Od svojih početaka kvantna mehanika nije prestala da nas zadivljava svojom osobenošću, tako da ju je teško razumjeti. Zašto jedna čestica izgleda kao da prolazi kroz dvije pukotine istovremeno? Zašto umjesto konkretnih predviđanja možemo govoriti samo o evoluciji vjerojatnosti? Prema teoretičarima sa univerziteta u Varšavi i Oxfordu, najvažnija obilježja kvantnog svijeta mogu proizaći iz posebne teorije relativnosti, koja se do sada činilo da nema malo veze s kvantnom mehanikom.
Od dolaska kvantne mehanike i teorije relativnosti, fizičari su izgubili san zbog nekompatibilnosti ova tri koncepta (tri, jer postoje dvije teorije relativnosti: posebna i opća). Opšte je prihvaćeno da je opis kvantne mehanike najvažniji i da će se teorija relativnosti morati prilagoditi njoj. Dr Andrzej Dragan sa Fizičkog fakulteta Univerziteta u Varšavi (FUW) i prof. Artur Ekert sa Univerziteta u Oxfordu (UO) upravo su predstavili svoje obrazloženje dovodeći do drugačijeg zaključka. U članku “Kvantni princip relativnosti”, objavljenom u Novom časopisu za fiziku, oni dokazuju da karakteristike kvantne mehanike koje određuju njenu jedinstvenost i neintuitivnu egzotičnost – prihvaćene, štoviše, u vjeri (kao aksiomi) – mogu biti objašnjene u okviru posebne teorije relativnosti. Samo se treba odlučiti na određeni prilično neortodoksni korak.
Albert Einstein je posebnu teoriju relativnosti temeljio na dva postulata. Prvi je poznat kao Galilejev princip relativnosti (koji je, imajte na umu, poseban slučaj Kopernikovog principa). To kaže da je fizika ista u svakom inercijalnom sustavu (tj. Onom koji je ili u mirovanju ili u stalnom kretanju ravno). Drugi postulat, formuliran na osnovu čuvenog eksperimenta Michelson-Morley, nametnuo je zahtjev za konstantnom brzinom svjetlosti u svakom referentnom sistemu.
“Einstein je drugi postulat smatrao ključnim. U stvarnosti, ono što je presudno je princip relativnosti. Već 1910. Vladimir Ignatowski pokazao je da je samo na ovom principu moguće rekonstruirati sve relativističke pojave posebne teorije relativnosti. A upečatljivo jednostavno obrazloženje, vodeći direktno iz principa relativnosti ka relativizmu, također je 1992. godine predstavio profesor Andrzej Szymacha sa našeg fakulteta “, kaže dr Dragan.
Posebna teorija relativnosti je koherentna struktura koja omogućuje tri matematički ispravna tipa rješenja: svijet čestica koje se kreću subluminalnim brzinama, svijet čestica koje se kreću brzinom svjetlosti i svijet čestica koje se kreću superluminalnim brzinama. Ova treća opcija uvijek je odbačena kao da nema nikakve veze sa stvarnošću.
“Postavljali smo pitanje: šta se dešava ako – za sada bez ulaska u fizikalnost ili nefizikalnost rešenja – ozbiljno ne budemo dio posebne teorije relativnosti, već sve zajedno sa nadmoćnim sistemom? Očekivali bi paradokse uzroka-posljedica. U međuvremenu, vidjeli smo upravo da ovi efekti čine najdublje jezgro kvantne mehanike “, kažu dr Dragan i prof. Ekert.
U početku su oba teoretičara smatrala pojednostavljeni slučaj: prostor-vrijeme sa sve tri porodice rješenja, ali koji se sastoji od samo jedne prostorne i jedne vremenske dimenzije (1 + 1). Čini se da se čestica u mirovanju u jednom sistemu kreće superluminalnom brzinom u drugom, što znači da je i sama superluminoznost relativna.
U kontinuirano izgrađenom prostorno-vremenskom kontinuumu događaju se nedeterministički događaji prirodno. Ako u jednom sustavu u tački A postoji stvaranje superluminalne čestice, čak i potpuno predvidljive, emitirane prema tački B, gdje jednostavno nema podataka o razlozima emisije, tada sa stajališta promatrača u drugom sistemu događaji teku od tačke B do točke A, tako da počinju od potpuno nepredvidivog događaja. Ispada da se analogni efekti pojavljuju i u slučaju emisije subluminalnih čestica.
Oba su teoretičara također pokazala da se, uzimajući u obzir superluminalna rješenja, kretanje čestice na više putanja istovremeno pojavljuje prirodno, a opis tijeka događaja zahtijeva unošenje zbroja kombiniranih amplituda vjerojatnosti koje ukazuju na postojanje superpozicije stanja, pojava do sad povezana samo sa kvantnom mehanikom.
U slučaju prostor-vrijeme s tri prostorne dimenzije i jednom vremenskom dimenzijom (3 + 1), tj. koja odgovara našoj fizičkoj stvarnosti situacija je složenija. Princip relativnosti u svom izvornom obliku nije sačuvan – subluminalni i superluminalni sistem se razlikuju. Međutim, istraživači su primijetili da kada se princip relativnosti promijeni u oblik: “Sposobnost opisivanja događaja na lokalni i determinirajući način ne bi trebala ovisiti o odabiru inercijalnog referentnog sustava”, ograničava rješenja na one u koji svi zaključci iz razmatranja u (1 + 1) prostor-vremenu ostaju valjani.
“Primijetili smo, slučajno, mogućnost zanimljive interpretacije uloge pojedinih dimenzija. U sistemu koji promatraču izgleda superluminalno izgleda da neke prostorno-vremenske dimenzije mijenjaju njihove fizičke uloge. Samo jedna dimenzija superluminalne svjetlosti ima prostorni karakter – jedna duž koje se čestica kreće. Ostale tri dimenzije izgledaju kao vremenske dimenzije “, kaže dr Dragan.
Karakteristična karakteristika prostornih dimenzija je da se čestica može kretati u bilo kojem smjeru ili ostati u mirovanju, dok se u vremenskoj dimenziji uvijek širi u jednom smjeru (što svakodnevnim jezikom nazivamo starenjem). Dakle, tri vremenske dimenzije superluminalnog sistema s jednom prostornom dimenzijom (1 + 3) značile bi tako da čestice neminovno ostare tri puta istovremeno. Proces starenja čestice u superluminalnom sistemu (1 + 3), posmatran iz subluminalnog sistema (3 + 1), izgledao bi kao da se čestica kreće poput sfernog talasa, što bi dovelo do poznatog Huygensovog principa (svaka tačka na talasna fronta može se tretirati kao izvor novog sfernog talasa) i korpuskularno-valnog dualizma.
“Sva neobičnost koja se pojavljuje kada se razmatraju rješenja koja se odnose na sistem koji izgleda superluminalno ispada da nije ništa čudnije od onoga što je već općenito prihvaćena i eksperimentalno provjerena kvantna teorija. Naprotiv, uzimajući u obzir superluminalni sistem, moguće je – najmanje teorijski – da bi se iz postupaka kvantne mehanike izveli iz posebne teorije relativnosti, koje su obično prihvaćene kao posledica drugih, fundamentalnijih razloga “, zaključuje dr Dragan.
Gotovo stotinu godina kvantna mehanika čeka dublju teoriju da objasni prirodu svojih misterioznih pojava. Ako bi obrazloženje koje su iznijeli fizičari s FUW-a i UO-a prošlo test vremena, historija bi se okrutno rugala svim fizičarima. “Nepoznata” teorija koju su desetljećima tražili, objašnjavajući jedinstvenost kvantne mehanike, bila bi nešto što je poznato već od prvog rada kvantne teorije.
Izvor: Phys.org