Znajdź zawartość

Zgodnie ze słynnym paradoksem bliźniąt, osoba poruszająca się z dużą prędkością, starzeje się wolniej niż jej brat-bliźniak. Podobnie ma się sprawa na Ziemi i innych dużych obiektach, które zaginają czasoprzestrzeń spowalniając upływ czasu. Jeśli jedno z bliźniąt będzie mieszkało nad morzem, a drugie na szczycie Mount Everest, gdzie grawitacja Ziemi oddziałuje nieco słabiej, będą starzały się w różnym tempie. Taka różnica została zresztą potwierdzona w eksperymencie, w którym jeden zegar atomowy umieszczono na poziomie morza, a drugi na szczycie góry. Teraz fizykom udało się zmierzyć różnice w upływie czasu w milimetrowej skali. Jun Ye z JILA w stanie Kolorado, wybitny badacz atomowych zegarów sieci optycznej, zmierzył różnice pomiędzy górną a dolną częścią chmury atomów o wysokości milimetra. To krok naprzód w kierunku badania teorii względności i mechaniki kwantowej, których obecnie nie potrafimy połączyć w jedną całość. Podczas swojego eksperymentu Ye wykorzystał optyczny zegar atomowy zbudowany z chmury 100 000 atomów strontu. Zegar wzbudzany był laserem. Przy odpowiedniej, bardzo precyzyjnej częstotliwości pracy lasera, elektrony krążące wokół każdego z jąder atomowych zajmowały wyższy poziom energetyczny. Jako, że tylko konkretna częstotliwość pracy lasera powodowały odpowiednie wzbudzenie elektronów, systemu można był użyć do niezwykle precyzyjnych pomiarów czasu. Można go porównać do zegara z wahadłem, gdzie rolę wahadła pełnią oscylacje światła lasera. Gdy naukowcy porównali częstotliwość „tykania zegara” na w górnej i dolnej części chmury, okazało się, że czas pomiędzy poszczególnymi przejściami jest na górze o 0,00000000000000001% krótszy niż na dole. Taki a nie inny sposób zaprojektowania eksperymentu pozwolił na usunięcie z pomiarów wielu zakłóceń. Na chmurę atomów wpływać może bowiem pole elektryczne, pole magnetyczne, ciepło otoczenia czy sam laser. Jednak niezależnie od tych wszystkich czynników różnica w częstotliwości pomiędzy górą a dołem chmury pozostawała taka sama. Autorzy badań mówią, że to krok w kierunku zunifikowania ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Teoria względności opisuje czasoprzestrzeń, w której obiekty mają dobrze zdefiniowane właściwości i przemieszczają się pomiędzy punktami przestrzeni w zdefiniowany sposób. Z kolei w mechanice kwantowej obiekt może znajdować się w superpozycji, czyli przyjmować jednocześnie różne właściwości lub też może nagle przeskoczyć do innej lokalizacji. Obie teorie dobrze opisują właściwe sobie rzeczywistości, ale nie przystają do siebie nawzajem. Jeśli bowiem rozważymy masywny obiekt, jak np. planetę, to – zgodnie z ogólną teorią względności – będzie on zaginał czasoprzestrzeń. Jeśli teraz zastosujemy do niego mechanikę kwantową, czyli umieścimy ten obiekt w superpozycji, zatem jednocześnie będzie się on znajdował w dwóch różnych miejscach, to rodzi się pytanie, czy również geometria czasoprzestrzeni znajdzie się w superpozycji. Niemożność zunifikowania obu tych teorii, które na początku XX wieku zrewolucjonizowały fizykę, to wciąż poważny problem dla nauki. Oznacza bowiem, że nie jesteśmy w stanie w pełni opisać rzeczywistości. Zegary atomowe to bardzo obiecujące systemy do badania tego problemu. Odmierzają bowiem czas, który w szczególnej teorii względności jest czwartą współrzędną czasoprzestrzeni, a jednocześnie przejścia pomiędzy poziomami energetycznymi elektronów są możliwe dzięki zjawiskom kwantowym. « powrót do artykułu

Czy mamy wolny wybór, czy też nasze decyzje zostały wcześniej ustalone? Czy fizyczna rzeczywistość jest lokalna, czy może to, co robimy tu i teraz, ma natychmiastowy wpływ na wydarzenia gdzie indziej? Na tak podstawowe pytania fizycy szukają odpowiedzi w słynnych nierównościach Bella. Okazuje się, że wolny wybór i lokalny realizm można zręcznie mierzyć i porównywać. Otrzymane rezultaty odkrywają zaskakujące zależności o fundamentalnym i uniwersalnym charakterze, daleko wykraczające poza samą mechanikę kwantową. Przyczynowość, lokalność i wolny wybór są powiązane za pomocą kilku prostych wzorów znanych jako nierówności Bella. Wyrafinowane doświadczenia optyków kwantowych z kilku ostatnich dekad bezsprzecznie dowiodły, że nierówności te są łamane. Dziś fizycy stoją więc przed dylematem: czy zaakceptować wizję realnego świata, w której kwestionujemy założenie o wolnym wyborze eksperymentatora, czy też odrzucić założenie lokalności przeprowadzanych eksperymentów? Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie (IFJ PAN), brytyjskiego City, University of London (CUL) i niemieckiej Technische Hochschule Mittelhessen w Giessen (THM) zmierzyli się z tak postawionym problemem – i to dość dosłownie. Wyniki ich badań, daleko wykraczające poza samą fizykę, omówiono w artykule właśnie opublikowanym na łamach prestiżowego czasopisma Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Realizm to koncept fizyczny, w którego ramach opisujemy świat za pomocą relacji przyczynowo-skutkowych. Lokalność oznacza, że oddziaływania nie mogą rozchodzić się natychmiastowo. Jeśli więc fizyczna rzeczywistość ma spełniać wymogi lokalnego realizmu, na wynik eksperymentu będzie miało wpływ tylko to, co się znajduje w jego bezpośrednim otoczeniu, a nie to, co się dzieje właśnie teraz w odległej galaktyce, tłumaczy dr hab. Paweł Błasiak, pierwszy autor artykułu. Wolny wybór, pojęcie pozornie typowo filozoficzne, również można potraktować jako zagadnienie fizyczne, a nawet matematyczne. W tym ujęciu wolny wybór odnosi się do zmiennych opisujących parametry eksperymentu, czyli tego, co mierzymy w laboratorium. Zakładamy o tychże zmiennych, że możemy je swobodnie dobierać, niezależnie od tego, co się działo w przeszłości. W ramach wizji świata, w której obowiązuje lokalny realizm oraz wolny wybór, można wyprowadzić nierówności Bella, a następnie przeprowadzić weryfikujący je eksperyment. Główne idee można tu zobrazować następująco. Alicja i Bob pracują w laboratoriach na przeciwnych krańcach galaktyki. Któregoś dnia otrzymują pudełka, każde po jednym. Ustawiają je na swoich stołach i w pewnym momencie ostrożnie otwierają. Ze środka wypada wirująca moneta, którą każdy eksperymentator dociska dłonią do stołu. Alicja i Bob notują teraz, czy moneta upadła do góry orłem czy reszką. Wkrótce nadchodzą kolejne, podobne przesyłki. Po pewnym czasie Alicja i Bob dysponują długą listą obserwacji, w których na różny sposób dociskali monety. Żadne nie widzi w swoich danych niczego niezwykłego: na ich listach orły i reszki pojawiają się w sposób czysto przypadkowy. Sytuacja zmienia się dramatycznie, gdy Alicja i Bob spotykają się na Międzygalaktycznym Kongresie Naukowym. Porównują swoje dane i raptem się okazuje, że przy tych samych obserwacjach gdy moneta Alicji upadała reszką, moneta Boba zawsze upadała orłem – i odwrotnie. Oboje przyjmują więc, że nie jest to dziełem przypadku i za obserwowane przez nich korelacje musi odpowiadać jakaś wspólna przyczyna, tkwiąca w przeszłości obu obiektów wysyłanych z tego samego źródła. Tajemniczy nadawca przesyłek mógłby po prostu poinstruować każdą z monet, jak mają upaść będąc w dany sposób dociśniętą do stołu. Jeśli tak rzeczywiście jest, Alicja i Bob mogliby odgadnąć tę instrukcję i ogłosić spektakularne odkrycie. Niestety, ich wysiłki spełzają na niczym! Zdesperowani, Alicja i Bob proszą genialnego teoretyka Johna o pomoc. Ten najpierw pyta, jakie założenia dwójka naukowców przyjmuje w swojej pracy za prawdziwe i pewne. Uważamy, że obserwowane przez nas korelacje powinny dać się wytłumaczyć przez ciąg propagujących się w czasie przyczyn i skutków, mówi Alicja. Bob doprecyzowuje: Sądzimy też, że żadna przyczyna nie oddziałuje natychmiast na eksperyment, jeśli znajduje się w odpowiednio dużej odległości od laboratorium. Oboje głęboko wierzą, że sposób, w jaki otwierają pudełka, nie jest im w żaden sposób narzucany i są święcie przekonani, że sami podejmują decyzję dotyczącą tego, jak uderzają dłonią w monetę. Ku ich ogromnemu zdziwieniu John spokojnie wyjaśnia, że tych wszystkich założeń nie da się pogodzić ze wszystkimi obserwowanymi przez nich korelacjami. W rzeczywistości nierówności Bella zostały odkryte przez północnoirlandzkiego fizyka Johna Stewarta Bella w 1964 roku. Jego inspiracją był słynny problem upiornego oddziaływania na odległość, postawiony przez Alberta Einsteina, Borisa Podolskyego i Nathana Rosena w 1935 roku. W eksperymentach fizycznych, gdzie rolę monet odgrywają fotony, a orłem i reszką jest ich polaryzacja obserwowana w różnych kierunkach, nierówności te faktycznie są łamane. Współczesna fizyka ma więc fundamentalny dylemat: czy lepiej porzucić ideę lokalnego realizmu, czy może zakwestionować wolne wybory naukowców? Niewielu fizyków jest skłonnych kwestionować realizm, zakładający przyczynowość działającą zgodnie ze strzałką czasu. Zatem albo coś jest „nie tak” z założeniem lokalnego realizmu, albo z wolnym wyborem eksperymentatorów. Fakt łamania przez rzeczywistość nierówności Bella prowokuje do zadawania intrygujących pytań. Na przykład: jak często przy zachowaniu pełnej lokalności musielibyśmy łamać wolny wybór, by odtworzyć korelacje obserwowane w eksperymentach? Przy każdym pomiarze, w większości, czy może tylko w co którymś? Analogicznie, jeśli zachowamy wolny wybór, jak często musielibyśmy łamać lokalność?, zastanawia się dr Błasiak. Rezultaty badań polsko-brytyjsko-niemieckiej grupy przynoszą zaskakującą odpowiedź. Okazuje się, że aby odtworzyć rejestrowane korelacje, przy zachowaniu wolnego wyboru lokalność należałoby łamać równie często, jak wolny wybór przy zachowaniu lokalności. Z jakichś (nieznanych) powodów przyroda w najmniejszym stopniu nie faworyzuje ani lokalności, ani wolnego wyboru. Naukowcom udało się wyprowadzić wzory pozwalające obliczyć, jak często Alicja i Bob musieliby łamać lokalność bądź wolny wybór, żeby odtworzyć obserwowane korelacje (w mechanice kwantowej i nie tylko). W szczególności okazuje się, że formalizm mechaniki kwantowej wymusza, by przy maksymalnym splątaniu między fotonami do łamania lokalności bądź wolnego wyboru dochodziło przy każdym pomiarze (co uogólnia wcześniejsze wyniki dotyczące samej lokalności). Najciekawsze, że twierdzenie Bella wcale nie jest twierdzeniem mechaniki kwantowej, lecz teorii prawdopodobieństwa, ma więc uniwersalny charakter. Twierdzenia udowodnione przez nas również nie ograniczają się do samej fizyki kwantowej, lecz dotyczą każdej sytuacji, w której mamy do czynienia z korelacjami dotyczącymi separowalnych układów, podkreśla dr Błasiak. Poza fizyką sensu stricto, łamanie lokalności lub wolnego wyboru nie musi mieć dramatycznego charakteru. W badaniach dotyczących ludzkich zachowań do naruszenia lokalności wystarczyłoby, żeby Alicja szepnęła coś do Boba, zauważa z kolei prof. Emmanuel Pothos, psycholog z CUL. Jeszcze inny przykład podaje prof. Christoph Gallus, ekonomista z THM: Jeśli Alicja i Bob są graczami na giełdzie, do skorelowania ich wyborów może dojść po prostu wskutek używania publicznie dostępnych informacji. Uniwersalność znalezionych zależności otwiera drzwi do bardzo praktycznych zastosowań, takich jak badanie mechanizmów przepływu informacji w systemach złożonych. Warto podkreślić, że ogólność tego typu rozważań bierze się z natury samego pytania o przyczyny obserwowanych korelacji, które jest fundamentalne oraz wspólne dla całej nauki. « powrót do artykułu

Eksperyment przeprowadzony na Heriot-Watt University w Edynburgu dowodzi, że obiektywna rzeczywistość nie istnieje. Zespół naukowy prowadzony przez Massimiliano Poiettiego jako pierwszy w historii przeprowadził eksperyment zwany Przyjacielem Wignera. Ten eksperyment myślowy został zaproponowany w 1961 roku przez Eugene'a Wignera. Naukowcy przez kilkadziesiąt lat nie byli w stanie go przeprowadzić, jednak w ubiegłym roku uczeni z Edynburga stwierdzili, że ostatnie postępy w technologiach kwantowych są tak duże, że można pokusić się o próbę eksperymentalnego zweryfikowania Przyjaciela Wignera. Eksperyment Wignera jest bardzo prosty w założeniach. Rozpoczynamy od pojedynczego fotonu, który, po dokonaniu pomiaru, będzie miał polaryzację poziomą lub pionową. Jednak przed pomiarem, zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, foton istnieje w superpozycji, czyli ma jednocześnie oba rodzaje polaryzacji. Wigner zaproponował istnienie przyjaciela, który w laboratorium dokonuje pomiaru fotonu i zachowuje informację o jego polaryzacji. Wigner obserwuje wszystko z daleka. Jako, że nie ma informacji o wynikach pomiaru, musi założyć, że wynik pomiaru to superpozycja wszystkich możliwych wyników. Z punktu widzenia Wignera, superpozycja istnieje. A jeśli tak, to pomiar nie miał miejsca. Jednak dla jego przyjaciela foton ma jedną konkretną polaryzację. Może on nawet poinformować Wignera, że dokonał pomiaru. O ile jednak nie poinformuje o jego wyniku, dla Wignera foton będzie w superpozycji. Mamy więc tutaj do czynienia z dwiema różnymi rzeczywistościami. To zaś poddaje w wątpliwość obiektywizm faktów z punktu widzenia różnych obserwatorów, mówi Proietti. W ubiegłym roku Caslav Brukner z Uniwersytetu w Wiedniu wpadł na pomysł, w jaki sposób można by przeprowadzić eksperyment Przyjaciela Wignera, używając wtym celu wielu splątanych cząstek. Przełomowy eksperyment został wykonany przez Proiettiego i jego zespół. Podczas wysoce zaawansowanego eksperymentu, w którym wykorzystaliśmy 6 fotonów, zrealizowaliśmy scenariusz Przyjaciela Wignera, mówi Proietti. Naukowcy wykorzystali 6 splątanych fotonów do stworzenia dwóch odmiennych rzeczywistości. Jedna reprezentowała Wingera, druga jego przyjaciela. Przyjaciel mierzy polaryzację fotonu i zapisuje wynik. Później Wigner dokonuje pomiaru, by stwierdzić, czy wcześniejszy pomiar i foton są w superpozycji. Eksperyment nie dał jednoznacznych wyników. Okazało się, że obie rzeczywistości, ta przyjaciela i ta Wignera mogą istnieć jednocześnie, mimo że dają sprzeczne wyniki. Przeprowadzony w Edynburgu eksperyment każe zadać pytania o naturę rzeczywistości. Pomysł, że obserwatorzy mogą pogodzić uzyskane przez siebie wyniki opiera się na kilku założeniach. Przede wszystkim na tym, że rzeczywistość obiektywna istnieje i obserwatorzy mogą się co do niej zgodzić. Jednak istnieją też inne założenia. Na przykład takiego, że obserwatorzy mogą dokonywać dowolnych obserwacji, czy też, że wybory jednego obserwatora nie wpływają na wybory drugiego. Jeśli istnieje obiektywna rzeczywistość, to wszystkie te założenia można utrzymać. Jednak eksperyment Proiettiego poddaje w wątpliwość istnienie obiektywnej rzeczywistości. Oznacza to, że przynajmniej jedno z założeń – że istnieje rzeczywistość, co do której możemy się umówić, że mamy wolny wybór lub też, że wybory jednego obserwatora nie wpływają na wybory drugiego – jest nieprawdziwe. Oczywiście możemy też założyć, że w samym eksperymencie istnieje jakaś dziura, coś czego naukowcy nie zauważyli, a co wpływa na jego wynik. Fizycy od lat próbują odnaleźć i zamknąć takie dziury w podobnych eksperymentach, ale przyznają, że być może nigdy nie będzie możliwe, by je wszystkie usunąć. Tak czy inaczej badania Proiettiego mają duże znaczenie dla nauki. Metoda naukowa bazuje na faktach ustalanych przez powtarzalne eksperymenty, których wyniki zostały szeroko zaakceptowane, niezależnie od obserwatora, mówi Proietti. Jednak jego własny eksperyment wykazał, że różni obserwatorzy mogą doświadczać różnej rzeczywistości. Kolejnym logicznym etapem badań wydaje się projektowanie takich eksperymentów, które będą dawały coraz bardziej dziwne i coraz bardziej rozłączne wyniki dla różnych obserwatorów. « powrót do artykułu