Kas me oleme ikka päriselt olemas? Kvanfüüsikud kahtlevad selles

Kohalikku reaalsust polegi olemas? See seab kahtluse alla, kas me ikka oleme n-ö kohalikena olemas või oleme osa mingist üleüldisest mõõtmatust kõiksusest, millest meil seni aimugi polnud. Teadlastel õnnestus veidi valgust heita raskesti mõistetavasse kvantmaailma. Foto: Shahin Khalaji / Pexels

Kvantmehaanika on juba enam kui 100 aastat põhjalikult raputanud arusaamu füüsika olemusest. Hiina teadlased on hiljutises uuringus leidnud viisi, kuidas kvantfüüsika ühe huvitava mõttemängu ehk Hardy paradoksi tulemusena võib selguda, et tegelikult meid nii-öelda polegi reaalsuses olemas. Tulemused on avaldatud eelretsenseeritavas ajakirjas Physical Review Letters.

Kui sügavale kvantmaailma võib pilku suunata – kas kõik koosnebki lõpuks ainult lainetest ja võngetest? Ja kui kaugele võib ulatuda kvantpõimumine – kas piisavalt sügavale, et saavutada kvantside ja muud põnevad tehnoloogiad nagu näiteks teleporteerumine?

Need küsimused ei piirdu vaid füüsika ja selle reeglitega, vaid mõjutavad ka arusaama reaalsusest ja realistlikkusest, selgitavad teadlased Popular Mechanicsi vahendusel kummalist maailma, mis on tõeline ajugümnastika. Teame, et kvantosakesel puudub kindel seisund seni, kuni seda vaadeldakse (tuntud kui Schrödingeri kassi paradoks), kuid see tõstatab küsimuse, kas objektidel on omadused ka siis, kui neid ei jälgita.

Teatud hetkel põimub see fundamentaalne küsimus ka kohalikkuse mõistega. Kohalikkus kirjeldab, kas objekti mõjutavad ka muud tegurid (kasvõi kaugelt universumist) peale selle vahetu ümbruse.

Kui mängus on suuremad ja keerukamad jõud, võivad need mõjutada ka füüsika põhialuseid ning näiteks põhjuslikkust ja isegi vaba tahet. Albert Einstein nimetas seda nähtust «kummaliseks mõjuks eemalt», mis tähendab kohalikkuse puudumist. Isegi gravitatsiooni puhul pole tegu kaugmõjuga, vaid jõuväljade kattumise tulemusega, aga mis kummaline mõju see ikkagi on, mis eemalt mõjutab? Selle kohta on juba üht-teist selgunud.

Mis on Hardy paradoks ja kuidas see meie eksistentsi kahtluse alla seab?

Siin jõutaksegi Hardy paradoksi juurde. Kuigi see võib tunduda kuiv ja kahtlane teooria, millest on keeruline aru saada, on sellel tõsiseid tagajärgi sellele, kuidas hinnata universumi reaalsust ja seda, mida üldse tähendab sõna «reaalsus».

Hiina teadlased ongi oma hiljutises uuringus leidnud viisi, mismoodi kvantfüüsikas selle paradoksaalse mõttemängu tulemusi jälgida.

Mille Hardy avastas?

Lucien Hardy, kvantfüüsika teooriaekspert Kanada Perimeteri teoreetilise füüsika instituudis, on oma karjääri pühendanud kvantfüüsika piiride uurimisele ja täpsustamisele, keskendudes eelkõige sellele, kuidas kvantfüüsika matemaatilised põhimõtted haakuvad reaalse maailmaga.

1992. aastal hakkas Hardy töötama paradoksi kallal, mis hõlmab osakeste ja anti-osakeste suhteid. Füüsikas põhjustavad teatud koostoimed osakese ja vastava anti-osakese tekke ning nende lahknemise eri suundadesse. Kuigi need osakesed on määratud üksteise jaoks justkui legendaarsed Romeo ja Julia, viib nende seos paratamatult vastastikuse annihilatsioonini ehk hävimiseni – murdosa sekundi jooksul ühinevad need ja hävitavad üksteist.

Hardy sõnastas aga stsenaariumi, kus osake ja anti-osake võiksid eksisteerida koos ilma hävimata.

Lucien Hardy teadis, et sellise koostoime seadistamine ja mõõtmine tooks kaasa muutujaid, mis ohustaksid koostoime usaldusväärsust. Seega võib selliseid koostoimeid jälgida üksnes hiljem, kasutades tõenäosuslikke arvutusi, mitte vahetut vaatlust. See on nüüd kvantfüüsikas keskne küsimus: kuidas saab tõenäosuste põhjal ennustusi loov teadusala üldse ühilduda klassikalise füüsika vaatluste põhise paradigmaga?

Hiina teadlased teaduse ja tehnoloogia ülikoolist Hefeis on välja töötanud omapärase eksperimendi, mis välistab selliste varasemate katsete kitsaskohad.

Nende tehtud katse keskmes on keeruline süsteem peeglitest, laseritest, kristallidest, kiirejagajatest ja plaatidest koos juhuslike numbrite generaatoriga. Nende numbrite tõelise juhuslikkuse tagamiseks (täiesti juhuslikke arve saada polegi nii lihtne) genereeriti need nii kiiresti, et kohalikud varjatud muutujad ei saaks tulemusi mõjutada.

Lotovõit on palju kindlam

Kuue tunni vältel püüdsid teadlased oma süsteemi abil lahutada footoneid ja kõrvaldada kõikvõimalikud erandlikud mõjud. Tulemused on nüüd selgunud, kuigi endiselt on need mitte vaatluspõhised, vaid üsna tõenäosuslikud.

Nende uuringus kirjutatakse selle kohta järgmist: «Nullhüpoteesi testimisel on p-väärtus, et meie tulemusi saab seletada kohalike realistlike teooriatega, mitte suurem kui kümme astmel -16348».

Seega isegi lotovõit on tõenäolisem, kuigi seegi on praktiliselt võimatu.

Teadlaste sõnul toetab see siiski aina kasvavat konsensust teadusmaailmas, et kohalik realism ei suuda seletada kvantfüüsika lahendamata küsimusi.

Kuigi see järeldus pole uus – 2022. aasta füüsika Nobeli preemia anti kolmele teadlasele, kes kasutasid põimunud footoneid «reaalsuse kui sellise kummutamiseks», nagu selgitas ajakiri Scientific American – on see uurimus teadlaste püüdlustes eksperimentaalselt nähtust tõestada märkimisväärne samm edasi.

Eksperimendi õnnestumine seisneb selles, et fotonite süsteemi täpselt häälestades säilitati vajalik efektiivsus ja usaldusväärsus mõõtmiste tegemiseks, välistades samas kohalike muutujate mõju. Tulemused toetavad nii-öelda kohalikku ebareaalsust, kuid loovad samas täiendavaid eeldusi kvantnähtuste põhjal arendatavatele informatsiooniteooriatele ja rakenduslikele süsteemidele. Need on vähemalt tõelised ja arenevad täie hooga, lubades tulevikus kvantandmesidet ja muid praktilisi hüvesid, võib-olla isegi kvant-teleportatsiooni.