Milan M. Ćirković

Naučni savetnik Astronomske opservatorije u Beogradu

Vreme čitanja: 8 minuta

Foto: Unsplash

Ovaj tekst posvećujem svom starom (ko-)mentoru za diplomski rad, akademiku Fedoru Herbutu (1932–), jednom od retkih ljudi koji su bili daleko ispred svog vremena upravo na temu osnova kvantne fizike i koji je sve ovo vreme bio u pravu.

 

U „Nobelovoj sedmici“ početkom oktobra, dobili smo imena dobitnika najpoznatije svetske nagrade u svim kategorijama. Dok su pojedine kategorije bile izvesno iznenađenje (naročito večno kontroverzne nagrade za književnost i mir), u pogledu Nobela za fiziku to se svakako ne može reći. Ako išta, iznenađujuće je samo što je ova nagrada 40-50 godina okasnila.

Nagrada je 4. oktobra 2022. dodeljena ravnopravno francuskom fizičaru Alanu Aspeku (Univerzitet Paris-Saclay), Amerikancu Džonu Klauzeru (privatna firma Clauser & Assoc.) i Austrijancu Antonu Cajlingeru (Bečki univerzitet) „za eksperimente sa spletenim fotonima koji su utvrdili narušenje Belovih nejednakosti i zasnivanje kvantne informatike“ kako kaže zvanično kratko obrazloženje. Detaljnije tehničko obrazloženje nalazi se ovde. Može se mirne duše tvrditi da je malo nagrada koje će u doslovnom smislu definisati H-Dž-Velsovski oblik stvari koje će doći, i u teorijskom i vrlo praktičnom smislu.

 

 

Priča otpočinje sa slavnim sukobom Alberta Ajnštajna i Nilsa Bora o temeljima u to doba nove fizičke discipline: kvantne mehanike. Kvantnomehanička slika sveta, u kojoj ne postoje deterministički uzroci i posledice već samo verovatnoće, u kojoj su mikroskopski sistemi u superpoziciji stanja koja nemaju nikakvih paralela u „realnom“ makroskopskom svetu (poput Šredingerove mačke koja je istovremeno i živa i mrtva), duboko je iritirala Ajnštajna koji je preferirao sliku sveta saglasnu sa klasičnom, 19-vekovnom determinističkom paradigmom. Da bi osporio kvantnu mehaniku, Ajnštajn je pokušao sa čitavim nizom misaonih eksperimenata, od kojih je najpoznatiji onaj razvijen sa njegovim asistentima Podolskim i Rozenom, pa je otuda poznat i kao EPR („Ajnštajn-Podolski-Rozen“) paradoks.

EPR obično podrazumeva parove čestica koji imaju zajedničko poreklo, pa se zatim razleću na suprotne strane, pri tom zadržavajući svoje kvantno poreklo makar se i udaljili u dve različite galaksije. Ajnštajnu se to činilo besmislenim i nazivao je to „sablasnim delovanjem na daljinu“ (u nemačkom originalu spukhafte Fernwirkungen), znakom misticizma, a ne nauke. Bor je, pak, bio spreman da „zagrize metak“ i prihvati kako da, jednom spletene čestice ostaju spletene baš kako kvantna mehanika predviđa. I jedan i drugi su prihvatali da se eksperimentalno razrešenje ove zagonetke neće skoro odigrati, naročito pošto je nedostajao teorijski model za razlikovanje kvantnomehaničkih efekata od onoga što je Ajnštajn preferirao, naime neke alternativne teorije mikrosveta koja bi ličila na klasičnu fiziku i imala tzv. skrivene varijable.

U središtu debate bila je osobina naših teorija i/ili samog fizičkog sveta poznata pod nazivom lokalnost. Lokalnost je u toj meri fundamentalno i filozofsko svojstvo svega što oko sebe vidimo, da se o njemu jako retko eksplicitno razmišlja. Obično se podrazumeva da na neki objekat direktno utiče samo njegovo neposredno fizičko okruženje; Ajnštajnova specijalna teorija relativnosti dodaje da se taj uticaj mora prostirati brzinom svetlosti u vekuumu ili manjom, ali nikako brže od toga, pogotovo ne trenutno.

 

 

Sve drugo je ono što je od Njutna naovamo bilo nazivano „delovanjem na daljinu“ i protiv čega je jednoglasno bila gotovo čitava fizičarska tradicija – sve do Bora i pojave kvantne mehanike. U kvantnoj mehanici lokalnost je eksplicitno narušena – podrazumeva se da lokalni događaji mogu uticati na talasnu funkciju koja ispunjava veliki deo prostora ili sav prostor na trenutan način. Nikakvo čudo da je ta osobina nove fizičke slike sveta, nelokalnost, uzrokovala beskonačne i često vrlo užarene rasprave i sukobe.

Gore pomenuti međukorak, stvaranje zadovoljavajućeg teorijskog modela, učinio je početkom 1960-tih britanski fizičar Džon Stjuart Bel, radeći takoreći u ilegali u odnosu na glavne tokove fizike koja je prećutno i bez mnogo razmišljanja prihvatila Borovo gledište (koje je postalo svojevrsna ortodoksija i kodifikovano u tzv. Kopenhagenškoj interpretaciji kvantne mehanike, mada je taj termin notorno problematičan i ima različita značenja kod različitih autora). Model je obezbeđen njegovim formulisanjem tzv. Belovih nejednakosti koje bi svaka moguća teorija sa lokalnim skrivenim varijablama morala da zadovoljava. Nakon skoro tri decenije od postavljanja EPR paradoksa tako je konačno dato eksperimentatorima nešto sa čime su mogli da rade.

Testiranje Belovih nejednakosti imalo je dve etape. U prvoj, jednostavni laboratorijski eksperimenti, na primer sa polarizacijom fotona, pokazivali su postojanje korelacija na daljinu („distantne korelacije“) kod čestica koje su ostale spletene čak i kad su razmaknute na makroskopske udaljenosti, dokazujući na taj način da kvantna mehanika zaista sadrži ono što je Ajnštajn nazivao „sablasnim delovanjem na daljinu“. Upravo je jedan od ovogodišnjih dobitnika, Džon Klauzer sa svojim saradnikom Stjuartom Fridmanom izveo 1972. godine (pola veka!) prvi eksperiment ove vrste, ispitujući polarizaciju parova fotona na razdaljini od nekoliko metara sa vremenskom rezolucijom od zadivljujućih – posebno za početak 1970-tih – 1,5 nanosekundi (milijarditih delova sekunde).

Eksperiment Fridmana i Klauzera imao je, međutim, jedan suštinski nedostatak: njegova laboratorijska postavka bila je nepromenljiva tokom oko 200 sati sakupljanja fotona, odnosno trajanja eksperimenta. Rezultat eksperimenta je statistički efekat nastao merenjem polarizacije veoma velikog broja pojedinačnih fotona tokom vremena. Stoga bi veoma uporni zagovornik lokalnih skrivenih varijabli mogao pronaći „rupu u zakonu“ tako što bi pretpostavio da bi se potpuno klasični signali mogli, teorijski, razmenjivati između izvora i detektora fotona, tako da bi se tokom 200 sati mogle i na klasični način „sakupiti“ korelacije kakve su opažene u rezultatima eksperimenta.

Ta rupa bi se mogla zatvoriti onime što je Džon Viler 1978. godine nazvao eksperiment sa odloženim izborom (eng. delayed-choice experiment): pojednostavljeno govoreći, eksperimentator odlučuje šta će tačno meriti za svaki pojedinačni par fotona nakon što su oni originalno nastali, tj. dok su u letu. Tu više ne bi moglo biti nikakvih korelacija između stanja izvora fotona i stanja detektora, jer nijedan foton ne bi „znao“ za koji će se detektor eksperimentator odlučiti.

Ovo se može činiti nedostižno, jer se svetlost kao što dobro znamo kreće veoma brzo, oko 300 hiljada kilometara u sekundi, tako da prosečnu laboratoriju pređe za pukih par desetina nanosekundi. Ljudski eksperimentator nije u stanju da donese ni približno tako brzu odluku, a čak i kada bi bio u stanju, niko nije imao ni najblažu ideju kako bi se odluka mogla sprovesti u delo. Na primer, ako to treba učiniti tako što će se, kao u standardnim interferometrijskim aparaturama, neko ogledalo zarotirati za određeni ugao tako da pošalje foton koji se od njega odbija u detektor A umesto detektora B, to ne bismo mogli nikako učiniti. Naime, ogledalo koje bi neko pokušao da zarotira čak i za mali ugao za, recimo, 20 nanosekundi bi jednostavno – puklo. Na planeti ne postoji materijal čiji bi makroskopski deo mogao da se toliko brzo pomeri, a da se ne raspadne.

Ili možda ipak postoji? Čovek koji je imao originalnu – i nenadmašno genijalnu – ideju o tome bio je još uvek mladi student koji je radio na svojoj habilitacionoj tezi na Univerzitetu Pariz-jug po imenu Alan Aspek: takav materijal postoji, on je svuda oko nas i u nama. U pitanju je najobičnija voda! Od vode se može napraviti ogledalo tako što će se u sudu sa vodom uspostaviti zvučni stojeći talasi. Krajnje pojednostavljeno govoreći (stvarna laboratorijska oprema još je čarobnija od ovog mog neveštog opisa), ako se foton odbije od vrha talasa, otići će u jedan detektor, ako se odbije od dolje talasa, otići će u drugi. Ispostavlja se da je talase, korišćenjem ultrazvuka, bez standardnih pokretnih delova moguće kreirati i pomerati daleko, daleko brže nego čvrsta ogledala ili druge čvrste delove aparature.

Rezultat onoga što se u fizici često naziva samo Pariski eksperiment, dakle kao vlastita imenica, bez potrebe da se preciznije određuje o čemu se radi, bio je neverovatna potvrda Borove intuicije i predviđanja kvantne mehanike, a totalni poraz za onu vrstu lokalnih teorija sa skrivenim varijablama kakvu su priželjkivali Ajnštajn i drugi protivnici vrlog novog kvantnog sveta. Od tada pa nadalje, ako jedan broj teoretičara i dalje zagovara teorije sa skrivenim varijablama (najpoznatija je Bomova teorija ili Bomova mehanika), one su nužno nelokalne, što ih zapravo čini „podjednako čudnim“ kao što je i standardna kvantna mehanika – te na taj način gube svoju osnovnu motivaciju. Aspek je ne samo uspešno završio svoju tezu, nakon što je tri godine proveo predajući u Kamerunu da bi izbegao u to vreme obavezni vojni rok u Francuskoj, već se njegova Nobelova nagrada očekivala doslovce od 1982. kada su rezultati Pariskog eksperimenta objavljeni.

Aspekovim eksperimentom konačno su otškrinuta, mada još ne i širom otvorena, vrata za primenu kvantne spletenosti. Korišćenjem dramatično poboljšanih metoda i detektora, pre svega u domenu kvantne optike, treći ovogodišnji laureat, Anton Cajlinger je pokazao svu raznolikost primene spletenih EPR parova čestica. Najpre je pokazao kako se spletenost manifestuje na sve većim i većim udaljenostima, najpre između dve laboratorije na dve strane Dunava u Beču, potom na nekoliko desetina kilometara u austrijskim Alpima, a zatim i na udaljenosti od 143 km između dva ostrva u arhipelagu Kanarskih ostrva.

U eksperimentu izvršenom 1998. godine, Cajlinger i saradnici su po prvi put upotrebili spletene fotone za šifrovanje poruke, što je trenutak nastanka kvantne kriptografije kao empirijske discipline. Još pre toga, 1997. Cajlinger je demonstrirao realnost kvantne teleportacije stanja, metode predložene 1993. u teorijskom radu Beneta i saradnika, gde je informacija o stanju sistemu trenutno prenesena od pošiljaoca do primaoca, korišćenjem kvantne spletenosti. (To, naravno, još uvek ne znači da je moguće komunicirati brže od svetlosti, pošto je zajedno sa kvantnom neophodno preneti i klasičnu informaciju, koja se može prenositi samo klasičnim informacionim kanalima – poput modulisanog radio talasa – koji su ograničeni brzinom svetlosti!) Ovi i brojni drugi spektakularni eksperimenti učinili su Cajlingera jednim od najznamenitijih eksperimentatora savremene nauke, ali i svojevrsnom medijskom zvezdom, naročito na nemačkom govornom području.

To što su ovogodišnji laureati Nobelove nagrade nesporni velikani fizike ne znači da se sama nagrada ne može kritikovati. Verovatno najsporniji aspekat ovakvih nagrada jeste podela zasluga za značajne rezultate, problem koji teško da će ikada biti rešen u bilo kojoj ljudskoj instituciji. Klauzerov vodeći saradnik i koautor ključnog eksperimenta koji ga je nominovao za Nagradu, Stjuart Fridman je, nažalost, preminuo još 2012. godine, te nije bio u prilici da bude u konkurenciji. Njegov drugi značajni saradnik, koautor na njegovim teorijskim radovima, američki teoretičar Majkl Horn, preminuo je 2019. Ali čak ni to nije sve: njegov treći saradnik na slavnoj CHSH (Clauser-Horn-Shimony-Holt) teoremi, fizičar i filozof Abner Šimoni preminuo je 2015. godine. (Šimoni je bio jedan od najvećih mislilaca starog kova: imao je dva doktorata, jedan iz fizike na kojem mu je mentor bio slavni fizičar i takođe Nobelovac Eugen Vigner, a drugi iz filozofije kod jednog od najuglednijih filozofa 20. veka, Rudolfa Karnapa.)

 

Podrži Talas donacijom

 

O Pariskom eksperimentu da ne govorimo: naravno da je svaki savremeni eksperiment u nauci proizvod delanja više istraživača. Vremena Galileja, Njutna ili Kevendiša su zauvek za nama. U tom smislu, ključne radove su pored Aspeka potpisali i njegovi saradnici, koje vredi bar ovde pomenuti, naime Žan Dalibar, Žerar Rože i Filip Granžije.

Konačno i najvažnije, ovogodišnji dobitnici su sa dobrim razlogom u senci čoveka koji se u obrazloženju eksplicitno pominje, ali koji tokom svog životnog veka ne samo da nije bio pominjan kao kandidat za Nobela, već je bio posmatran sa podsmehom i nazivan šarlatanom i „pobunjenikom bez razloga“. U pitanju je, naravno, legendarni Džon Bel (1928-1990), autor pomenutih Belovih nejednakosti i – kako je danas sasvim jasno – vodeći kvantni teoretičar post-Borove ere. Bel je imao sreću da pronađe zaposlenje u CERN-u na stvarima vezanim za eksperimente u akceleratorima i svojim epohalnim radovima na filozofskim osnovama kvantne fizike bavio se najvećim delom u svom slobodnom vremenu. Štaviše, njegovi briljantni uvidi su dugo vremena mogli biti objavljeni samo u samizdatu koji se tokom 1970-tih fotokopirao i šapirografisao u polu-tajnosti pod imenom Epistemoloških pisama (eng. Epistemological Letters).

Ova vrsta tihog bojkota trajala je mnogo decenija; fizičari zainteresovani za osnove kvantne mehanike, gde treba uvrstiti i nekoliko značajnih domaćih imena, pre svega akademika Fedora Herbuta i prof. Milana Vujičića, bili su često bezrazložno problematizovani, pa čak i izlagani podsmehu i smatrani pseudonaučnicima. Tek nakon pojave prvih algoritama za kvantno računanje sredinom 1990-tih godina, a posebno Cajlingerovih eksperimenata, situacija se dramatično preokrenula i danas su kvantna informatika i kvantno računanje sa pravom među najtraženijim fizičkim specijalnostima. Nažalost, Bel je iznenada preminuo 1990. godine u Ženevi od posledica moždanog udara i nije doživeo da vidi svu raskošnu renesansu svojih ideja.

Stoga je u izvesnom smislu ciničan paragraf iz zaključka zvaničnog obrazloženja ovogodišnje nagrade (tehnička verzija) koji navodi:

Osnivači kvantne mehanike bili su potpuno svesni potencijalno revolucionarnih fizičkih i filozofskih posledica nove nauke i imali su veoma različite, često direktno suprotstavljene, stavove na tu temu. Dokazujući da kvantna mehanika daje predviđanja koja ne može reprodukovati nijedna zamisliva teorija koja uključuje lokalne skrivene varijable, Džon Bel je tranformisao filozofiju u empirijsku nauku, zauvek preobrazivši čitavo polje.

Naravno, vodeća motivacija je danas, u 2022. godini sasvim jasna. Filozofski rad na osnovama kvantne mehanike doveo je do stvaranja novih oblasti tehnologije kao što su kvantna informatika, kvantno računanje i kvantna kriptografija. Čak i pre nego što bude konstruisan radni kvantni računar, brojne tehnološke primene su već danas industrija koja se meri stotinama milijardi dolara na globalnom nivou: od novih vrsta senzora i QFET (eng. quantum field-effect transistor) logičkih kapija koje povećavaju brzinu za čitav red veličine u odnosu na klasične ekvivalente (npr. MOSFET), do uređaja za šifrovanje i zaštitu podataka. Ovo je tek mali segment svega onoga što će sa razvitkom operativnih kvantnih računara biti moguće postići, s obzirom da neke od rezultata kvantnih algoritama nije moguće reprodukovati klasičnim računarima ni za vreme koje je bilion puta duže od starosti svemira.

Teško da ima veće i jače demonstracije moći i značaja filozofskog mišljenja od doba Talesa do danas.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *