τους – ένα μήλο μπορεί να είναι κόκκινο ακόμα και όταν κανείς δεν το κοιτάζει. “Τοπικό” σημαίνει ότι τα αντικείμενα μπορούν να επηρεαστούν μόνο από το περιβάλλον τους και ότι οποιαδήποτε επίδραση δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως.
John Stewart Bell (1928-1990), ο Βορειοϊρλανδός φυσικός του οποίου το έργο πυροδότησε μια ήρεμη επανάσταση στην κβαντική φυσική.
Έρευνες όμως στα σύνορα της κβαντικής φυσικής διαπίστωσαν ότι αυτά τα πράγματα δεν μπορούν να είναι αληθινά. Αντίθετα, τα στοιχεία δείχνουν ότι τα αντικείμενα δεν επηρεάζονται αποκλειστικά από το περιβάλλον τους και μπορεί επίσης να στερούνται συγκεκριμένων ιδιοτήτων πριν από τη μέτρηση τους. Όπως είπε περίφημα ο Άλμπερτ Αϊνστάιν σε έναν φίλο του Abraham Pais, «Πιστεύεις πραγματικά ότι το φεγγάρι δεν υπάρχει όταν δεν το κοιτάς;»
Αυτό είναι, φυσικά, βαθιά αντίθετο με τις καθημερινές μας εμπειρίες. Για να παραφράσουμε τον συγγραφέα Douglas Adams (1952-2001), η κατάρρευση του τοπικού ρεαλισμού έχει θυμώσει πολλούς ανθρώπους και θεωρείται από πολλούς ως κακή κίνηση.
Η ευθύνη για αυτό το επίτευγμα έχει πλέον αποδοθεί ξεκάθαρα στους ώμους τριών φυσικών: του John Clauser, του Alain Aspect και του Anton Zeilinger, που μοιράστηκαν εξίσου το Νόμπελ Φυσικής 2022 «για πειράματα με πεπλεγμένα ή εναγκαλισμένα φωτόνια, που αποδεικνύουν την παραβίαση των ανισοτήτων Bell και την πρωτοποριακή κβαντική επιστήμη της πληροφορίας». (Οι “ανισότητες Bell” αναφέρονται στο πρωτοποριακό έργο του Βορειοϊρλανδού φυσικού John Stewart Bell, ο οποίος έθεσε τα θεμέλια για το φετινό Νόμπελ Φυσικής στις αρχές της δεκαετίας του 1960.) Οι φυσικοί συμφώνησαν ότι η πιο πάνω τριάδα που είχε επεξεργαστεί αυτή τη θεωρία του, άξιζε αυτή την εκτίμηση για την ανατροπή της πραγματικότητας όπως την γνωρίζουμε. «Είναι φανταστικά νέα. Είχε καθυστερήσει πολύ η βράβευση τους», λέει ο Sandu Popescu, κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ. «Χωρίς καμία αμφιβολία, το βραβείο το αξίζουν».
«Τα πειράματα που ξεκινούν πρώτα με τον John Clauser και συνεχίστηκαν, δείχνουν ότι αυτά τα πράγματα δεν είναι μόνο φιλοσοφικά, είναι πραγματικά – και όπως και άλλα πραγματικά πράγματα, δυνητικά χρήσιμα», λέει ο Charles Bennett, διαπρεπής κβαντικός ερευνητής στην IBM.
«Κάθε χρόνο σκεφτόμουν, “Ω! ίσως αυτή είναι η χρονιά τους”», λέει ο David Kaiser, φυσικός και ιστορικός στο MIT. «Φέτος, ήταν πραγματικά η χρονιά . Ήταν πολύ συγκινητικό και πολύ συναρπαστικό».
Το ταξίδι των Κβαντικών Θεμελίων (ο κλάδος της επιστήμης που επιδιώκει να κατανοήσει τις πιο αντιδιαισθητικές πτυχές της κβαντικής θεωρίας, να την επαναδιατυπώσει και ακόμη και να προτείνει νέες γενικεύσεις της. Σε αντίθεση με άλλες φυσικές θεωρίες, όπως η γενική σχετικότητα, τα καθοριστικά αξιώματα της κβαντικής θεωρίας είναι αρκετά ad hoc, χωρίς προφανή φυσική διαίσθηση. Ενώ οδηγούν στις σωστές πειραματικές προβλέψεις, δεν έρχονται με μια νοητική εικόνα του κόσμου όπου ταιριάζουν), που ξέφυγαν από το περιθώριο μέχρι την αποδοχή τους ήταν μακρύ. Από το 1940 περίπου μέχρι το 1990, το θέμα συχνά αντιμετωπιζόταν ως φιλοσοφία στην καλύτερη περίπτωση και ως παλαβομάρα στη χειρότερη. Πολλά επιστημονικά περιοδικά αρνήθηκαν να δημοσιεύσουν εργασίες στα Κβαντικά Θεμέλια και δεν βρίσκονταν καθηγητές που να επιδίδονταν σε τέτοιες έρευνες. Το 1985, ο chief του Ποπέσκου τον προειδοποίησε πάνω στο διδακτορικό στο θέμα. “Κοίτα, αν το κάνεις αυτό, θα διασκεδάσεις για πέντε χρόνια και μετά θα μείνεις άνεργος'”, λέει ο Ποπέσκου.
Σήμερα, η κβαντική επιστήμη της πληροφορίας είναι από τα πιο ζωντανά και επιδραστικά υποπεδία σε όλη τη φυσική. Συνδέει τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν με την κβαντική μηχανική μέσω της ακόμα μυστηριώδους συμπεριφοράς των μαύρων οπών. Υπαγορεύει το σχεδιασμό και τη λειτουργία των κβαντικών αισθητήρων, οι οποίοι χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για τη μελέτη των πάντων, από τους σεισμούς έως τη σκοτεινή ύλη. Και αποσαφηνίζει τη συχνά συγκεχυμένη φύση της κβαντικής διεμπλοκής, ένα φαινόμενο που είναι ζωτικής σημασίας για τη σύγχρονη επιστήμη των υλικών και που βρίσκεται στην καρδιά της κβαντικής υπολογιστικής.
Τι είναι αυτό που καθιστά έναν κβαντικό υπολογιστή “κβαντικό”;» αναρωτιέται ρητορικά η Nicole Yunger Halpern, φυσικός του National Institute of Standards and Technology. «Μια από τις πιο δημοφιλείς απαντήσεις είναι η διεμπλοκή, και ο κύριος λόγος για τον οποίο κατανοούμε τη διεμπλοκή είναι το μεγαλειώδες έργο του Bell και και των τριών επιστημόνων που βραβεύθηκαν με το Νόμπελ. Χωρίς αυτή την κατανόηση της διεμπλοκής, πιθανότατα δεν θα μπορούσαμε να φτάσουμε στους κβαντικούς υπολογιστές.»
Για ποιον χτυπά η (Bell) καμπάνα
Το πρόβλημα με την κβαντική μηχανική ποτέ δεν ήταν ότι αυτή έκανε λάθος προβλέψεις – στην πραγματικότητα, η θεωρία περιέγραψε τον μικρόκοσμο εξαιρετικά καλά από την αρχή, από τις πρώτες δεκαετίες του 20ού αιώνα που οι φυσικοί την επινόησαν.
Η διαφωνία του Einstein, του Boris Podolsky και του Nathan Rosen -στην εμβληματική τους δημοσίευση του 1935- αφορούσε τις άβολες για την πραγματικότητα συνέπειες της θεωρίας. Η ανάλυσή τους, γνωστή ως EPR από τα αρχικά τους, επικεντρώθηκε σε ένα νοητικό πείραμα που είχε σκοπό να απεικονίσει τον παραλογισμό της κβαντικής μηχανικής· να δείξει ότι η θεωρία μπορεί να καταρρεύσει κάτω από ορισμένες συνθήκες – ή τουλάχιστον να δώσει παράλογα αποτελέσματα που έρχονται σε αντίθεση με οτιδήποτε άλλο γνωρίζουμε για την πραγματικότητα.
Μια απλοποιημένη και εκσυγχρονισμένη έκδοση του EPR πηγαίνει κάπως έτσι: Μία πηγή εκπέμπει ζεύγη σωματιδίων προς διαφορετικές κατευθύνσεις, με στόχο δύο παρατηρητές που βρίσκονται στα αντίθετα άκρα του ηλιακού συστήματος, την Alice και τον Bob. Η κβαντομηχανική υπαγορεύει πως είναι αδύνατο να γνωρίζουμε το σπιν (ιδιοστροφορμή), μια κβαντική ιδιότητα των σωματιδίων, πριν από τη μέτρηση. Όταν η Alice μετράει ένα από τα σωματίδια της, βρίσκει το σπιν του να είναι είτε προς τα πάνω είτε προς τα κάτω. Τα αποτελέσματά της είναι τυχαία, και όμως, όταν αυτή μετράει ένα σπιν προς τα πάνω, γνωρίζει αμέσως ότι το σπιν του αντίστοιχου σωματιδίου του Bob πρέπει να είναι προς τα κάτω. Με μια πρώτη ματιά, αυτό δεν φαίνεται και τόσο περίεργο. ίσως το ζευγάρι των σωματιδίων να μοιάζει με ένα ζευγάρι κάλτσες – αν στην Alice τύχει η δεξιά κάλτσα, τότε ο Bob πρέπει να έχει την αριστερή.
Στην κβαντομηχανική, όμως, τα σωματίδια δεν συμπεριφέρονται όπως οι κάλτσες, καθώς το σπιν τους παίρνει την τιμή πάνω ή κάτω μόνο αφού αυτά μετρηθούν, και όχι προηγουμένως. Αυτό αποτελεί και τον βασικό γρίφο του EPR: Εάν τα σωματίδια της Alice δεν έχουν συγκεκριμένο σπιν μέχρι τη μέτρηση, πώς τότε όταν περνούν δίπλα από τον Ποσειδώνα ξέρουν τι θα κάνουν τα σωματίδια του Bob καθώς πετούν προς την άλλη κατεύθυνση του ηλιακού συστήματος; Κάθε φορά που κάνει μία μέτρηση η Alice, ρωτά το σωματίδιο της για το τι θα δει ο Bob αν ρίξει ένα νόμισμα: πάνω ή κάτω; Η πιθανότητα να κάνουμε σωστή πρόβλεψη, για 200 μόνο φορές στη σειρά, είναι 1 στις 1060 – αριθμός μεγαλύτερος από όλα τα άτομα του ηλιακού συστήματος. Ωστόσο, παρά τα δισεκατομμύρια χιλιόμετρα που χωρίζουν τα ζεύγη σωματιδίων, η κβαντομηχανική λέει ότι τα σωματίδια της Alice μπορούν να συνεχίσουν να προβλέπουν σωστά, σαν να ήταν τηλεπαθητικά συνδεδεμένα με τα σωματίδια του Bob.
Παρά το ότι προορίζετο να αποκαλύψει τις ατέλειες της κβαντικής μηχανικής, τα αποτελέσματα των διεξαγωγών του πειράματος σκέψης EPR στον πραγματικό κόσμο ενισχύουν τις πιο συγκλονιστικές αρχές της θεωρίας. Στην κβαντομηχανική, η φύση δεν είναι τοπικά πραγματική – τα σωματίδια στερούνται ιδιοτήτων, όπως σπιν προς τα πάνω ή προς τα κάτω πριν από τη μέτρηση και, φαινομενικά, μιλάνε μεταξύ τους ανεξαρτήτως αποστάσεως.
Οι φυσικοί που έβλεπαν με σκεπτικισμό την κβαντική μηχανική πρότειναν πως υπάρχουν “κρυμμένες μεταβλητές”, παράγοντες που βρίσκονται σε κάποιο αδιόρατο επίπεδο πραγματικότητας, κάτω από το υποατομικό βασίλειο, οι οποίοι περιλαμβάνουν πληροφορίες για τη μελλοντική κατάσταση ενός σωματιδίου. Ήλπιζαν πως με τις θεωρίες κρυφών μεταβλητών, η φύση θα μπορούσε να ανακτήσει τον τοπικό ρεαλισμό που της αρνήθηκε η κβαντική μηχανική.
«Θα περίμενε κανείς, τα επιχειρήματα των Einstein, Podolsky και Rosen να προκαλέσουν επανάσταση εκείνη τη στιγμή, και να αρχίσουν όλοι να εργάζονται επάνω στις κρυφές μεταβλητές», λέει ο Popescu.
Ωστόσο, η “επίθεση” του Einstein στην κβαντική μηχανική, δεν τράβηξε την προσοχή των φυσικών, οι οποίοι σε γενικές γραμμές αποδέχθηκαν την κβαντική μηχανική ως έχει. Αυτό συχνά αφορούσε λιγότερο μία τεκμηριωμένη αποδοχή της μη τοπικής πραγματικότητας και περισσότερο την επιθυμία να μην σκεφτόμαστε πάρα πολύ όταν κάνουμε φυσική – έναν στρουθοκαμηλισμό, ο οποίος συνοψίστηκε αργότερα από τον φυσικό David Mermin ως απαίτηση για «σκάσε και κάνε υπολογισμούς.»
Η έλλειψη ενδιαφέροντος οφείλεται εν μέρει στο ότι ο John von Neumann, ένας ιδιαίτερα αναγνωρισμένος επιστήμονας, είχε δημοσιεύσει το 1932 μια μαθηματική απόδειξη που απέκλειε τις θεωρίες κρυφών μεταβλητών. (Η απόδειξη του von Neumann διαψεύστηκε τρία μόλις χρόνια αργότερα από μια νεαρή μαθηματικό, την Grete Hermann, αλλά δεν φάνηκε να το προσέχει κανείς εκείνη την εποχή.)
Το πρόβλημα της κβαντικής μηχανικής για τον μη τοπικό ρεαλισμό θα παρέμενε σε εφησυχαστικό λήθαργο για άλλες τρεις δεκαετίες έως ότου να τον διαλύσει αποφασιστικά ο Bell. Από την αρχή της καριέρας του, ο Bell ένιωθε ενοχλημένος από την κβαντική ορθοδοξία και συμπαθούσε τις θεωρίες των κρυφών μεταβλητών. Η έμπνευση του ήρθε το 1952, όταν έμαθε για μια βιώσιμη μη τοπική ερμηνεία κρυφών μεταβλητών της κβαντικής μηχανικής, που επινόησε ο συνάδελφός του φυσικός David Bohm – κάτι που ο von Neumann είχε ισχυριστεί πως ήταν αδύνατο. Ο Bell συνέχισε να ασχολείται με αυτές τις ιδέες για χρόνια, παράλληλα με την κύρια εργασία του ως σωματιδιακός φυσικός στο CERN.
Το 1964, ο Bell ανακάλυψε εκ νέου τα ελαττώματα της απόδειξης του von Neumann που είχε εντοπίσει η Hermann. Και ύστερα, σε έναν θρίαμβο σχολαστικής σκέψης, ο Μπελ επινόησε ένα θεώρημα το οποίο τράβηξε το ερώτημα των κρυφών μεταβλητών, από το μεταφυσικό του τέλμα, στο στέρεο έδαφος του πειράματος.
Κανονικά, οι θεωρίες κρυφών μεταβλητών και η κβαντομηχανική προβλέπουν πειραματικά αποτελέσματα τα οποία δεν ξεχωρίζουν μεταξύ τους. Αυτό που συνειδητοποίησε ο Bell είναι ότι κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, μπορεί να προκύψει μια εμπειρική ασυμφωνία μεταξύ των δύο. Στην ομώνυμη δοκιμή Bell (μία εξέλιξη του πειράματος σκέψης EPR), η Alice και ο Bob λαμβάνουν τα ίδια σωματίδια, όμως τώρα ο καθένας διαθέτει δύο διαφορετικές ρυθμίσεις ανιχνευτή (A και a, B και b). Αυτές οι ρυθμίσεις ανιχνευτή επιτρέπουν στην Alice και τον Bob να κάνουν διαφορετικές ερωτήσεις στα σωματίδια· ένα επιπλέον κόλπο για να ξεφορτωθούν τη φαινομενική τηλεπάθειά τους. Στις τοπικές θεωρίες κρυφών μεταβλητών, όπου η κατάστασή τους είναι προκαθορισμένη και τίποτα δεν τα συνδέει, τα σωματίδια δεν μπορούν να ξεγελάσουν αυτό το επιπλέον βήμα και δεν μπορούν να πετυχαίνουν πάντα την τέλεια συσχέτιση, στην οποία η Alice βρίσκει ότι το σπιν είναι προς τα κάτω όταν το σπιν του Bob είναι προς τα πάνω (και το αντίστροφο). Στην κβαντική μηχανική, όμως, τα σωματίδια παραμένουν συνδεδεμένα· πολύ πιο συσχετισμένα από ό,τι θα μπορούσαν να είναι ποτέ στις τοπικές θεωρίες κρυφών μεταβλητών. Είναι, με μια λέξη, εναγκαλισμένα ή πεπλεγμένα.
Επομένως, οι πολλαπλές μετρήσεις της συσχέτισης για πολλά ζεύγη σωματιδίων θα μπορούσαν να αποδείξουν ποια θεωρία είναι η σωστή. Εάν η συσχέτιση παρέμενε κάτω από ένα όριο, το οποίο προέρχεται από το θεώρημα του Bell, αυτό θα υποδήλωνε ότι οι κρυφές μεταβλητές είναι πραγματικές· αν ξεπερνούσε το όριο του Bell, θα σήμαινε πως οι συγκλονιστικές αρχές της κβαντικής μηχανικής κυριαρχούν. Και όμως, παρά τις δυνατότητές του να βοηθήσει στον προσδιορισμό της ίδιας της φύσης της πραγματικότητας, το θεώρημα του Bell αφού δημοσιεύτηκε σε ένα σχετικά άγνωστο περιοδικό, παρέμεινε για χρόνια απαρατήρητο.
Η (Bell) καμπάνα χτυπά για σένα
Το 1967, ο John Clauser, μεταπτυχιακός φοιτητής τότε στο Columbia University, έπεσε τυχαία πάνω σε ένα αντίγραφο της δημοσίευσης του Bell και ενθουσιάστηκε από το ενδεχόμενο να μπορέσει αποδείξει ότι οι θεωρίες κρυφών μεταβλητών είναι σωστές. Ο Clauser έγραψε στον Bell δύο χρόνια αργότερα, ρωτώντας τον εάν υπήρχε κάποιος που να είχε πραγματοποιήσει, όντως, το τεστ. Η επιστολή του Clauser αποτέλεσε ένα από τα πρώτα σχόλια που έλαβε ο Bell.
Με την ενθάρρυνση του Bell, πέντε χρόνια αργότερα ο Clauser και ο μεταπτυχιακός του φοιτητής Stuart Freedman πραγματοποίησαν το πρώτο τεστ Bell. Ο Clauser είχε εξασφαλίσει άδεια από τους επιβλέποντές του, αλλά δεν είχε καταφέρει πολλά όσον αφορά το κεφάλαιο, οπότε έγινε -όπως είπε σε μια μεταγενέστερη συνέντευξή του- έμπειρος στις “καταδύσεις σκουπιδιών” ώστε να εξασφαλίσει εξοπλισμό – τμήματα του οποίου, στην συνέχεια, ο ίδιος και ο Freedman χρειάστηκε να ενώσουν με κολλητική ταινία. Στη διάταξη του Clauser -μια συσκευή σε μέγεθος καγιάκ που απαιτούσε προσεκτικό χειροκίνητο συντονισμό- ζεύγη φωτονίων στάλθηκαν σε αντίθετες κατευθύνσεις, προς ανιχνευτές που μπορούσαν να μετρήσουν την κατάστασή ή την πόλωση τους.
Δυστυχώς για τον Clauser και τον ενθουσιασμό του για τις κρυφές μεταβλητές, όταν ο ίδιος και ο Freedman ολοκλήρωσαν την ανάλυσή τους, δεν μπορούσαν παρά να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι είχαν βρει ισχυρά στοιχεία εναντίον τους. Ωστόσο, το αποτέλεσμα ήταν ελάχιστα οριστικό, λόγω των διάφορων «παραθύρων» που υπήρχαν στο πείραμα, τα οποία θα μπορούσαν να επιτρέψουν στην επιρροή των κρυφών μεταβλητών να ξεγλιστρήσει απαρατήρητη. Το πιο ανησυχητικό από τα παραθυράκια, ήταν αυτό της θέσης: εάν η πηγή φωτονίων ή οι ανιχνευτές μπορούσαν να μοιραστούν με κάποιο τρόπο πληροφορίες (κάτι που δεν μπορούμε να αποκλείσουμε, ιδίως εντός μίας διάταξης σε μέγεθος καγιάκ), τότε τα αποτελέσματα για τις συσχετίσεις που μετρήθηκαν θα εξακολουθούσαν να μπορούν να προκύψουν από κρυφές μεταβλητές. Όπως το θέτει εύστοχα ο Kaiser, αν η Alice ενημερώσει με tweet τον Bob σε ποια ρύθμιση ανιχνευτή βρίσκεται, τότε αυτή η παρέμβαση καθιστά αδύνατο τον αποκλεισμό των κρυφών μεταβλητών.
Το κλείσιμο του “παραθύρου” της θέσης, πιο εύκολα λέγεται παρά γίνεται. Η ρύθμιση του ανιχνευτή πρέπει να αλλάξει γρήγορα, όσο τα φωτόνια βρίσκονται σε κίνηση – εν προκειμένω το “γρήγορα” σημαίνει ελάχιστα νανοδευτερόλεπτα. Το 1976 ο Alain Aspect ένας νεαρός Γάλλος ειδικός στην οπτική, πρότεινε έναν τρόπο για την επίτευξη αυτής της εξαιρετικά γρήγορης αλλαγής. Τα πειραματικά αποτελέσματα της ομάδας του, που δημοσιεύθηκαν το 1982 , δεν έκαναν τίποτε άλλο από το να ενισχύσουν τα αποτελέσματα του Clauser: οι τοπικές κρυφές μεταβλητές έμοιαζαν εξαιρετικά απίθανες. «Ίσως η Φύση να μην είναι τόσο περίεργη όσο η κβαντομηχανική», έγραψε ο Bell ως απάντηση στα αρχικά αποτελέσματα του Aspect. «Αλλά η κατάσταση, όσον αφορά στα πειράματα, δεν είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντική από αυτή την άποψη».
Παρέμεναν ωστόσο και άλλα παραθυράκια – δυστυχώς ο Bell πέθανε το 1990 χωρίς να δει το κλείσιμό τους. Ακόμα, όμως, και το πείραμα του Aspect δεν είχε αποκλείσει πλήρως τις τοπικές επιδράσεις, καθώς έλαβε χώρα μέσα σε μία πολύ μικρή απόσταση. Όμοια με πριν -όπως είχε συνειδητοποιήσει ο Clauser, αλλά και άλλοι- εάν η Alice και ο Bob δεν έχουν εξασφαλίσει πως αυτά που ανιχνεύουν αποτελούν ένα αμερόληπτο αντιπροσωπευτικό δείγμα σωματιδίων, θα μπορούσαν να καταλήξουν σε λάθος συμπεράσματα.
Κανείς δεν έσπευσε να κλείσει αυτά τα κενά με περισσότερη όρεξη από τον Anton Zeilinger, έναν φιλόδοξο Αυστριακό φυσικό. Το 1998, αυτός και η ομάδα του βελτίωσαν την προηγούμενη δουλειά του Aspect πραγματοποιώντας μια δοκιμή Bell σε μια άνευ προηγουμένου -για την εποχή- απόσταση, σχεδόν μισού χιλιομέτρου. Η εποχή των προφητειών για την μη τοπικότητα της πραγματικότητας, από πειράματα μεγέθους καγιάκ, είχε φτάσει στο τέλος της. Τελικά, το 2013, η ομάδα του Zeilinger έκανε το επόμενο λογικό βήμα, αντιμετωπίζοντας ταυτόχρονα πολλαπλά “παραθυράκια”.
«Στην πραγματικότητα, πριν από την κβαντομηχανική, με ενδιέφερε η μηχανική. Μου αρέσει να χτίζω πράγματα με τα χέρια μου», λέει η Marissa Giustina, κβαντική ερευνήτρια στη Google που συνεργάστηκε με τον Zeilinger. «Εκ των υστέρων, ένα πείραμα Bell χωρίς “παραθυράκια” αποτελεί ένα τεράστιο εγχείρημα μηχανικής συστημάτων». Μια από τις απαιτήσεις για τη δημιουργία ενός πειράματος που κλείνει πολλαπλά “παραθυράκια” ήταν η εύρεση μιας απόλυτα ευθείας, μη κατειλημμένης/χρησιμοποιούμενης σήραγγας μήκους 60 μέτρων, με πρόσβαση σε καλώδια οπτικών ινών. Όπως αποδείχτηκε, το μπουντρούμι του Hofburg palace της Βιέννης ήταν ιδανικό – αν εξαιρέσουμε το ότι ήταν γεμάτο από την σκόνη ενός αιώνα. Τα αποτελέσματά τους, που δημοσιεύθηκαν το 2015, συνέπεσαν με αυτά παρόμοιων δοκιμών, από δύο άλλες ομάδες, που επίσης επιβεβαίωσαν την ισχύ της κβαντικής μηχανικής.
Το τεστ του Bell φτάνει στα άστρα
Είχε μείνει ένα τελευταίο μεγάλο “παραθυράκι” που έπρεπε να κλείσει, ή τουλάχιστον να περιοριστεί. Οποιαδήποτε προηγούμενη φυσική σύνδεση μεταξύ των στοιχείων του πειράματος, ανεξάρτητα από το πόσο μακρινή στο παρελθόν, είναι σε θέση να επηρεάσει την εγκυρότητα των αποτελεσμάτων ενός τεστ Bell. Αν η Alice, πριν αναχωρήσει με ένα διαστημόπλοιο, σφίξει το χέρι του Bob, τότε αυτοί οι δύο μοιράζονται ένα παρελθόν. Είναι φαινομενικά απίθανο μια τοπική θεωρία κρυφών μεταβλητών να αξιοποιεί αυτά τα κενά, εξακολουθεί όμως να είναι δυνατό.
Το 2017, μια ομάδα που περιελάμβανε τους Kaiser και Zeilinger, πραγματοποίησε ένα κοσμικό τεστ Bell. Χρησιμοποιώντας τηλεσκόπια από τις Κανάριες Νήσους, η ομάδα έλαβε τις τυχαίες αποφάσεις της, για τις ρυθμίσεις των ανιχνευτών, από αστέρια που βρίσκονται αρκετά μακριά μεταξύ τους, τόσο ώστε το φως από το ένα να μην φτάνει στο άλλο για εκατοντάδες χρόνια, διασφαλίζοντας έτσι ένα κενό αιώνων στο κοινό κοσμικό παρελθόν τους. Η κβαντική μηχανική θριάμβευσε ακόμη και σε αυτήν την περίπτωση.
Μία από τις κύριες δυσκολίες σχετικά με την εξήγηση της σπουδαιότητας των τεστ Bell στο κοινό -καθώς και στους σκεπτικιστές φυσικούς- αποτελεί η αντίληψη ότι η ακρίβεια της κβαντικής μηχανικής θα ήταν δεδομένη εξαρχής. Στο κάτω-κάτω, οι ερευνητές έχουν μετρήσει πολλές βασικές πτυχές της κβαντικής μηχανικής με ακρίβεια μεγαλύτερη από 10 μέρη στο δισεκατομμύριο. «Δεν ήθελα να εργαστώ επάνω σε αυτό. Σκεφτόμουν: “Έλα τώρα, αυτό είναι παλιά φυσική. Όλοι γνωρίζουμε τι πρόκειται να συμβεί», λέει η Giustina. Όμως, η ακρίβεια της κβαντικής μηχανικής δεν ήταν σε θέση να αποκλείσει την πιθανότητα τοπικών κρυφών μεταβλητών· μόνο τα τεστ Bell μπορούσαν να το κάνουν αυτό.
«Αυτό που τράβηξε κάθε έναν από τους παραλήπτες του Νόμπελ στο θέμα, όπως τράβηξε και τον ίδιο τον Τζον Μπελ στο θέμα, ήταν [η ερώτηση], “Μπορεί ο κόσμος να λειτουργεί κατ’ αυτόν τον τρόπο;”» λέει ο Κάιζερ. «Και πώς μπορούμε να το γνωρίζουμε με σιγουριά;» Τα τεστ Bell επιτρέπουν στους φυσικούς να αφαιρέσουν την προκατάληψη των ανθρωποκεντρικών κρίσεων από την εξίσωση· απαλείφοντας από το έργο τους τα μέρη της ανθρώπινης γνώσης που αποστρέφονται την πιθανότητα για μία παράξενη και ανεξήγητη διεμπλοκή ή που χλευάζουν τις θεωρίες των κρυφών μεταβλητών ως άνευ νοήματος συζητήσεις. Το βραβείο μπορεί -δικαίως- να τιμά τους Clauser, Aspect και Zeilinger, όμως αποτελεί επίσης δικαίωση για όλους τους ερευνητές που δεν ήταν ικανοποιημένοι με τις επιφανειακές εξηγήσεις σχετικά με την κβαντική μηχανική, και συνέχισαν να θέτουν τις ερωτήσεις τους ακόμη και όταν δεν ήταν δημοφιλές να κάνεις κάτι τέτοιο.
«Τα τεστ Bell», καταλήγει η Giustina, «αποτελούν έναν πολύ χρήσιμο τρόπο να δεις την πραγματικότητα.»
Τι σημαίνει ότι το σύμπαν δεν είναι τοπικά πραγματικό
Το Νόμπελ Φυσικής 2022 δόθηκε για τις πειραματικές αποδείξεις ότι η πραγματικότητα δεν ισχύει σε τοπικό επίπεδο. «Πραγματικό», που σημαίνει ότι τα αντικείμενα έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες ανεξάρτητες από τις παρατηρήσεις τους – ένα μήλο μπορεί να είναι κόκκινο ακόμα και όταν κανείς δεν το κοιτάζει. “Τοπικό” σημαίνει ότι τα αντικείμενα μπορούν να επηρεαστούν μόνο από το περιβάλλον τους και ότι οποιαδήποτε επίδραση δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως.
Σημαίνει ότι είναι αδύνατο για το σύμπαν μας να είναι και τοπικό και πραγματικό, μία ή και οι δύο από αυτές τις ιδιότητες πρέπει να είναι ψευδείς (False). Σημαίνει ότι είτε υπάρχουν αλληλεπιδράσεις σε απόσταση στο σύμπαν μας, είτε ότι τα υποκείμενα θεμέλια του σύμπαντός μας συμπεριφέρονται με έναν πολύ εξωτικό και παράξενο τρόπο, παίρνοντας πραγματική μορφή μόνο όταν όντως αλληλεπιδρούν με οτιδήποτε.
Τοπικό (Local) σημαίνει εδώ ότι όλες οι αλληλεπιδράσεις λαμβάνουν χώρα στις άμεσες χωρικές και χρονικές γειτονιές. Ενώ το χρονικό μέρος είναι διαισθητικό για εμάς, το χωρικό δεν είναι – έχουμε συνηθίσει να αντιλαμβανόμαστε, ακόμη και να χειριζόμαστε τα πράγματα από απόσταση. Αλλά όλα αυτά είναι μια ψευδαίσθηση (βλέπουμε μόνο φωτόνια που φτάνουν στα μάτια μας και χρησιμοποιούμε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία για να μεταφέρουμε τον ήχο στα ασύρματα ακουστικά μας) και από ό,τι γνωρίζουμε μέχρι στιγμής, το σύμπαν μας είναι εντελώς τοπικό καθώς δεν γνωρίζουμε ούτε μια απλή ενέργεια σε απόσταση. Ακόμη και η περίφημη κβαντική διεμπλοκή είναι ένα εγγενώς τοπικό φαινόμενο γιατί για να συμβεί η ίδια η διεμπλοκή, και τα δύο σωματίδια πρέπει να βρίσκονται σε μια άμεση γειτονιά.
Πραγματικό (Real) σημαίνει εδώ ότι όλα τα κβαντικά αντικείμενα έχουν πράγματι συγκεκριμένες ιδιότητες από τη στιγμή της δημιουργίας τους, όπως ακριβώς έχουμε συνηθίσει να αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο. Για να το απλοποιήσουμε, το αν είναι σκληρά ή μαλακά στην αφή τα αντικείμενα ορίζεται τη στιγμή που δημιουργήθηκαν. Αν δεν ήταν πραγματικά, το αν είναι σκληρά ή μαλακά θα προσδιοριζόταν μόνο όταν τα αγγίζαμε πραγματικά, πολύ μετά τη δημιουργία τους. Με άλλα λόγια, το να απαντήσουμε αν το σύμπαν μας είναι πραγματικό σημαίνει να απαντήσουμε αν αντιλαμβανόμαστε τη συμπεριφορά του κβαντικού κόσμου με πιθανολογικό τρόπο επειδή είναι εγγενώς πιθανολογικό (μη πραγματικό σύμπαν) ή επειδή δεν έχουμε κάποιο είδος γνώσης για το μετρούμενο αντικείμενο (πραγματικό σύμπαν ).
Είναι σημαντικό να σημειωθεί εδώ ότι δεν υπάρχει “παθητική παρατήρηση/μέτρηση” στον κβαντικό κόσμο. Δεν μπορείς απλά να κάθεσαι με σταυρωμένα τα χέρια και να παρακολουθείς τη συμπεριφορά των κβαντικών αντικειμένων. Πρέπει πραγματικά να τα «αγγίξεις», να αλληλεπιδράσεις ουσιαστικά μαζί τους, αλλάζοντας την κατάστασή τους.
Τούτου λεχθέντος, είναι επίσης σημαντικό να δηλώσουμε ότι δεν γνωρίζουμε ποιές από αυτές τις ιδιότητες (τοπικό/πραγματικό) είναι πραγματικά ψευδείς ή ακόμα και αν και οι δύο είναι ψευδείς. Ξέρουμε μόνο ότι δεν μπορούν να είναι ταυτόχρονα αληθινές.
Εδώ είναι μία ανάλυση για τα τέσσερα γεγονότα-ιδιότητες:
Local=True Real=False: Οι αλληλεπιδράσεις πρέπει να συμβαίνουν μέσα σε χωρικές/χρονικές γειτονιές. Τα κβαντικά αντικείμενα πιθανώς να καταρρέουν ή να κάνουν κάτι άλλο, σύμφωνα με τις επικρατούσες θεωρίες μόνο όταν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, και τέτοιες ιδιότητες δεν υπάρχουν στην πραγματικότητα πριν το κάνουν.
Local=False Real=True: Οι αλληλεπιδράσεις μπορούν να προκύψουν εκτός άμεσων χωρικών ή ακόμα και χρονικών γειτονιών. Τα κβαντικά αντικείμενα έχουν μια κρυφή μεταβλητή που καθορίζει τις ιδιότητές τους πριν αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους.
Local=False Real=False: Οι αλληλεπιδράσεις μπορούν να προκύψουν εκτός άμεσων χωρικών ή ακόμα και χρονικών γειτονιών. Τα κβαντικά αντικείμενα πιθανώς να καταρρέουν ή να κάνουν κάτι άλλο, σύμφωνα με τις επικρατούσες θεωρίες μόνο όταν αλληλεπιδρούν με αυτά, και τέτοιες ιδιότητες δεν υπάρχουν στην πραγματικότητα πριν το κάνουν.
Local=True Real=True: Αποδείχθηκε ότι είναι αδύνατο από τους νικητές του βραβείου Νόμπελ. Δεν μπορεί να ισχύει ότι οι αλληλεπιδράσεις είναι τοπικές και τα κβαντικά αντικείμενα έχουν μια κρυφή μεταβλητή που καθορίζει τις ιδιότητές τους πριν από τη μέτρηση.
Το Νόμπελ Φυσικής 2022 δόθηκε για τις πειραματικές αποδείξεις ότι η πραγματικότητα δεν ισχύει σε τοπικό επίπεδο. «Πραγματικό», που σημαίνει ότι τα αντικείμενα έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες ανεξάρτητες από τις παρατηρήσεις τους – ένα μήλο μπορεί να είναι κόκκινο ακόμα και όταν κανείς δεν το κοιτάζει. “Τοπικό” σημαίνει ότι τα αντικείμενα μπορούν να επηρεαστούν μόνο από το περιβάλλον τους και ότι οποιαδήποτε επίδραση δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως.
Η κβαντική διεμπλοκή είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο συσχετίζονται τα αποτελέσματα μέτρησης δύο πεπλεγμένων ή εμπλεκόμενων σωματιδίων. Δηλαδή, αν μετρήσω το σπιν 100 ζευγών σωματιδίων κατά μήκος του ίδιου άξονα, τα spin των πεπλεγμένων ζευγών θα συσχετίζονται πάντα. Με άλλα λόγια, όταν η μέτρηση του ενός δείχνει πάνω spin, η μέτρηση του άλλου θα δίνει πάντα spin προς τα κάτω. Αυτό ισχύει, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι τα δύο σωματίδια ή πόσο μικρός είναι ο χρόνος μεταξύ των δύο μετρήσεων.
Μια πιθανή εξήγηση αυτού του φαινομένου έχει ως εξής: Τα αποτελέσματα της μέτρησης ακολουθούν ένα μυστικό σχέδιο που δημιουργείται μαζί με το μπλεγμένο ζεύγος. Δηλαδή, τα αποτελέσματα των μετρήσεων είναι ντετερμινιστικά. Μπορείτε να το φανταστείτε σαν να κρύβετε ένα μικρό αντικείμενο σε ένα από δύο πανομοιότυπα κουτιά. Στη συνέχεια, παίρνετε ένα από τα κουτιά στο φεγγάρι και το ανοίγετε. Εάν βρείτε το αντικείμενο, θα καταλάβετε αμέσως ότι το άλλο κουτί είναι άδειο. Αυτή θα ήταν μια πολύ τακτοποιημένη λύση, καθώς δεν θα έπρεπε να ανταλλάσσεται σήμα για να αποκτήσετε αυτές τις πληροφορίες, παρακάμπτοντας έτσι το πρόβλημα της σχετικότητας. Επιπλέον, αυτή η θεωρία είναι ρεαλιστική, με την έννοια ότι η κατάσταση κάθε αντικειμένου είναι καλά καθορισμένη ανά πάσα στιγμή.
Αυτό ονομάζεται τοπική θεωρία κρυφών μεταβλητών. Εδώ, ο όρος “τοπικό” σημαίνει ότι αυτή η θεωρία εμμένει στους περιορισμούς της σχετικότητας, κάθε αντικείμενο μπορεί να επηρεάσει μόνο το άμεσο περιβάλλον του. Αυτός ο περιορισμός ονομάζεται επίσης “τοπικότητα”. Η ιδέα αυτής της θεωρίας είναι ότι το αποτέλεσμα της μέτρησης όλων των κβαντομηχανικών σωματιδίων είναι προκαθορισμένο από τη στιγμή της δημιουργίας τους με τέτοιο τρόπο, ώστε να τηρούνται οι νόμοι διατήρησης. Όταν μετράμε ένα σωματίδιο ενός μπερδεμένου ζεύγους, παίρνουμε το κρυφά προκαθορισμένο αποτέλεσμα μέτρησης, και έτσι γνωρίζουμε αμέσως την κατάσταση του άλλου σωματιδίου, χωρίς να χρειάζεται να ανταλλάσσεται κανένα σήμα μεταξύ τους.
Όπως αποδεικνύεται, μπορούμε να ελέγξουμε εάν υπάρχουν ή όχι τέτοιες τοπικές κρυφές μεταβλητές χρησιμοποιώντας τις ανισότητες Bell: Το Veritasium έχει εξηγήσει αρκετά καλά πώς λειτουργεί αυτή η δοκιμή.
Η ουσία είναι ότι μια τέτοια θεωρία κρυφών μεταβλητών θα οδηγούσε σε διαφορετικά αποτελέσματα από αυτά που μετράμε.
Κατά συνέπεια, η τοπική ρεαλιστική θεωρία που περιγράφεται παραπάνω δεν μπορεί να είναι αληθινή. Πρέπει να αφήσουμε τουλάχιστον έναν από αυτούς τους περιορισμούς: Το σύμπαν μπορεί να σέβεται τον ρεαλισμό, αλλά όχι την εντοπιότητα. Ή θα μπορούσε να σέβεται την εντοπιότητα, αλλά όχι τον ρεαλισμό. ή θα μπορούσε να σεβαστεί κανένα από τα δύο.
Μια θεωρία που σέβεται την τοπικότητα (τα αντικείμενα μπορούν να επηρεαστούν μόνο από το περιβάλλον τους ) αλλά εγκαταλείπει τον τοπικό ρεαλισμό θα σήμαινε ότι οι κβαντικές καταστάσεις παραμένουν πραγματικά σε μια απροσδιόριστη κατάσταση υπέρθεσης μέχρι να μετρηθούν, και τη στιγμή της μέτρησης, η κυματική συνάρτηση και των δύο σωματιδίων καταρρέει στιγμιαία (σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης ούτως ή άλλως ).
Τελικά δεν υπάρχουν κρυφές μεταβλητές που να προκαθορίζουν το αποτέλεσμα αυτών των μετρήσεων και κανένα σήμα δεν ανταλλάσσεται ταχύτερα από το φως.
Πραγματικότητα σε τοπικό επίπεδο
Το 1935, ο Albert Einstein, ο Boris Podolsky και ο Nathan Rosen στο παράδοξό τους, που είναι γνωστό από τα αρχικά τους EPR, θεώρησαν ότι η κβαντική μηχανική μπορεί να μην είναι μια τοπική θεωρία, επειδή μια μέτρηση που γίνεται σε ένα ζεύγος διαχωρισμένων αλλά πεπλεγμένων σωματιδίων, προκαλεί ένα ταυτόχρονο αποτέλεσμα, την κατάρρευση δηλαδή της κυματικής συνάρτησης, στο απομακρυσμένο σωματίδιο (δηλαδή, ένα φαινόμενο που υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός). Όμως, λόγω της πιθανολογικής φύσης της κατάρρευσης της κυματικής συνάρτησης, αυτή η παραβίαση της τοπικότητας δεν σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση πληροφοριών ταχύτερα από το φως.
Δηλαδή η EPR αμφισβητούσε ότι η κβαντομηχανική μπορεί να περιγράψει την πραγματικότητα και ότι πρόκειται για μια ατελή θεωρία. Γι αυτό ήταν αναγκαία η εισαγωγή κάποιων επιπλέον μεταβλητών (οι περίφημες «κρυμμένες μεταβλητές») που θα εξαφάνιζαν την απροσδιοριστία και την μη-τοπικότητα της κβαντομηχανικής.
30 χρόνια αργότερα, το 1964 ο John Stewart Bell, ένας φυσικός από τη Βόρεια Ιρλανδία που με την διατύπωση του θεωρήματος Bell, έβαλε τέλος σε κάθε θεωρία κρυμμένων μεταβλητών, διατύπωσε την «ανισότητα Bell», η οποία, εάν παραβιαστεί σε πραγματικά πειράματα (που παραβιάστηκε αργότερα σε πειράματα που έγιναν), υποδηλώνει ότι η κβαντομηχανική παραβιάζει είτε την τοπικότητα είτε τον ρεαλισμό, μια άλλη αρχή, η οποία σχετίζεται με την τιμή των μη μετρήσιμων μεγεθών. Οι δύο αρχές αναφέρονται συνήθως ως μια ενιαία αρχή, ο τοπικός ρεαλισμός. Πειραματικές δοκιμές της ανισότητας Bell, ξεκινώντας με τα πειράματα των John Clauser και Alain Aspect της δεκαετίας του 1980, δείχνουν ότι η κβαντομηχανική φαίνεται να παραβιάζει την ανισότητα, επομένως πρέπει να παραβιάζει είτε την τοπικότητα είτε τον ρεαλισμό.
Ωστόσο, οι φυσικοί κάνοντας την κριτική τους έλεγαν ότι αυτά τα πειράματα περιλάμβαναν «παραθυράκια», τα οποία εμπόδιζαν μια οριστική απάντηση σε αυτό το ερώτημα. Αυτό το πρόβλημα όμως θεωρείται ότι επιλύθηκε το 2015, όταν πραγματοποιήθηκαν τρία πειράματα «χωρίς παραθυράκια» το 2015 από ανεξάρτητες ομάδες στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ, στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης και στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST ), αντιμετωπίζοντας πολλά κενά ταυτόχρονα. Ωστόσο, ορισμένα κενά ενδέχεται να επιμείνουν, όπως ο υπερντετερμινισμός, με αποτέλεσμα το ερώτημα να είναι θεμελιωδώς ανεξέλεγκτο.
