Este oficial: Universul este bizar. Experienţa noastră de zi cu zi ne spune că obiectele aflate la distanţă nu se pot influenţa unele pe altele şi că acestea există chiar dacă nu ne uităm la ele. Chiar şi Albert Einstein a avut dificultăţi cu astfel de idei propuse de mecanica cuantică, pentru că ele contravin cu modul în care percepem lumea.

Dar se dovedeşte că greşim atunci când confruntăm opinia noastră despre realitate cu natura cuantică a lumii. Iar un experiment recent bate ultimul cui în coşciugul perspectivei noastre asupra Universului, bazată pe conceptele de "localitate" şi "realism" (vezi mai jos explicaţia acestora), rezolvând astfel o dispută care durează de mai bine de un secol.


Multiple echipe de cercetători s-au întrecut în a realiza acest tip de experiment în ultimele decade. Iar echipa condusă de Ronald Hanson, Universitatea Delft de Tehnologie din Olanda, a reuşit.

Pentru a înţelege ce au reuşit Hanson şi colegii săi trebuie să ne întoarcem un pic în anii '30 ai secolului trecut, atunci când fizicienii se străduiau să lămurească predicţiile stranii ale unui nou domeniu al fizicii, mecanica cuantică. Teoria sugera că particulele pot deveni corelate (eng. entangled), astfel încât măsurarea uneia determină instantaneu valoarea măsurării celeilalte, chiar dacă particulele aflate în stare de entanglement cuantic se aflau, separate, la mare distanţă una de alta. Einstein a denumit acest fenomen "strania acţiune la distanţă", nemulţumit că acesta presupunea că are loc o comunicare între particule cu o viteză mai mare decât cea cu care se poate deplasa orice semnal.

Mai mult, teoria sugera că proprietăţile unei particule sunt stabilite doar în momentul măsurării, anterior acestui moment existând doar o sumă de probabilităţi.

"Nonsens!", după Einstein, care a afirmat că "Dumnezeu nu joacă zaruri" cu Universul. El, ca şi alţii, s-a ghidat după principiul "realismului local", care, în esenţă, afirmă că doar obiectele aflate în apropiere se pot influenţa unele pe altele şi că Universul este "real" (în sensul că nu este nevoie de observare ca anumite probabilităţi referitoare la anumite obiecte să se materializeze în proprietăţi concrete). Einstein credea că mecanica cuantică este incompletă şi că "variabile ascunse" care acţionează la un nivel mai profund al realităţii ar putea explica aparentă ciudăţenie a mecanicii cuantice.

Pe de altă parte, fizicieni ca Niels Bohr au insistat că suntem nevoiţi să acceptăm noua realitate cuantică, cu toate aspectele ei stranii, întrucât această teorie explică probleme pe care teoriile clasice ale luminii şi energie nu le pot explica (cum ar fi, de exemplu, ceea ce este cunoscut drept "catastrofa ultravioletă", observată în cazul radiaţiei corpului negru).


Testarea mecanicii cuantice

Abia în anii '60 ai secolului trecut dezbaterea privind mecanica cuantică s-a înclinat decisiv în favoarea lui Bohr şi a susţinătorilor acestuia. Şi asta în special mulţumită lui John Bell, fizician la CERN. Acesta a realizat că există o limită în privinţa conectării proprietăţilor a două particule, dacă este să credem "realismul local". Aşa că acesta a formulat o expresie matematică (Inegalitatea lui Bell). Dacă testele ar fi arătat că, în fapt, conectarea dintre particule depăşeşte o anumită limită pe care Bell a stabilit-o, atunci realismul local era invalidat.

 


În imagine: John Bell



        John Bell a arătat că nicio teorie a naturii care se supune conceptelor de localitate (influenţele fizice între particule nu se pot transmite cu viteze mai mari decât viteza luminii) şi realism (proprietăţile fizice sunt definite anterior observării independente) nu poate reproduce toate predicţiile mecanicii cuantice.

Mai rămânea de testat această inegalitate a lui Bell. Şi a fost. De nenumărate ori în fapt. Şi de fiecare dată experimentele au încălcat inegalitatea lui Bell. Majoritatea fizicienilor a ajuns la concluzia că opinia lui Einstein privind realismul local este greşită. Dar au rămas unele dubii. Toate experimentele anterioare au avut anumite lacune, permiţând susţinătorilor lui Einstein să argumenteze suplimentar în favoarea "variabilelor locale".

Noţiunea de realism local este atât de profund înrădăcinată în gândirea noastră obişnuită, încât şi pentru un fizician este dificil de depăşit. De aceea era foarte important ca experimentele să fie lipsite de orice lacune.


Eliminarea lacunelor

Un test Bell clasic începe cu o sursă de fotoni, care eliberează o pereche de fotoni în acelaşi moment, în direcţii diferite, către două detectoare de fotoni. Convenţional, cei doi fotoni sunt numiţi Alice şi Bob. Proprietăţile perechii de fotoni permit doar unor fotoni să treacă prin detector. Dacă fotonii sunt corelaţi cuantic, atunci ei se pot influenţa reciproc, iar rezultatele testului vor arăta un tipar care nu ar fi posibil în cazul în care realismul local ar fi valid.

Dar dacă Alice şi Bob îşi transmit mesaje nevăzute, poate prin intermediul unui strat mai profund al realităţii, cum credea Einstein, care permit detectoarelor să comunice între ele? În acest caz nu putem fi siguri că particulele se influenţează între ele în sensul stabilit de mecanica cuantică, detectoarele putând modifica măsurătorile. Acest aspect este cunoscut ca "lacuna localizării", care poate fi eliminată doar prin depărtarea celor două detectoare la asemenea distanţă încât să nu fie suficient timp pentru un semnal să interfereze cu măsurătoarea. Anterior s-au efectuat teste cu detectoarele situate la mare distanţă unele de altele (la 144 km, în fapt, între două insule).

Se rezolvă o lacună, apare o alta. Testul Bell se bazează pe construirea unei imagini statistice, în urma repetării unui experiment; aşadar, nu funcţionează dacă echipamentul nu captează suficienţi fotoni. Depărtarea detectoarelor duce la înrăutăţirea detecţiei.

"În cadrul experimentului nostru testul Bell a rezolvat în acelaşi timp atât lacuna detecţiei, cât şi pe cea a "localizării", afirmă echipa lui Hanson în articolul publicat recent.


Diamante corelate

În experimentul realizat de Hanson şi echipa acestuia, Alice şi Bob stau în două laboratoare aflate la 1,3 kilometri distanţă. Lumina are nevoie de 4,27 microsecunde pentru a parcurge distanţa, iar măsurătorile durează doar 3,7 microsecunde; aşadar, laboratoarele sunt suficient de departe pentru a elimina lacuna localizării.




Fiecare laborator are un diamant care conţine un electron (care o proprietate numită spin). Echipa transmite către diamante impulsuri de microunde generate aleator. Ca urmare, sunt emişi câte un foton, care sunt corelaţi cuantic cu spinul electronului. Aceşti fotoni sunt apoi trimişi către o a treia locaţie, C, aflată între Alice şi Bob, unde un detector stabileşte momentul la care au ajuns.

Dacă fotonii ajung de la Alice şi Bob în acelaşi timp, aceştia transferă starea de cuplare cuantică spinului din fiecare diamant. Aşadar, electronii sunt corelaţi cuantic de-a lungul distanţei dintre cele două laboratoare - exact ce e nevoie pentru efectuarea testului Bell. Spinul electronilor este monitorizat încontinuu, iar detectoarele sunt de o asemenea calitate, încât elimină lacuna detectorului.

Echipa a folosit o tehnică numită "entanglement swapping", combinând beneficiile utilizării atât ale luminii, cât şi ale materiei. Cercetătorii au început cu doi elecroni necorelaţi cuantic din două cristale de diamant aflate în laboratoare diferite în campusul universităţii, la o depărtare de 1,3 km. Fiecare electron a fost corelat cuantic cu un foton, iar aceşti fotoni au fost apoi transmişi către o a treia locaţie, C.  Acolo cei doi fotoni au fost corelaţi cuantic între ei, iar acest fapt a făcut ca şi electronii lor să devină corelaţi cuantic. Sursa: Nature

Dar perechile de doi fotoni care ajung în punctul C în acelaşi timp sunt rare: câteva pe oră. Cercetătorii au efectuat 245 de măsurători, ceea ce înseamnă un timp considerabil.

Rezultatul a fost clar: laboratoarele au detectat mai multe spinuri corelate decât ar fi permis realismul local.

Una dintre cele mai importante tehnologii cuantice în uz astăzi este criptografia cuantică. Reţelele de date care folosesc proprietăţile ciudate ale lumii cuantice pentru a asigura secretul absolut al datelor se răspândesc pe tot globul, dar lacunele reprezintă potenţiale buguri ale legilor fizicii ce ar putea fi exploatate de hackeri.


Ce-ar fi spus Einstein dacă ar fi trăit să vadă rezultatele noului experiment? Ar fi acceptat până la urmă ciudata lume descrisă de mecanica cuantică? Din păcate acesta a murit (1955) înainte chiar ca Bell să propună inegalitatea sa.

Traducere şi adaptare după Quantum wierdness.
Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.