Neviditelný čert

Dnes přistoupím k velmi citlivému paradoxu kvantové fyziky, se kterým se nesmířil ani můj jeden z nejoblíbenějších fyziků Albert Einstein. Všechno je možná jinak, ale vyčkejte konec tohoto pojednání.

Lucifer

Einstein formuloval tuto otázku trochu jinak. Začátkem padesátých let 20. století se obrátil k mladému fyzikovi Abrahamu Paisovi, povytáhl obočí a zeptal se ho: "Opravdu věříte, že Měsíc existuje, jen když se na něj díváte?"

Einsteina po řadu let frustrovaly názory průkopníků kvantové teorie. Jejich duchovní vůdce Niels Bohr tvrdil, že podivnosti kvantové mechaniky jako to, že atom se může zároveň nacházet na dvou místech nebo že účinek může předcházet příčinu, se nedají vyložit jinak, než že nic - tedy ani Měsíc - neexistuje dříve, než to je změřeno nebo nějak pozorováno.

Otázka, kterou Einstein položil Paisovi, byla podrážděným apelem na zdravý rozum. Představa, že něco tak velkého a stálého jako Měsíc může být výsledkem činu drobného lidského pozorovatele vzdáleného tisíce kilometrů, vypadá jako naprostý nesmysl. Ale to neznamená, že to skutečně nesmysl je. Příchod kvantové teorie na počátku 20. století způsobil, že leccos, co se dříve jevilo jako směšné, se stalo jen udivujícím. Pais vzpomíná, jak nechápal Einsteinovo ulpívání v minulosti. Ve své biografii Alberta Einsteina Bůh je důvtipný napsal: "Proč tento člověk, který přispěl tak nepředstavitelně mnoho k vytvoření moderní fyziky, zůstával pevné svázán s takovou představou kauzality, jaká panovala v 19. století?"

Už v 18. století kladli lidé hluboké otázky o povaze reality. Slavné jsou hlavně úvahy biskupa Georga Berkeleyho, který například uváděl, že pokud v lese, kde padá strom, není nikdo na dohled, strom nevydává žádný zvuk. A co víc, pokud ho nikdo nevnímá, pak strom vůbec neexistuje. Podle Berkeleyho však představa selského rozumu o existenci věcí je naštěstí zachráněna tím, že je zde vždy Bůh, jenž neustále vnímá všechny věci a je stálým pozorovatelem světa.

Niels Bohr přistupoval ke kvantovému světu podobně. Podle něj jediným způsobem, jak se vyrovnat s jeho podivuhodnostmi, je předpokládat, že nic nemá určitou vlastnost - ani existenci - do té doby, než je to v nějakém smyslu pozorováno. Einsteinovo odmítání přijmout tento postoj jej oddělilo od hlavního vývoje kvantové teorie. A co více: každý jeho pokus bohrovskou interpretaci vyvrátit vyústil naopak v její podporu. Každý experiment, který provedeme, podporuje názor, že vesmír lze změnit jediným pohledem. Z čeho plyne tato naše moc? Z kvantového jevu známého jako "entanglement". Do češtiny to lze přeložit jako "provázání", ale i čeští autoři se drží anglického názvu.

Propleteno v prostoru a čase

Erwin Schrödinger prohlásil kvantovou provázanost za nejdůležitější charakteristiku kvantové teorie. Povšiml si jí poprvé v roce 1935; zjistil, že kvantověmechanické rovnice použité na interakci dvou částic mají podivuhodný důsledek. Po svém setkání už nemohou být pokládány za dva individuální objekty. Jsou spolu propojeny; kvantový popis částice A - její hybnost nebo spin - obsahuje informace o částici B a naopak.

To byl velmi zvláštní výsledek: změníme-li vlastnosti částice A, nutně změníme i vlastnosti částice B. To nevyžaduje žádné fyzikální propojení obou částic - kvantové provázání, entanglement, spojuje vlastnosti částic bez ohledu na to, jaká je jejich vzdálenost. Vhodně připravené provázané částice si mohou navzájem pozměňovat vlastnosti, i když se jedna ve vztahu ke druhé nachází na opačné straně vesmíru.

Einstein to nemohl přijmout, hovořil o spukhafte Fernwirkung, tedy působení na dálku z říše duchů. Uznával, že to z kvantové teorie plyne, ale pokládal to za důkaz její neúplnosti. Spolu se dvěma přáteli, Borisem Podolskym a Nathanem Rosenem, to chtěl prokázat. Scénář, který navrhli, je stále pokládán za zlatý standard podivnosti kvantového světa a nese název EPR paradox. Sleduje chování částic, jež dělí enormní vzdálenost.

John Bell a duchařské působení

Nejpřesnější experimentální verzi EPR paradoxu navrhl v roce 1964 John Bell z Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN) v Ženevě. Bell si představil dva kvantově provázané elektrony, z nichž jeden se pošle experimentátorům například v Americe a druhý experimentátorům v Indii. Tito vědci pak současně měří spin obou elektronů. Detaily uspořádání pokusu jsou složité, ale Bellovým záměrem bylo ukázat, že pravdu má ortodoxní kvantová teorie a ne Einstein, že určitá měření opravdu ukážou, že mezi oběma spiny je korelace.

Einstein zemřel dříve, než mohl být Bellův experiment proveden (dokonce dříve, než ho Bell navrhl). První pokus tohoto typu uskutečnil v roce 1982 francouzský fyzik Alain Aspect a od té doby se provedla celá řada experimentů, které shodně dokládají, že se Einstein opravdu mýlil. Entlangement skutečně působí jako z říše duchů, jako by popíral reálnou existenci vlastnosti objektů. Bellovy elektrony získávají určitou vlastnost teprve v okamžiku, kdy se provede měření, tedy v okamžiku, kdy se na ně někdo podívá.

Uvěřit, že strom padající v lese nezpůsobí žádný hluk, když ho nikdo neposlouchá, je ještě vcelku snadné. Když ale tuto analogii dovedeme dále, pak musíme přijmout i to, že podříznutí stromu může způsobit pád jiného stromu v úplně jiném lese. Dva kvantově provázané elektrony se navzájem ovlivňují na dálku - třeba přes celý vesmír. Toto ovlivňování má opravdu duchařské rysy - jako by ničilo obvyklou interpretaci prostoru a času.

Transportuj mě...

Dnes již existují pokusy o praktické využití entanglementu, například v kvantové kryptografii. Tam je snaha využít "vzdáleného řízení" v kombinaci se skutečností, že spojení na základě kvantového provázání je velmi křehké, což dává možnost pro zabezpečení informací. Je to trochu podobné dnes již historické metodě pečetění důležitých zpráv. Zpráva zašifrovaná na základě entanglementu je v bezpečí před vnějším zásahem, protože každý pokus do ní proniknout přeruší spojení.

Koncepčně asi nejzajímavější je kvantová verze teleportace na základě entanglementu (i když k praktickému využití má dále). Jde o složitou operaci, ale její princip je takový, že měření na jedné z provázaných částic vynucuje změny na té druhé. Šikovnou jemnou manipulací lze vybavit vzdálenou částici všemi vlastnostmi originálu, aniž je nutné být u ní. Jsou přitom ovlivněny i další částice a k přenosu informací se využijí i "normální" kanály, takže je možná správněji hovořit o telefaxu než o teleportaci. Zatím se podobný experiment daří provést s jedinou částicí, například fotonem, není však žádný principální důvod, proč by se tato technika nedala využít k přenosu mnohem většího množství kvantových objektů - atomů, nebo ještě komplexnějších útvarů.

Výhledově to může být velmi užitečné. Není sice moc pravděpodobné, že byse zdařilo přenášet lidi takovým způsobem jako v Star Treku, ale přenášení kvantových stavů může být slibnou metodou zpracování informací na nebývalé škále. Mnoho výzkumných skupin ve světě pracuje na vývoji kvantových počítačů, jejichž rychlost by byla nesrovnatelně větší, než jaké může dosáhnout jakýkoli normální počítač. Teleportace kvantových stavů bude hrát ve funkci těchto zařízení klíčovou roli. Naše úloha při formování vesmíru se však nemusí omezit jen na určení existence vlastností několika málo částic kvantového systému. Podle zesnulého Johna Archibalda Wheelera, jednoho z nejváženějších fyziků 20. století, může měnit historii vesmíru každý z nás.

Zdroj: Michael Brooks, Velké otázky: Fyzika

17.10.2011, 01:13:00   Publikoval Luciferkomentářů: 0