Tip:
Highlight text to annotate it
X
STRUKTURA KOSMOSU
PROWADZENIE: BRIAN GREENE
KWANTOWY PRZESKOK
Od tysięcy lat, próbujemy rozwikłać tajemnicę działania wszechświata.
Idzie nam całkiem dobrze,
zebraliśmy zbiór praw opisujących jasno i konkretnie ruch galaktyk...
i gwiazd... ...i planet.
Ale dziś już wiemy, że na podstawowym poziomie,
sprawy stają się dużo bardziej rozmyte,
ponieważ odkryliśmy rewolucyjny, nowy zestaw praw,
który całkowicie odmienił nasz obraz wszechświata.
Z kosmosu, poprzez centrum Nowego Jorku, aż po sferę mikroskopową,
nasz obraz świata przeobraził się,
dzięki tym dziwnym i tajemniczym prawom,
które redefiniują nasze rozumienie rzeczywistości.
Są to prawa mechaniki kwantowej.
Mechanika kwantowa rządzi każdym atomem i małą cząstką w każdym kawałku materii,
w gwiazdach i planetach,
w skałach i budynkach,
w tobie i we mnie.
Nie zauważamy dziwności mechaniki kwantowej w codziennym życiu,
ale ona zawsze w nim jest,
jeśli wiesz gdzie jej szukać.
Po prostu trzeba zmienić perspektywę i zejść do najmniejszych skal,
do poziomu atomów i cząstek wewnątrz nich.
Na poziomie kwantowym, rządzą zasady,
które wydają się zupełnie inne, od znanych praw rządzących na codzień dużymi obiektami.
A kiedy je dostrzeżesz,
nigdy już nie będziesz patrzeć na świat w ten sam sposób.
To prawie niemożliwe, aby pokazać jak dziwne rzeczy mogą zachodzić
w najmniejszych skalach.
Ale gdyby można odwiedzić takie miejsce jak to,
gdzie prawa kwantowe są oczywiste,
gdzie ludzie i obiekty zachowują się tak jak małe atomy i cząstki.
Byłoby to niezłe widowisko.
Tutaj obiekty robią rzeczy, które wydają się szalone.
To znaczy, w kwantowym świecie,
w jakimś sensie, obiekty nie lubią być przywiązane do jednej lokalizacji...
...lub podążać tylko jedną drogą.
Jest prawie tak, jakby jeden obiekt był jednocześnie w kilku miejscach.
Coś co tu zrobię,
może mieć natychmiastowy efekt gdzieś indziej,
nawet jeśli nie ma tam nikogo.
A oto chyba najdziwniejsza rzecz ze wszystkich:
jeśli ludzie zachowywaliby się jak cząstki wewnątrz atomu,
to przez większość czasu, nie byłoby wiadomo, gdzie dokładnie są.
Mogliby oni być niemal wszędzie, dopóki na nich nie patrzymy.
Hej! Chciałbym dostać to samo co ma tamten.
Dlaczego wierzymy w te dziwaczne prawa?
Cóż, od ponad 75 lat,
używamy ich do prognozowania zachowywania się atomów i cząstek,
i eksperyment, za eksperymentem,
prawa kwantowe zawsze się sprawdzają.
To najlepsza teoria jaką mamy.
Istnieją dosłownie miliardy elementów
potwierdzających dowody z mechaniki kwantowej.
Sprawdziło się to w tak wielu testach,
dla tak wielu dziwacznych prognoz.
Nie ma żadnych niezgodności pomiędzy
mechaniką kwantową a jakimkolwiek eksperymentem,
który kiedykolwiek przeprowadzono.
Prawa kwantowe stają się najbardziej oczywiste,
gdy schodzi się do mikroskopijnych skal - takich jak atomy.
Ale rozważcie to:
ja jestem z atomów i wy też,
i wszystko co widzimy w świecie wokół nas.
Więc to musi być tak, że te dziwaczne prawa kwantowe
nie tylko mówią nam o malutkich rzeczach,
mówią nam też... ...o rzeczywistości.
Zatem jak je odkryliśmy?
Te osobliwe prawa wydają się być sprzeczne z większością tego co wiemy o wszechświecie.
Nie tak dawno temu myśleliśmy, że już dość dużo poznaliśmy:
reguły rządzące obiegiem planet wokół słońca,
torem lotu piłki w powietrzu,
rozchodzeniem się fal po powierzchni stawu.
Prawa te zostały wyrażone w szeregu równań zwanych "mechaniką klasyczną"
i pozwoliły nam pewnie przewidywać zachowanie się obiektów.
To wszystko wydawało się mieć sens,
aż do około 100 lat temu,
kiedy to naukowcy zmagali się z wyjaśnieniem kilku niezwykłych własności światła,
w szczególności światła emitowanego przez gazy ogrzewane szklanej rurce.
Kiedy naukowcy obserwowali to światło przez pryzmat,
zobaczyli coś, czego nigdy by się nie spodziewali.
Jeśli podgrzeje się gaz i spojrzy na niego przez pryzmat
to ujrzy się linie.
Nie widmo ciągłe, takie jak wychodzi z kawałka kryształu na stole,
ale bardzo wyraźne linie.
Nie będzie to rozsmarowana pełna tęcza światła
lecz pewnego rodzaju ołówkowe kreski światła o specyficznych barwach.
Zrozumienie z czego to wynika było pewną tajemnicą.
Wyjaśnienie tajemniczych barwnych linii
przyszło od zespołu radykalnych naukowców,
którzy na początku XX wieku,
zmagali się z podstawami natury fizycznego świata.
Najbardziej zaskakujące poglądy były dziełem umysłu Nielsa Bohra,
fizyka, który uwielbiał dyskutować o nowych ideach przy grze w ping-ponga.
Bohr był przekonany, że rozwikłanie tajemnicy leżało w sercu samej materii,
w strukturze atomu.
Uważał on, że atomy przypominają maleńkie układy słoneczne,
z maleńkimi cząstkami zwanymi elektronami krążącymi wokół jądra,
podobnie, jak planety krążące wokół Słońca.
Bohr zasugerował, że w przeciwieństwie do układu słonecznego,
elektrony nie mogą poruszać się po dowolnej orbicie,
przeciwnie, tylko niektóre orbity są dozwolone.
Miał naprawdę zaskakującą i zupełnie sprzeczną z ówczesną wiedzą ideę,
że istnieją konkretne stany, stałe orbity jakie mogą zajmować elektrony.
I to wyłącznie te orbity.
Bohr oznajmił, że przy ogrzewaniu atomu,
jego elektrony zostają wzbudzone
i przeskakują z jednej stałej orbity na drugą.
Każdy przeskok w dół, uwalnia energię
w postaci światła o określonej długości fali.
To dlatego atomy emitują bardzo specyficzne barwy.
Stąd właśnie wziął się termin:
"Kwantowy przeskok".
Gdyby nie przeskok kwantowy,
to z atomu wydobywałaby się cała paleta barw,
przy zmianie jego stanu wzbudzenia,
ale w laboratorium tego nie obserwujemy,
widzimy bardzo wyraźne czerwienie i zielenie.
To przeskok kwantowy jest źródłem tych wyraźnych barw.
Tym co sprawiło, że przeskok kwantowy był tak zaskakujący,
było to, że elektron przechodzi stąd - tam,
z pozoru bez przemieszczania się w przestrzeni pomiędzy mimi.
To tak, jakby Mars przeskakiwał z własnej orbity na orbitę Jowisza.
Bohr twierdził, że przeskok kwantowy wynika z fundamentalnej
i zasadniczo dziwnej własności elektronów w atomach.
Ich energia występuje bowiem w odrębnych porcjach,
których bardziej nie da się już podzielić -
To określone minimalne ilości zwane "kwantami."
I właśnie dlatego, elektrony mogą zajmować tylko określone orbity.
Elektron musi być albo tu albo tam, i po prostu nigdzie pomiędzy.
To jest coś, czego nigdy nie doświadczamy w codziennym życiu.
Pomyślcie o naszej codzienności.
Czy rozważamy podczas jedzenia, że posiłek jest skwantyzowany?
Czy myślimy o tym aby wziąć pewną określoną minimalną ilość pokarmu?
Żywność nie jest skwantyzowana.
Ale energia elektronów w atomie jest skwantyzowana.
Jest wielką tajemnicą dlaczego tak jest.
Jednak niezależnie od tajemnicy,
zachowywania się małych cząstek wewnątrz atomu,
szybko pojawiły się dowody na to, że Bohr miał rację.
Liczne eksperymenty dowiodły,
że elektrony podlegają innemu zestawowi praw
niż planety lub piłeczki do ping-ponga.
Odkrycie Bohra spowodowało przełom.
Przez ten nowy obraz atomu,
Bohr i jego koledzy znaleźli się na kursie kolizyjnym
z akceptowanymi prawami fizyki.
Przeskok kwantowy był dopiero początkiem...
Wkrótce, radykalne poglądy Bohra doprowadziły go do stawienia czoła
jednemu z najwybitniejszych fizyków w historii.
Albert Einstein nie obawiał się nowych idei.
Ale w latach 20-tych, świat mechaniki kwantowej zaczął skręcać w kierunku,
w którym Einstein nie chciał iść,
w kierunku, który wyraźnie odbiegał
od absolutnego, autorytatywnego prognozowania,
które było cechą fizyki klasycznej.
Gdybyśmy zapytali Einsteina i innych fizyków tych czasów,
co odróżnia fizykę od wszelkiego rodzaju zwariowanych spekulacji,
to odpowiedzieli by oni:
my możemy przewidywać rzeczy, w pewny sposób!
Mechanika kwantowa pokrzyżowała jednak rozwój tej idei.
W szczególności jeden z testów,
który stał się znany jako eksperyment podwójnej szczeliny,
odsłania kwantowe tajemnice jak żaden inny.
Jeśli szukasz opisu rzeczywistości opartej na pewności,
twoje oczekiwania zostaną zdruzgotane.
Możemy sobie uzmysłowić efekt eksperymentu z podwójną szczeliną
i dramatyczną zmianę obrazu rzeczywistości jaką on powoduje,
przeprowadzając podobny eksperyment, ale nie w skali maleńkich cząstek,
lecz w skali zwyczajnych przedmiotów,
takich jak te znajdujące się na kręgielni.
Najpierw muszę jednak zrobić kilka przeróbek toru.
Można się spodziewać, że jeżeli puszczę kilka tych kul po torze,
to albo się zatrzymają na przegrodzie
albo przelecą przez jedną ze szczelin i uderzą w ekran na końcu.
I w rzeczywistości, tak właśnie się dzieje.
Te kule, które przechodzą,
zawsze uderzają w ekran wprost za lewą lub prawą szczeliną.
Eksperyment z podwójną szczeliną jest bardzo podobny,
tylko, że zamiast kul do kręgli, używa się elektronów,
które są miliardy razy mniejsze.
Można je sobie tak oto wyobrazić.
Zobaczmy, co się stanie, jeśli wypuszczę wiele takich kulek.
Elektrony rzucone w kierunku dwóch szczelin,
dają zupełnie inny efekt po drugiej stronie.
Zamiast trafiać tylko w dwa obszary,
elektrony uderzają w cały ekran detektora,
tworząc wzór z prążkami,
w tym niektóre z nich pomiędzy szczelinami,
czyli w miejscu jak się wydaje blokowanym.
Zatem, co się dzieje?
Cóż, dla fizyków, nawet tych z lat 20-tych,
ten wzór mógł oznaczać tylko jedno:...
...fale.
Fale robią różnego rodzaju ciekawe rzeczy,
których nigdy nie robią kule do kręgli.
Mogą się rozdzielać, mogą się łączyć.
Gdyby przez podwójne szczeliny przeszła fala wody,
to rozdzieli się ona na dwie fale,
które następnie będą się krzyżować.
Grzbiety i doliny tych fal będą się łączyć,
rosnąc w jednych miejscach i malejąc w innych,
a czasami wzajemnie się znosząc.
Gdyby wyższej fali wody odpowiadała większa jasność na ekranie,
grzbiety i doliny fali dałyby szereg prążków,
nazywanych wzorem interferencyjnym.
Ale jak elektrony, które są cząstkami, mogą tworzyć taki wzór?
Jak pojedynczy elektron może docierać do miejsc osiąganych przez falę?
Cząstki to cząstki, a fale to fale.
Czy cząstka może być falą?
Chyba, że porzucimy ideę, że jest to cząstka i pomyślimy:
"To co uważaliśmy za cząstkę tak naprawdę było falą".
Fala w oceanie, nie jest cząstką.
Ocean składa się z cząstek, ale fala w oceanie nimi nie jest.
Kamienie też nie są falami,
kamienie są kamieniami.
Więc kamień jest przykładem cząstki,
fala oceanu jest przykładem fali,
a teraz ktoś mówi, że kamień jest jak fala oceanu.
Co!?
W latach 20-tych,
gdy po raz pierwszy przeprowadzono ten eksperyment,
naukowcom trudno było zrozumieć to falowe zachowanie.
Niektórzy zastanawiali się czy pojedynczy elektron,
przy poruszaniu się, może przeistaczać się w falę.
Aż fizyk Erwin Schrödinger opracował równania,
które zdawały się to opisywać.
Schrödinger uznał, że fala jest rozszerzonym opisem elektronu,
to elektron staje się jakoś rozmazany,
i nie już punktem lecz jest jak mgiełka.
Było bardzo dużo dyskusji odnośnie tego co to równanie sobą przedstawia.
Ostatecznie, fizyk Max Born ogłosił nową i rewolucyjną ideę
na temat tego, co opisuje równanie falowe.
Born stwierdził, że fala nie jest rozmazanym elektronem
lub czymkolwiek innym już poznanym przez naukę.
Zamiast tego, określił to jako coś naprawdę osobliwego:
"Fala prawdopodobieństwa".
Born twierdził, że rozmiar fali w dowolnym miejscu
określa prawdopodobieństwo znalezienia w tym miejscu elektronu.
Miejsce gdzie fala jest duża, nie jest miejscem gdzie znajduje się elektron,
lecz miejscem gdzie elektron, najprawdopodobniej może być.
I to jest właśnie bardzo dziwne, prawda?
Tak więc elektron sam w sobie, wydaje się być gmatwaniną możliwości.
Nie można spytać: "Gdzie jest teraz elektron?"
Ale można zapytać:
"Szukając elektronu w tej małej, określonej części przestrzeni,
jakie jest prawdopodobieństwo, że się go tam znajdzie?"
Cóż, myślę, że to zawsze każdego irytuje.
Jakkolwiek dziwnie to brzmi,
ten nowy sposób opisu poruszania się cząstek takich jak elektrony,
jest właściwie poprawny.
Wyrzucając pojedynczy elektron,
nigdy nie zdołam przewidzieć miejsca, w które on trafi,
ale jeśli użyję równania Schrödingera do znalezienia fali prawdopodobieństwa elektronu,
to mogę z dużą pewnością przewidzieć,
że przy wypuszczeniu odpowiednio wielu elektronów,
powiedzmy 33,1% z nich trafi tutaj,
7,9% trafi tam, i tak dalej.
Tego typu przewidywania zostały wiele razy potwierdzone w eksperymentach.
Równania mechaniki kwantowej okazały się niezwykle dokładne i precyzyjne,
jednak przy akceptowaniu, że wszystko to opiera się o prawdopodobieństwo.
Jeśli uważacie, że prawdopodobieństwo oznacza konieczność zgadywania,
to kasyna w Las Vegas udowodnią wam, że się mylicie.
Spróbujcie swoich sił w jednej z gier losowych,
a dostrzeżecie potęgę prawdopodobieństwa.
Powiedzmy, że stawiam 20 $ na numer 29, przy stole do ruletki.
Kasyno nie wie czy wygram przy tym zakręceniu,
czy w następnym, czy w jeszcze kolejnym.
Jeden.
Ale kasyno zna prawdopodobieństwo mojej wygranej.
W tej grze jest to 1 do 38.
Dwadzieścia jeden.
Dwadzieścia dziewięć!
Tak więc, nawet jeśli teraz wygrałem,
to w dłuższej perspektywie, kasyno zawsze zyskuje więcej niż traci.
Chodzi o to, że kasyno nie musi znać wyniku
każdej pojedynczej gry w karty, rzutu kostką lub zakręcenia kołem ruletki.
Kasyna mogą być pewne, że w serii tysięcy zakręceń, rozdań i rzutów,
będą zawsze wygrywać.
I mogą one z wyjątkową dokładnością przewidzieć
jak często będą wygrywać.
Zgodnie z mechaniką kwantową,
świat sam w sobie jest taką jak ta, grą losową.
Cała materia we wszechświecie
składa się z atomów i cząstek subatomowych,
którymi rządzi prawdopodobieństwo a nie pewność.
Podstawy natury opisuje teoria prawdopodobieństwa.
Jest to coś wysoce niezgodnego z intuicją,
i bardzo trudnego do zaakceptowania przez wielu ludzi.
Jedną z osób, dla których było to trudne, był Einstein.
Einstein nie mógł uwierzyć, że fundament natury rzeczywistości,
na najgłębszym poziomie, określa przypadek.
Tego właśnie Einstein nie mógł zaakceptować.
Einstein powiedział: "Bóg nie gra w kości."
Nie podobał się mu pomysł,
że nie możemy stwierdzić z pewnością, że dzieje się albo to albo tamto.
Ale wielu innych fizyków prawdopodobieństwo nie odstraszało,
ponieważ równania mechaniki kwantowej dały im moc przewidywania zachowania się
grup atomów i małych cząstek ze zdumiewającą precyzją.
Już dawno temu ta moc doprowadziła do wielkich wynalazków:
laserów,
tranzystorów,
układów scalonych
i całej sfery elektroniki.
Gdyby mechanika kwantowa nagle zastrajkowała,
prawie każda maszyna jaką mamy w USA, przestałaby działać.
Równania mechaniki kwantowej pomogły inżynierom zaprojektować
mikroskopijne przełączniki kierujące strumieniem malutkich elektronów
i sterować praktycznie każdym nowoczesnym komputerem,
aparatem cyfrowym lub telefonem.
Wszystkie te urządzenia, diody, tranzystory,
stanowiące podstawę technologii informacyjnej,
podstawę naszej codzienności w różnych aspektach -
one działają! Ale dlaczego one działają? Dzięki mechanice kwantowej!
Kusi mnie, aby powiedzieć, że
bez mechaniki kwantowej, bylibyśmy z powrotem w średniowieczu,
ale bardziej dokładnie to bez mechaniki kwantowej,
bylibyśmy z powrotem w XIX wieku -
wieku silników parowych i telegrafu...
Mechanika kwantowa to najbardziej udana teoria,
jaką my fizycy kiedykolwiek odkryliśmy.
A jednak, wciąż spieramy się o to, co ona oznacza,
i co mówi nam o naturze rzeczywistości.
Pomimo wszystkich swoich triumfów,
mechanika kwantowa wciąż pozostaje bardzo tajemnicza.
Mimo, że napędza ona wszystko wokół,
wciąż nie odpowiedzieliśmy na podstawowe pytania
postawione przez Alberta Einsteina dawno temu w latach 20-tych i 30-tych.
Te pytania dotyczą prawdopodobieństwa, pomiarów i aktu obserwacji.
Według Nielsa Bohra, pomiary zmieniają wszystko.
Uważał on, że zanim cząstka zostanie zmierzona lub zaobserwowana,
jej własności są niepewne.
Na przykład w eksperymencie podwójnej szczeliny,
zanim elektron wbije się w ekran na końcu, może być praktycznie wszędzie.
Jest tu cała gama możliwości,
aż do momentu gdy go zaobserwujemy.
Tylko w tym punkcie, znika niepewność jego lokalizacji.
Zgodnie z podejściem Bohra do mechaniki kwantowej,
podczas pomiaru cząstki,
akt pomiaru wymusza na cząstce rezygnację
z przebywania we wszystkich możliwych miejscach,
i wybór jednego określonego miejsca, w którym ją znajdujemy.
Akt pomiaru niejako zmusza cząstkę do dokonania tego wyboru.
Niels Bohr zaakceptował to, że natura rzeczywistości jest rozmyta,
ale nie Einstein.
On wierzył w pewność,
ale nie pojawiającą się tylko wtedy gdy coś jest mierzone lub obserwowane,
lecz przez cały czas.
Einstein powiedział kiedyś:
"Lubię myśleć, że księżyc jest na swoim miejscu - nawet gdy na niego nie patrzę."
To właśnie tak bardzo denerwowało Einsteina.
Czy naprawdę sądzimy, że rzeczywistość wszechświata
zależy od tego, czy otworzymy oczy cz też nie?
To jest po prostu dziwaczne.
Einstein był przekonany, że w teorii kwantowej czegoś brakuje,
czegoś co opisywałoby wszystkie szczegółowe cechy cząstek,
w tym ich położenie w czasie gdy ich nie obserwujemy.
Jednak w tamtym czasie niewielu fizyków podzielało jego obawy.
Einstein traktował to jak wyrzeczenie się zawodu fizyka.
To nie była zła fizyka jako taka, lecz po prostu zupełnie niekompletna.
Mantrą Einsteina było:
mechanika kwantowa nie jest błędna,
lecz tak jak daleko zaszła, tak dalece jest niekompletna.
Nie uwzględnia ona wszystkich kwestii
jakie mogą być określone lub przewidziane z pewnością.
Pomimo argumentów Einsteina, Niels Bohr pozostawał niewzruszony.
Kiedy Einstein powtórzył, że "Bóg nie gra w kości",
Bohr odpowiedział:
"Przestań mówić Bogu, co ma robić."
W roku 1935 Einstein myślał, że w końcu znalazł piętę achillesową mechaniki kwantowej.
Było to coś tak osobliwego i sprzecznego z logicznym obrazem wszechświata,
że uznał on to za klucz do udowodnienia niekompletności tej teorii.
Nazywa się to "splątaniem".
Tym co jest najbardziej dziwacznym,
najbardziej absurdalnym,
najbardziej szalonym,
najbardziej niedorzecznym przewidywaniem w mechanice kwantowej,
jest właśnie splątanie.
Splątanie jest teoretycznym przewidywaniem
wynikającym z równań mechaniki kwantowej.
Dwie cząstki mogą zostać "splątane", jeśli będąc blisko siebie
ich własności zostaną połączone.
Co ciekawe, mechanika kwantowa mówi,
że nawet jeśli te cząstki zostaną rozdzielone
przez ich wysłanie w przeciwnych kierunkach,
to mogą pozostawać splątane, nierozerwalnie połączone.
Aby zrozumieć, jak bardzo jest to dziwne,
rozważmy właściwość elektronów nazywaną "spinem".
W przeciwieństwie do obracającego się kurka,
spin elektronu, tak jak inne cechy kwantowe,
jest zasadniczo całkowicie rozmyty i niepewny,
aż do momentu jego pomiaru.
A gdy to robimy,
dopiero wtedy wiemy czy wiruje on zgodnie ze wskazówkami zegara,
czy w przeciwnym kierunku.
Podobnie jak to koło,
kiedy przestaje się obracać,
to losowo wskazuje albo czerwony albo niebieski kolor.
Teraz wyobraźcie sobie, drugie takie koło.
Gdyby te dwa koła zachowywały się jak dwa splątane elektrony,
to za każdym razem, przy wskazaniu czerwonego pola na jednym,
drugie na pewno wskaże niebieskie pole,
i na odwrót.
Ale ponieważ koła nie są połączone,
to jest to bardzo podejrzane.
Mechanika kwantowa w wydaniu Nielsa Bohra i jego kolegów, poszła jeszcze dalej,
przewidując, że nawet jeśli jeden element z pary znajdzie się bardzo daleko,
nawet na księżycu,
to bez łączących je przewodów lub nadajników,
zawsze gdy na jednym zobaczymy czerwony,
na drugim z pewnością będzie niebieski.
Innymi słowy, mierząc tą cząstkę tu,
wypływamy nie tylko na nią,
lecz pomiar wpływa także na jej splątanego partnera,
nieważne jak bardzo oddalonego.
Dla Einsteina ten rodzaj dalekosiężnego połączenia,
pomiędzy kręcącymi się kołami lub cząstkami
był tak absurdalny,
że nazwał go "upiornym".
"Upiornym oddziaływaniem na odległość".
Zaskakujące jest to,
że dokonując pomiaru jednej cząstki,
wpływamy na stan drugiej cząstki.
Zmieniamy jej stan.
Nie ma żadnych sił, przekładni pasowej czy też linii telefonicznej.
Nic nie łączy tych rzeczy, racja?
Jak nasz wybór tutaj
może mieć coś wspólnego z tym co dzieje się gdzieś tam?
Skoro nie ma sposobu wzajemnej komunikacji,
to jest to... ...zupełnie dziwaczne.
Einstein nie mógł zaakceptować, że splątanie działa w ten sposób,
sam siebie przekonując, że tylko matematyka bywa dziwna,
ale nie rzeczywistość.
Zgadzał się z istnieniem splątanych cząstek, ale...
...uważał on, że jest prostsze wyjaśnienie ich wzajemnego powiązania,
bez odwoływania się do tajemniczego dalekosiężnego połączenia.
Zamiast tego sugerował, że splątane cząstki są bardziej jak...
...para rękawiczek.
Wyobraźcie sobie, że ktoś rozdziela te rękawiczki,
umieszczając je w osobnych walizkach.
Potem dostarcza jedną z tych walizek do mnie,
a drugą wysyła...
...na Antarktydę.
Dziękuję!
Zanim zajrzę do mojej walizki,
wiem, że jest w niej albo lewa albo prawa rękawiczka.
A kiedy otworzę moją walizkę
i znajdę w niej lewą rękawiczkę,
to w tej samej chwili będę wiedział,
że w walizce na Antarktydzie musi być prawa rękawiczka,
nawet jeśli nikt do niej nie zajrzy.
Nie ma w tym nic tajemniczego.
Oczywiście, zaglądając do walizki nie wpływam na żadną z rękawiczek.
W tej walizce jest zawsze lewa rękawiczka,
a na Antarktydzie jest zawsze prawa rękawiczka.
To zostało określone w momencie rozdzielenia rękawiczek i ich wysłania.
Einstein uważał, że dokładnie ta sama idea ma zastosowanie do splątanych cząstek.
Niezależnie od konfiguracji jaką mają elektrony
musiała być ona w pełni określona już w momencie ich rozdzielenia.
Kto więc ma rację?
Bohr, opowiadający się za równaniami, które mówią, że cząstki są jak wirujące koła,
które mogą bezpośrednio łączyć swoje losowe wyniki,
nawet na wielkie odległości?
Czy Einstein, który wierzył, że nie istnieje żadne "upiorne połączenie",
lecz przeciwnie wszystko jest w pełni określone zanim na to spojrzymy?
Cóż, to wielkie wyzwanie aby dojść to tego kto ma rację, Bohr czy Einstein,
może Einstein mówiący,
że cząstka ma określony spin jeszcze przed zmierzeniem.
"W jaki sposób to sprawdzić?" zapytalibyśmy Einsteina.
Odpowiedziałby: "Trzeba to zmierzyć i sprawdzić jaki jest spin."
Na to Bohr powiedziałby:
"Ale to będzie akt pomiaru, który nada spinowi określony stan."
Nikt nie wiedział, jak rozwiązać ten problem.
Więc całą sprawę powinno się rozważać filozoficznie a nie naukowo.
W 1955 roku Einstein zmarł,
przekonany, że to co oferuje mechanika kwantowa,
jest co najwyżej niekompletnym obrazem rzeczywistości.
W 1967 roku, na Uniwersytecie Columbia,
misja Einsteina odnośnie mechaniki kwantowej
została podjęta przez niezwykłego nowicjusza.
John Clauser był na progu otrzymania doktoratu z astrofizyki.
Jedynym co pozostało na jego drodze
było zaliczenie mechaniki kwantowej.
Kiedy byłem studentem, próbowałem z całych sił,
ale nie mogłem zrozumieć mechaniki kwantowej.
Clauser zastanawiał się, czy Einstein może miał rację,
dokonując swego przełomowego odkrycia.
Wtedy natknął się on na opracowanie, mało znanego irlandzkiego fizyka
nazywającego się John Bell.
To zdumiewające ale wydawało się, że Bell znalazł sposób, aby przełamać impas
między Einsteinem i Bohrem,
i raz na zawsze rozsądzić kto ma rację co do wszechświata.
Byłem przekonany, że pogląd mechaniki kwantowej jest prawdopodobnie błędny.
Czytając to opracowanie Clauser zauważył, że Bell odkrył jak stwierdzić,
czy splątane cząstki naprawdę komunikują się przez upiorne łącze,
tak jak połączone wirujące koła,
czy też niczego upiornego w ogóle nie ma,
a cząstki mają już określone stany,
tak jak para rękawiczek.
Co więcej, za pomocą sprytnej matematyki,
Bell wykazał, że jeśli upiorne łącze nie działa,
to mechanika kwantowa była nie tylko niepełna, jak myślał Einstein,
lecz była błędna.
Powiedziałem do siebie:
"Mój Boże, to jest jedno z najbardziej dogłębnych spostrzeżeń, jakie kiedykolwiek widziałem."
Bell był teoretykiem,
ale z jego opracowania wynikało, że kwestia może zostać rozstrzygnięta,
przez zbudowanie maszyny, która stworzy i porówna wiele par splątanych cząstek.
Bell zamienił to pytanie na pytanie eksperymentalne.
To nie zmierzało ku filozofii lub branżowym opracowaniom.
Eksperyment jaki sobie wyobraził
mógł być przeprowadzony!
Naprawdę można zrobić rzeczywisty eksperyment, aby to sprawdzić.
Clauser postanowił skonstruować maszynę,
która ostatecznie rozstrzygnie ten spór.
W tym właśnie czasie byłem smarkatym studentem,
a to naprawdę wydawało się być jak "Łał!"
Zawsze jest jakaś szansa,
że znajdziesz jakiś wynik, który wstrząśnie światem.
Maszyna Clausera mogła mierzyć tysiące par splątanych cząstek
i porównywać ich spiny w wielu różnych kierunkach.
Gdy wyniki zaczęły się pojawiać,
Clauser był zaskoczony i niezadowolony.
Pytałem sam siebie:
"Co zrobiłem źle?"
"Jakie błędy przy tym popełniłem?"
Clauser powtórzył swoje eksperymenty,
a wkrótce potem francuski fizyk Alain Aspect
opracował jeszcze bardziej wyrafinowane testy.
Dzięki znacząco bardziej jednoznacznym wynikom,
Aspect praktycznie rozwiał wszelkie wątpliwości.
Wyniki Clausera i Aspecta są naprawdę szokujące.
Dowodzą one, że matematyka mechaniki kwantowej jest poprawna.
Splątanie jest realne.
Cząstki kwantowe mogą być połączone poprzez przestrzeń.
Pomiar jednej może faktycznie natychmiast wpłynąć na jej odległego partnera,
tak jak gdyby przestrzeń pomiędzy nimi nie istniała.
Ta jedna rzecz, którą Einstein uważał za niemożliwą,
"upiorne połączenie" na odległość,
naprawdę zachodzi.
Byłem znowu bardzo zasmucony,
że nie udało mi się obalić mechaniki kwantowej,
ponieważ ciągle miałem i mam do dziś duże trudności w jej zrozumieniu.
To najbardziej dziwaczna rzecz w mechanice kwantowej.
To niemożliwe aby nawet to pojąć.
Nawet mnie nie pytajcie dlaczego.
Nie pytajcie mnie - wiem, że chcecie - jak to działa,
bo to niedozwolone pytanie.
Wszystko, co można powiedzieć,
to jest to, że tak najwidoczniej świat działa.
Więc, jeśli przyjąć, że świat naprawdę działa w ten dziwaczny sposób,
to czy możemy wykorzystać dalekosiężne "upiorne łącze" splątania,
do czegoś użytecznego?
Cóż, jednym z marzeń jest transport osób i rzeczy
z jednego miejsca na drugie,
bez przemieszczania się w przestrzeni pomiędzy nimi,
innymi słowy: teleportacja.
Prześlij mnie na pokład!
- Wzbudzenie. - Wzbudzenie!
W Star Treku przesyłanie czy teleportacja zawsze wygląda na całkiem wygodną.
Zdaje się to być czystą fantastyką,
ale czy splątanie może to umożliwić?
Co ciekawe, badania są już w toku,
tu na Wyspach Kanaryjskich u wybrzeży Afryki.
Eksperymentujemy tutaj na Wyspach Kanaryjskich, bo są tu dwa obserwatoria.
A ponadto jest to przyjemna okolica.
Anton Zeilinger jest jeszcze daleko od teleportacji siebie
lub innego człowieka.
Ale próbuje on wykorzystać splątanie kwantowe
do teleportacji małych pojedynczych cząstek,
w tym przypadku fotonów - cząstek światła.
Eksperyment rozpoczyna stworzenie pary splątanych fotonów
w laboratorium na wyspie La Palma.
Jeden splątany foton pozostaje na La Palma,
a drugi jest wysyłany laserem
na wyspę Teneryfę,
oddaloną o ponad 140 km.
Następnie Zeilinger wprowadza trzeci foton, ten, który chce teleportować,
i koreluje go ze splątanym fotonem na La Palma.
Zespół bada ich wzajemną interakcję,
porównując stany kwantowe obu cząstek.
I jest to zadziwiająca część.
Ze względu na "upiorne połączenie"
zespół wykorzystuje to porównanie dla
przekształcenia splątanego fotonu na odległej wyspie
w identyczną kopię tego trzeciego fotonu.
To tak jak gdyby trzeci foton został teleportowany przez morze,
bez przemierzania przestrzeni pomiędzy wyspami.
Jest to jak wydobycie informacji z oryginału
i stworzenie nowego oryginału gdzieś tam.
Wykorzystując tą technikę, Zeilinger z powodzeniem teleportował setki cząstek.
Ale czy to może pójść jeszcze dalej?
Ponieważ jesteśmy zbudowani z cząstek,
czy ten proces umożliwi kiedyś teleportację ludzi?
Witamy w Nowym Jorku!
Powiedzmy, że chcę się wybrać do Paryża na szybki lunch.
Cóż, w teorii, splątanie może kiedyś to umożliwić.
Tu jest to, czego potrzebuję.
Komora z cząstkami tu w Nowym Jorku,
która jest splątana z cząstkami w drugiej komorze w Paryżu.
Proszę tutaj, Panie Greene!
Wszedłbym do kapsuły, działającej trochę jak skaner czy też faks.
Podczas gdy urządzenie skanuje ogromną liczbę cząstek w moim ciele -
jest ich więcej niż jest gwiazd w obserwowalnym wszechświecie -
jednocześnie skanują się cząstki w drugiej komorze.
Tworzy się też lista porównująca stan kwantowy tych dwóch zbiorów cząstek.
Wtedy właśnie wkracza splątanie.
Ze względu na dalekosiężne "upiorne łącze",
stworzona lista odzwierciedla również to, w jaki sposób oryginalny stan moich cząstek
koreluje ze stanem cząstek w Paryżu.
Następnie operator przesyła tą listę do Paryża.
Tam wykorzystuje się te dane do odtworzenia
dokładnego stanu kwantowego każdej z moich cząstek.
I nowy ja zostaje zmaterializowany.
To nie jest tak, że cząstki podróżują z Nowego Jorku do Paryża.
Splątanie pozwala na odczyt mojego stanu kwantowego w Nowym Jorku
i jego zrekonstruowanie w Paryżu,
aż po ostatnią cząstkę.
- Dzień dobry Panie Greene! - Cześć!
Więc jestem tutaj w Paryżu, jako dokładna kopia mnie samego.
I lepiej abym był,
ponieważ pomiar stanów kwantowych wszystkich moich cząstek w Nowym Jorku
zniszczył oryginalnego mnie.
W procedurze kwantowej teleportacji jest absolutnie konieczne
aby teleportowany obiekt został w tym procesie zniszczony.
No wiecie, to trochę mnie niepokoi.
Wydaje mi się, że nikt nie chciałby skończyć jako zlepek
neutronów, protonów i elektronów.
To nie wyglądałoby zbyt dobrze.
Dzisiaj jesteśmy jeszcze daleko od teleportacji ludzi,
ale ta możliwość rodzi pytanie:
czy Brian Greene, który przybywa do Paryża, jest naprawdę mną?
Cóż, nie powinno być żadnej różnicy
między starym mną w Nowym Jorku i nowym mną, tu w Paryżu.
Wynika to z tego, że zgodnie z mechaniką kwantową,
to nie jest fizyczne cząstki sprawiają że to ja,
lecz informacje jakie te cząstki zawierają.
A te informacje zostały dokładnie przeteleportowane,
dla wszystkich bilion bilionów cząstek tworzących moje ciało.
Jest to bardzo głębokie filozoficzne pytanie,
czy to co pojawia się w stacji odbiorczej
jest oryginałem, czy też nie.
Według mnie, jeśli mówimy "oryginał"
to myślimy o czymś mającym wszystkie własności oryginału.
Jeśli więc tak jest, to jest to oryginał.
Nie chciałbym wejść do takiej maszyny.
Niezależnie od tego czy teleportacja ludzi kiedykolwiek staje się faktem,
rozmyta niepewność mechaniki kwantowej
może mieć wiele innych potencjalnych zastosowań.
Tutaj na MIT, Seth Lloyd jest jednym z wielu badaczy
próbujących zaprząc mechanikę kwantową do nowych, potężnych celów.
Mechanika kwantowa jest dziwaczna.
Taka po prostu już jest.
No wiecie, życie podsuwa nam dziwaczne cytryny,
może da się z nich zrobić dziwaczną lemoniadę?
Dziwaczna lemoniada Lloyda przybrała postać komputera kwantowego.
To są wnętrzności komputera kwantowego.
To ustrojstwo ze złota i mosiądzu może nie wygląda ani trochę jak laptop,
ale jego serce, mówi tym samym językiem:
kodem binarnym - komputerowym językiem zer i jedynek,
zwanych bitami.
Najmniejszą porcją informacji jest bit.
To co robi komputer
to po prostu podzielenie informacji na jak najmniejsze kawałki,
a następnie ich naprawdę, naprawdę, naprawdę szybkie przerzucanie.
Ten kwantowy komputer także operuje na bitach,
ale w przeciwieństwie do konwencjonalnego bitu,
który zawsze jest albo zerem albo jedynką,
bit kwantowy jest znacznie bardziej elastyczny.
No wiecie, coś tutaj może być bitem.
Tu jest zero,
a tu jest jedynka.
To jest bit informacji.
Ale jeśli można mieć coś, co jest tu i tam
w tym samym czasie,
to będziemy mieli bit kwantowy,
czyli kubit.
Tak jak elektron może być rozmytą mieszaniną
lewoskrętnych i prawoskrętnych spinów,
bit kwantowy może być rozmytą mieszaniną zer i jedynek,
dając kubitowi wielozadaniowość.
To oznacza możliwość dokonywania obliczeń w sposób,
o jakim nasze klasyczne mózgi nawet nie marzyły.
W teorii, bity kwantowe można utworzyć ze wszystkiego co działa w sposób kwantowy,
jak elektron lub atom.
Kubity będące sercem tego komputera
są malutkimi nadprzewodzącymi obwodami
zbudowanymi w nanotechnologii
mogącymi działać w dwóch kierunkach na raz.
Ponieważ bity kwantowe są doskonałe do pracy wielozadaniowej,
to jeśli wymyślimy co zrobić aby kubity współpracowały
przy rozwiązywaniu problemów,
to nasza moc obliczeniowa mogłaby eksplodować wykładniczo.
Aby zrozumieć dlaczego komputer kwantowy byłby tak potężny,
wyobraźmy sobie, że tkwimy...
...w środku labiryntu!
Chcemy znaleźć drogę do wyjścia,
tak szybko jak to możliwe.
Problemem jest jednak bardzo wiele opcji.
Trzeba je po prostu kolejno, jedna po drugiej, sprawdzać.
To oznacza, że wiele razy natrafimy na brak przejścia,
wejdziemy do wielu ślepych alejek,
i wiele razy źle skręcimy,
zanim wreszcie szczęśliwie znajdziemy wyjście.
Mniej więcej w taki sposób dzisiejsze komputery, rozwiązują problemy.
Choć robią to bardzo szybko,
wykonują one tylko jedno zadanie na raz,
tak jak my mogliśmy sprawdzać w danej chwili tylko jedną ścieżkę labiryntu.
Ale gdybyśmy mogli spróbować wszystkich możliwości jednocześnie,
to byłaby to zupełnie inna historia.
A w taki sposób wykonywane są obliczenia kwantowe.
Ponieważ w pewnym sensie, cząstki
mogą być w wielu miejscach jednocześnie,
komputer może sprawdzać ogromną liczbę rozwiązań w tym samym czasie,
i znaleźć poprawne w jednej chwili.
Ponieważ nasz labirynt ma określoną liczbę przejść do sprawdzenia,
to nawet konwencjonalny komputer może dość szybko znaleźć wyjście.
Ale wyobraźmy sobie problem z milionami lub miliardami zmiennych,
taki jak długoterminowe przewidywanie pogody.
Bylibyśmy w stanie przewidywać naturalne kataklizmy,
takie jak trzęsienia ziemi lub tornada.
Obecnie rozwiązywanie tego rodzaju problemów jest niemożliwe,
ponieważ wymagałoby to absurdalnie ogromnego komputera.
Ale komputer kwantowy mógłby to wykonać z...
...zaledwie kilkuset atomami.
Więc mózg tego komputera
byłby mniejszy niż ziarenko piasku.
Nie ma wątpliwości,
że jesteśmy coraz lepsi w wykorzystaniu mocy kwantowego świata,
i kto wie gdzie nas to doprowadzi?
Ale nie zapominajmy, że w sercu tej teorii,
która dała nam tak wiele, wciąż jest luka...
Wszystkie dziwaczności na poziomie kwantowym w skali atomów i cząstek,
dokąd te dziwaczności zmierzają?
Dlaczego obiekty w kwantowym świecie balansują w stanie niepewności,
pozornie będąc częściowo tu i częściowo tam,
z tak wieloma możliwościami, podczas gdy i wy i ja,
mimo że zbudowani z atomów i cząstek,
wydajemy się zawsze tkwić w jednym, określonym stanie.
My jesteśmy zawsze albo tu albo tam.
Niels Bohr nie zaproponował żadnego realnego wyjaśnienia
dlaczego wszystkie dziwne rozmycia kwantowego świata,
wydają się zanikać przy wzroście rozmiaru obiektów.
Mimo dowiedzenia potęgi i precyzji mechaniki kwantowej,
naukowcy wciąż zmagają się aby to rozgryźć.
Niektórzy uważają, że być może brakuje jakiegoś elementu w równaniach mechaniki kwantowej.
Więc choć istnieje tak wiele możliwości w mikroświecie,
brakujące elementy skorygowałyby liczby na naszej drodze od atomów
do obiektów wielkiego świata tak,
że stałoby się jasne dlaczego niektóre z tych możliwości znikają,
dając jeden określony rezulat.
Inni fizycy wierzą, że żadna z możliwości istniejących w świecie kwantowym,
nigdy nie znika.
Zamiast tego, każdy możliwy rezulat faktycznie się pojawia,
tyle że większość z nich pojawia się w innych wszechświatach,
równoległych do naszego.
To oszałamiająca idea,
ale rzeczywistość może wykraczać poza ten jedyny wszechświat, który widzimy,
i wciąż rozrastać się tworząc nowe, alternatywne światy,
gdzie każda możliwość może zaistnieć.
To jest granica mechaniki kwantowej,
ale nikt nie wie, dokąd ona poprowadzi.
Sam fakt, że nasza rzeczywistość jest o wiele bardziej złożona niż myśleliśmy,
bardziej... ...nieznana i tajemnicza niż nam się wydawało,
jest dla mnie czymś bardzo pięknym i inspirującym.
Piękno nauki jest w tym, że pozwala ona poznawać rzeczy,
które wykraczają poza nasze najśmielsze marzenia,
a mechanika kwantowa jest tego uosobieniem.
Gdy poznasz mechanikę kwantową,
nigdy już nie będziesz taki sam.
Mimo osobliwości mechaniki kwantowej,
jest jasne, że nie ma granicy pomiędzy światami maleńkich i wielkich obiektów.
Przeciwnie, prawa natury działają wszędzie,
i po prostu te dziwaczne cechy są najbardziej widoczne wtedy, gdy obiekty są małe.
Tak więc odkrycie mechaniki kwantowej ujawniło rzeczywistość,
naszą rzeczywistość,
która jest zarówno szokująca jak i ekscytująca,
i przybliża nas do pełnego zrozumienia...
...struktury kosmosu.
Tłumaczenie i napisy: Quantum Leap Engineer