Novi eksperiment ukazuje na iznenađujuću skrivenu mehaniku kvantnih superpozicija
To je centralno pitanje u kvantnoj mehanici i niko ne zna odgovor: Šta se stvarno dešava u superpoziciji – čudna okolnost u kojoj se čini da čestice postoje na dva ili više mjesta ili stanja odjednom? Sada, u predstojećem radu, tim istraživača iz Izraela i Japana predložio je eksperiment koji bi nam konačno mogao reći nešto sigurno o prirodi ovog zagonetnog fenomena.
Njihov eksperiment, za koji istraživači kažu da bi mogao da se izvede u roku od nekoliko meseci, trebalo bi da omogući naučnicima da saznaju gde se objekat – u ovom slučaju čestica svjetlosti, koja se zove foton – zapravo nalazi kada se nalazi u superpoziciji. I istraživači predviđaju da će odgovor biti još nepoznatiji i šokantniji od “dva mjesta odjednom”.
Klasičan primjer superpozicije uključuje pucanje fotona kroz dva paralelna proreze na barijeri. Jedan od osnovnih aspekata kvantne mehanike jeste da sitne čestice mogu da se ponašaju kao talasi, tako da one koje prolaze kroz jedan prorez “mješaju” u one koji prolaze kroz drugi, njihovi valovi ili povećavaju ili poništavaju jedni druge kako bi kreirali karakteristični uzorak na ekranu detektora. Čudna stvar je da se ovo mješanje javlja čak i ako je samo jedna čestica ispaljena u isto vreme. Čestica izgleda nekako prolazi kroz oba proreza odjednom, ometajući se sama. To je superpozicija.
I postaje još čudnije: mjerenje kako čestica prolazi će uvjek pokazivati da samo prolazi kroz jednu – ali onda talasasto mješanje (“kvantumnost”, ako želite) nestaje. Izgleda da sam mjerni čin “kolapsira” superpoziciju. “Znamo da se nešto suprotno odvija u superpoziciji”, kaže fizičar Avshalom Elitzur iz Izraelskog instituta za napredna istraživanja. “Ali vam nije dozvoljeno da ga mjerite. To je ono što čini kvantnu mehaniku toliko dijaboličnom. ”
Decenijama istraživači su se zaustavili u ovom očiglednom zastoju. Oni ne mogu precizno reći šta je superpozicija bez gledanja na nju; ali ako pokušaju da ju pogledaju, nestaje. Jedno potencijalno rješenje – koje je razvio bivši mentor Elicur, izraelski fizičar Jakir Aharonov, sada na Univerzitetu Chapman i njegovi saradnici – predlaže način da se nešto izmisli o kvantnim česticama prije nego što ih se mjeri. Pristup Aharonovu naziva se dvostruki-vektorski formalizam (TSVF) kvantne mehanike, a postulati kvantni događaji u određenom smislu određuju kvantna stanja ne samo u prošlosti – već i u budućnosti. To jest, TSVF pretpostavlja da kvantna mehanika radi na isti način napred i nazad u vremenu. Iz ove perspektive, čini se da se uzroci propagiraju unazad u vremenu, koji se javljaju poslje njihovih efekata.
Ali, ne treba se čudno shvatiti bukvalno. Umjesto toga, u TSVF-u se može dobiti retrospektivno znanje o tome šta se dogodilo u kvantnom sistemu odabirom ishoda: umjesto mjerenja gdje čestica završava, istraživač bira određenu lokaciju u kojoj će ju potražiti. Ovo se zove post-selekcija, i ona pruža više informacija nego bilo koji bezuslovni pregled pri ishodima ikad. To je zato što se stanje čestica u bilo kom trenutku retrospektivno procenjuje u svjetlu cele istorije uključujući mjerenje.
Čudnost dolazi zato što izgleda da istraživač – jednostavno izborom traženja određenog ishoda – onda izaziva taj ishod. Ali to je nešto kao zaključak da ako uključite televiziju kada je vaš omiljeni program zakazan, vaša akcija uzrokuje emitovanje tog programa u tom trenutku. “Općenito je prihvaćeno da je TSVF matematički ekvivalent standardnoj kvantnoj mehanici”, kaže David Wallace, filozof nauke na Univerzitetu Južne Kalifornije koji se specijalizirao za tumačenje kvantne mehanike. “Ali to dovodi do toga da vidimo određene stvari koje inače ne bi vidjeli.”
Uzmite, na primjer, verziju eksperimenta sa dvostrukim prorezom koju je izradio Aharonov i saradnik Lev Vaidman 2003. godine, koje su tumačili sa TSVF-om. Par je opisao (ali nije izgradio) optički sistem u kojem jedan foton djeluje kao “zatvarač” koji zatvara prorez izazivajući još jedan foton “probe” koji se približava prorezu koji se reflektuje unazad kako je došao. Primjenom post-selekcije na mjerenje fotonske sonde, pokazali su Aharonov i Vaidman, u jednom superpoziciji se može vidjeti zatvoreni foton koji zatvara istovremeno i (ili stvarno mnogo) proreza. Drugim rječima, ovaj misaoni eksperiment u teoriji bi dopustio da se sa sigurnošću kaže da je futon zatvarač i “ovdje” i “tamo” odjednom. Iako je ova situacija paradoksalna iz našeg svakodnevnog iskustva, to je jedan dobro proučavan aspekt takozvanih “nelokalnih” osobina kvantnih čestica, gde se cjelokupni pojam dobro definirane lokacije u prostoru rastvara.
U 2016. godini fizičari Ryo Okamoto i Shigeki Takeuchi sa Univerziteta u Kjotu verifikovali su eksperimentalno Aharonovu i Vaidmanovu prognozu pomoću kruga za nošenje svjetlosti u kome se kreira foton s kvantnim ruterom, uređajem koji omogućava jednom fotonu kontrolu rute koju uzima drugi. “Ovo je bio pionirski eksperiment koji je omogućio da se na dva mjesta zaključi istovremeni položaj čestice”, kaže Elitzurov kolega Eliahu Cohen sa Univerziteta Otava u Ontariju.
Sada su se Elitzur i Cohen udružili sa Okamoto-om i Takeuchi-om kako bi izmislili još veći eksperiment. Oni vjeruju da će istraživači sa sigurnošću reći nešto o lokaciji čestice u superpoziciji u nizu različitih tačaka u vremenu – prije no što je napravljeno bilo kakvo stvarno mjerenje.
Ovaj put sonda fotonova ruta bi se podjelila na tri parcijalna ogledala. Uz svaku od tih putanja može da stupi u interakciju sa fotonom zatvarača u superpoziciji. Ove interakcije se mogu smatrati da se odvijaju unutar kutija sa oznakama A, B i C, od kojih se jedna nalazi na svakoj od tri moguće rute fotona. Gledajući na samommiješanost fotonske sonde, sa sigurnošću se može retrospektivno zaključiti da je čestica zatvarača bila u datoj kutiji u određeno vreme.
Eksperiment je dizajniran tako da foton sonde može pokazati samo smetnje ukoliko je interaktivan sa fotonom zatvarača u određenom nizu mjesta i vremena: naime, ako je foton zatvarača bio u oba polja A i C u neko vrijeme (t1), onda kasnije (t2) samo u C, a još kasnije (t3) u oba B i C. Tako će interferencija u fotonu sonde biti definitivan znak koji je foton čarobnjaka napravio ovu bizarnu, logičku sekvencu pojavljivanja među kutijama u različitim vremenima – ideja Elitzur, Cohen i Aharonov predložila su prošle godine mogućnost da se pojedinačna čestica rasprši u tri kutije. “Sviđa mi se kako ovaj dokument postavlja pitanja o tome šta se dešava u smislu čitave historije, a ne trenutnih stanja”, kaže fizičar Ken Varton iz San Jose State University-a, koji nije uključen u novi projekat. “Govoreći o” stanjima “je stara prisutna pristrasnost, dok su pune historije generalno mnogo bogatije i zanimljive.”
To bogatstvo, Elitzur i kolege tvrde, je ono na čemu TSVF pruža pristup. Očigledno nestajanje čestica na jednom mestu odjednom – i njihovo ponovno pojavljivanje u drugim vremenima i mjestima – ukazuje na novu i izvanrednu viziju osnovnih procesa uključenih u nelokalnu postojanje kvantnih čestica. Kroz objektiv TSVF-a, kaže Elitzur, ovo treperenje, uvjek promenljivo postojanje može se shvatiti kao niz događaja u kojima je prisustvo čestica na jednom mjestu nekako “otkazano” od strane sopstvenog “kontraceptora” na istoj lokaciji. On upoređuje to sa pojmom koji je uveo britanski fizičar Paul Dirac 1920-ih godina, koji je tvrdio da čestice posjeduju antičestice, a ako se okupljaju, čestica i antičestica mogu uništiti jedna drugu. Ova slika na prvi pogled izgledala je samo način govora, ali je ubrzo dovela do otkrivanja antimaterije. Nestajanje kvantnih čestica u ovom istom smislu nije “uništavanje”, već je i donekle analogno – ovi potencijalni suprotstavnici Elitzur pozicije treba da posjeduju negativnu energiju i negativnu masu, što im omogućava da otkažu svoje kolege.
Dakle, iako tradicionalna “dva mjesta odjednom” pogled na superpoziciju može izgledati čudno, “moguće je superpozicija kolekcija stanja koje su čak i luđa”, kaže Elitzur. “Kvantna mehanika samo vam govori o njihovom prosjeku.” Post-selekcija onda omogućava da se izoluje i pregleda samo neke od tih stanja u većoj rezoluciji, on predlaže. Takvo tumačenje kvantnog ponašanja bi bilo, rekao je on, “revolucionarno”, jer bi to dovelo do dosad nepokornog menagerijera stvarnih (ali vrlo čudnih) stanja koje su u osnovi kontraintuitivnih kvantnih fenomena.
Istraživači kažu da će sprovođenje stvarnog eksperimenta zahtjevati fino podešavanje performansi njihovih kvantnih rutera, ali se nadaju da će njihov sistem biti spreman za pokretanje. Za sada neki spoljni posmatrači nisu uzbuđeni. “Eksperiment je obavezan da radi”, kaže Wharton – ali on dodaje “neće nikoga ubjediti, jer se rezultati predviđaju standardnom kvantnom mehanikom.” Drugim rečima, ne bi bilo nikakvog razloga da se tumači ishod u odnosu na TSVF, a ne na jedan od mnogih drugih načina na koje istraživači tumače kvantno ponašanje.
Elitzur se slaže da je njihov eksperiment mogao biti zamišljen korišćenjem konvencionalnog pogleda kvantne mehanike koji je preovladao prije nekoliko decenija – ali to nikada nije bilo. “Zar to nije dobra indikacija ispravnosti TSVF-a?” Pita on. A ako neko misli da mogu da formulišu drugačiju sliku “šta se zapravo dešava” u ovom eksperimentu koristeći standardnu kvantnu mehaniku, dodaje: “Pa, pusti ih napred!”
Izvor: Scientific American
