Kvantum-radar
Közel másfél év után folytatjuk a Fénynél is gyorsabban c. cikkünket, nem kevés új meglepetéssel szolgálva. Figyelem! Egész estés olvasmány, kizárólag ínyenceknek és fanatikusoknak.
Figyelmeztetés!
Előszó
Azóta újabb és újabb, érdekfeszítő elemzések és friss, sok tekintetben minden képzeletet felülmúló kutatási eredmények születtek; ám ezek értelmezését csak akkor kezdhetjük meg, ha megértjük a kvantumfizika varázslatos és misztikus világának alapjait. Már csak azért is, mert a jelek szerint a kvantumfizika - kilépve a laboratóriumok zárt világából - hamarosan sokkal-sokkal nagyobb szerepet fog játszani akár mindennapi életünkben, mint azt valaha gondoltuk volna.
Ezzel együtt most először publikáljuk cikkünk nemzetközi publikációra szánt verzióját angolul is; mivel számtalan olyan (saját) kísérletet is javaslunk, melyet hazánkban talán nem volna lehetőség elvégezni; míg, ha nem is a kissé elfoglalt LHC-ben, de valamely jól felszerelt nemzetközi kvantum-optikai laborban erre lehetőség adódhat. A teljes angol változat, kizárólag ínyenceknek:
Tartalom
Felejtsünk el mindent
A legszebb kísérlet
Ahol a misztikum kezdődik
A mérés és a megfigyelő szerepe
Schrödinger macskája
A koppenhágai értelmezés és a több-világegyetem változat
Kvantumradír-kísérletek
Késleltetett választásos kvantumradír
Egy extrém kommunikációs kísérlet
A kvantum-radar felvetés
Kvantum-radar és a fekete lyukak
Multidimenzionális valószínűségi hullámok
Zárszó
Felejtsünk el mindent
Ahhoz, hogy esélyünk legyen elmerülni ebben a varázslatos világban, először is el kell felejtenünk szinte mindent, amit az objektív világegyetemről eddig tudunk, tudni véltünk, ill. gondoltunk. Ezt már a "Fénynél is gyorsabban" c. írásunkban is javasoltuk, de ez most hatványozottan igaz az alább leírtakra. Talán a logikát és a kommunikáció alapjait megőrizhetjük, de ezeket is csak részben: kényszerből, fenntartásokkal - hamarosan megértjük, miért.
Hogy látjuk a világot?
Ezen kívül szentül hiszünk olyan megkérdőjelezhetetlennek tekintett (ám tudományosan soha meg nem magyarázott, főleg nem bizonyított) fogalmakban, mint például az öntudat vagy a szabad akaratunk - és persze abban is, hogy minden más élőlény rendelkezik ugyanezen tulajdonságokkal, tőlünk függetlenül.
Bár mindezeket részben már a Heisenberg-féle határozatlansági teória és az Einstein által napvilágot látott relativitáselmélet is megkérdőjelezte; a kvantumfizika jelenségei alapjaiban ingatják meg erre épülő világképünket. Sőt, ha még pontosabbak akarunk lenni - gyakorlatilag nevetségessé teszik megfigyeléseinket és önértelmezésünket.
Mi a valóság?
Nincsenek például jól meghatározható helyzetű tárgyak, sem élőlények. Egyáltalán nem biztos, hogy az öntudatunk a sajátunk, és főleg nem, hogy a testünkhöz köthető. Nem biztos, hogy létezik szabad akarat, vagy ha mégis, akkor egészen másképp, mint ahogyan ma gondoljuk.
Nem biztos, hogy a fénysebesség az elérhető legnagyobb sebesség; nem biztos (sőt igen valószínűtlen), hogy csak 3 térdimenzió van, és hogy az idő bármiben is különbözik ezektől. Végül, nem biztos, hogy létezik egyáltalán olyan, hogy objektív világegyetem; vagy éppen megfigyelt pillanattól független jelen, jövő, vagy múlt.
Éppen ellenkezőleg, számtalan jel mutat arra, hogy a világegyetem részben vagy talán teljes egészében "szubjektív" hely: vagyis minden öntudattal rendelkező élőlénynek (még általánosabban: minden önmaga és a külvilág érzékelésére képes rendszernek) saját, egymásétól tetszőlegesen különböző világegyeteme van; az objektívnek hitt univerzum pedig talán csak ezek szuperpozíciója, amely csak azon pontokon és úgy kapcsolódik, illetve válik érzékelhetővé (megfigyelhetővé), a többi, öntudattal rendelkező rendszer (élőlény, vagy azok csoportja) számára, hogy ne okozzon paradoxont semmilyen szemlélő esetében sem.
És ami az egészben a legszebb (egyben tudományos hitelesség szempontjából legfontosabb), hogy mindezeket nem filozófusok álmodták meg a "semmiből". Éppen ellenkezőleg, szigorúan kontrollált körülmények között elvégzett kvantumfizikai kísérletek egész sora igazolja, illetve vetíti előre a döbbenetes állítások jelentős részének létjogosultságát.
És hogy mégis hogyan? Kezdjük az elejéről!
A legszebb kísérlet
Bár maga az elrendezés és annak folytonos fénnyel, valamint folyadékokkal (pl. hullámzó vízzel) elvégzett változatai évszázados múltra tekintenek vissza, a kétrés-jelenségek kvantumfizikai vizsgálata csak az utóbbi évtizedekben vált kivitelezhetővé a lézerek és a különleges optikai eszközök, mint például a fényrészecskék (fotonok) felbontására képes kristályok, prizmák fejlődése nyomán.
Mielőtt a kvantumfizika rejtelmeibe mélyednénk, vizsgáljuk meg még egyszer, hogyan is működik normál esetben ez az egyszerű összeállítás!
Két, egymástól nem túl távol lévő rést helyezünk koherens fényforrás, vagy akár vízben terjedő hullámok elé, és azt vizsgáljuk, hogy ezek milyen mintázatot alakítanak ki az átellenes oldalon lévő falon vagy képernyőn.
Hullámzó interferencia-csíkokat fogunk kapni, ami nagyon egyszerűen megérthető, ha modellezzük a két résen áthaladó fény, vagy vízhullámok útját. A két-két résen áthaladó hullámok az ernyő egyes pontjait elérve más-más hosszúságú utat járnak be, és emiatt eltérő fázisban érkeznek meg, így végső soron helyenként erősítik, másutt gyöngítik (vagy éppen teljesen kioltják) egymást.
Ha viszont a kísérletet lézer vagy fény helyett elektron-nyalábbal végezzük el, akkor igen csak el kell, hogy csodálkozzunk - mivel a kapott eredmény akkor is ugyanilyen, hullámzó mintázat lesz (a kihalófélben lévő katódsugárcsöves TV-k elektronágyúja és fluoreszcens képernyője pont megfelel ehhez).
Itt válik érdekesé a dolog - az elektronok ugyanis a klasszikus fizikában például tömeggel és számtalan egyéb jól meghatározható jellemzővel rendelkező anyagi részecskék (ellentétben a fénnyel, amely legalább annyira hullám-természetű is). De akkor hogyan tudnak az elektron-nyaláb apró, anyagi részecskéi interferencia-csíkokat rajzolni a túloldalon lévő képernyőre?
A furcsa megfigyelésre adott legegyszerűbb magyarázatnak eleinte az tűnt, hogy a részecskék sokasága - a két résen való átrepülés során - kényszerűen olyan pályát vesz fel, amelyen egymásnak ütköznek, akár többször is, kitérítve egymást, és a folytonos kölcsönhatás miatt módosuló röppályák végső soron egymást befolyásolva hoznak létre sűrűbb és ritkább becsapódási mintázatokat az ernyőn.
Ez hihetőnek tűnt, egészen addig, amíg ki nem próbálták, hogy mi történik, ha egyszerre csak egyetlen egy elektront lőnek át a rendszeren - kizárva az egymást módosító nyalábok kölcsönhatásának lehetőségét. Teljes képtelenség, hogy interferencia-képet kapjunk - gondolhatnánk a klasszikus fizikát alapul véve. De mindig érhetnek meglepetések, ha túl biztosak vagyunk világképünkben.
Ahol a misztikum kezdődik
Nos, látszólag nem is ez történik, hanem valami még ennél is furcsább. Egy önálló elektron (és egy fény-foton is), a kétrés-kísérletben valójában mindig csak egyetlen, jól meghatározható (de előre ki nem számítható) helyen csapódik be a túloldalon lévő képernyőre. Nem hoz létre semmilyen mintázatot, csak egy pontot.
Az igazán elképesztő és klasszikus világképünkkel teljességgel megmagyarázhatatlan jelenség akkor válik megfigyelhetővé, ha egymás után sokszor megismételjük ugyanezt (tehát, hogy egy-egy önálló elektront, vagy fény-fotont lövünk át a kétrés-kísérletben). A sok száz, ezer vagy tízezer egyedi részecske végül - ha becsapódási pozícióikat összegezzük - kialakítják az interferenciaképet, vagyis azt a mintázatot, amihez elvben azonos és egyidejű forrású hullámok interferenciája szükséges.
Hogyan lehetséges ez? Eddigi világnézetünkkel - sehogy. Mégis megtörténik.
Bár a kísérlet annak idején kevés publicitást kapott, minden résztvevő tudóst ámulatba ejtett, és elgondolkodtatott azzal kapcsolatban, hogy valamit esetleg döbbenetesen félreértelmeztünk: eddig.
Be kell, hogy lássuk - igazuk van. De a rejtély még ennél is mélységesebb, ráadásul kényes, a tudomány által alig kezelhető kérdéseket vet fel, ha tovább vizsgálódunk.
Az alábbi, egyik legelső videót a jelenségről a népszerű szórakoztató elektronikai termékeket gyártó japán Hitachi cég kutatói készítették, kommentárjukban pedig kiemelték - "We have reached a conclusion which is far from what our common sense tells us" (Olyan következtetésre jutottunk, amely ép ésszel fel sem fogható)
Értelemszerűen ennek megválaszolásához először valahogy meg kellett próbálniuk kitalálni, hogy melyik résen haladnak át a fotonok vagy elektronok, mielőtt az ernyőre vetülnének. Ennek érzékelésére ma már számtalan technikai lehetőség van; a tudósok végigpróbálták mindegyiket.
Ám válasz helyett egy még nagyobb rejtéllyel találták szemben magukat. Ha érzékelőket helyeztek a rendszerbe, amelyek képesek voltak erre a mérésre, akkor a mérés minden alkalommal sikerült ugyan (tehát minden egyes részecskéről jól elkülöníthetően meg lehetett határozni, melyik résen haladt át) - viszont a hullámzó interferencia-kép is teljesen eltűnt az ernyőről ugyanebben a pillanatban. Helyette egy unalmas, elmosódott szélű foltot alkottak mind az elektronok, mind a fotonok, azon réssel szemben, amelyiken a mérés szerint áthaladtak - az interferencia-kép "összeomlott", a hullámfüggvény megsemmisült.
A fizikusokat először csak meglepte, de még nem sokkolta ez a jelenség. Hiszen köztudott, hogy bármilyen "mérés" valójában kölcsönhatás a megmért objektum és a mérőeszköz között; ez pedig megváltoztatja mindkettőjük állapotát, jellemzőit. Az interferencia-kép összeomlását azzal magyarázták, hogy a mérés (például a repülő elektronok fotonokkal, vagyis fénnyel való megvilágítása) olyan mértékben zavarta a parányi részecskéket, hogy azok nem voltak képesek eredeti pályájukon zavartalanul tovább haladni, és így érthető, hogy nem tudtak az ernyőn "interferálni".
Ez a magyarázat egy ideig tartotta magát, de később kiderült, hogy interferencia-kép kialakítására nem csak fotonok vagy elektronok, hanem jóval összetettebb és nagyobb tömegű struktúrák - mint például atomok, vagy molekulák - is egyaránt képesek. A 90-es évek elején elvégzett kísérletekben a tudósok trükkös megoldást találtak a "melyik-rés" kérdés kísérleti érzékelésére anélkül, hogy a mérés az atomokat elvben jelentősen zavarhatta volna repülési útvonalukon, bármi is legyen az. Konkrétan, lézerrel vagy mikrohullámú sugárzással gerjesztették az atomokat, még mielőtt elérték volna a réseket, így azok a felvett energiát fény (vagyis egy-egy foton) kisugárzásával kénytelenek voltak leadni. Az érzékelőket úgy állították be, hogy ne magukat az atomokat, hanem az általuk kibocsájtott fény-részecskéket érzékeljék. Így végső soron, indirekt módon tudomást szerezhettünk volna a repülési útvonalról (tehát, hogy melyik résen haladt át éppen az adott atom), viszont az interferncia-képnek is illett volna megmaradnia.
Mondanunk sem kell, hogy nem ez történt. Az interferencia-kép ugyanúgy összeomlott, pedig a közvetett "mérés" atomokra gyakorolt hatása olyan elképesztően csekély volt, hogy elvileg nem okozhatott volna semmilyen érzékelhető eltérést.
Még néhány ezer újra és újra elvégzett kísérlet, trükkösebbnél trükkösebb mérés és érzékelési mód után a kutatók már kezdték úgy látni, hogy fizikailag NEM maga a mérés omlasztja össze az interferencia-képet. Hát akkor micsoda?
És innentől válik nagyon-nagyon kényessé a kérdés a fizikusok számára.
Az alábbi videó, bár angol nyelvű, a fentieket igen szemléletesen ábrázolja - még nyelvtudás nélkül is érdemes lehet megtekinteni.
Kényes kérdések
Számos - kísérletileg is alátámasztott - vélemény szerint ugyanis mi magunk, a kísérlet megfigyelői okozzuk a hullámfüggvény - vagyis a részecske szabadságának - összeomlását. Ha bármilyen módon tudomást szerzünk arról, hogy merre járt a részecske, akkor éppen miattunk veszíti el azt a szabadságát, hogy egyszerre lehessen mindkét helyen vagy éppen egyiken sem; enélkül ugyanis nem interferálhat "önmagával".
Másképp fogalmazva - ha kíváncsiságunkkal "kikényszerítjük" az útvonal-információt, akkor abban a pillanatban a részecske elveszíti hullámtermészetét, és egy unalmas, jól meghatározott pályán repül tovább. Ha viszont nincs lehetőségünk erre, akkor a részecske ismét "szabaddá" válik, és vidáman, figyelmen kívül hagyva az általunk ismert világ fizikai korlátait, egyszerre lehet mindkét helyen amikor áthalad a kétrés-kísérlet akadálypályáján.
Ez azt jelentené, hogy egy tudatos megfigyelő szükséges a hullámfüggvény összeomlásához? Például egy ember? Vagy elég az is, ha a műszereink megmérik az útvonal-információt, anélkül, hogy bárki kiértékelné az eredményeket? Összeomlana-e a hullámfüggvény, vagy érintetlenül interferálna tovább önmagával?
A fizika tudománya nem ismeri az "öntudat" fogalmát, sőt, nem is tud mit kezdeni vele, ezért a tudósok nagy része olyan megoldást keres, amelyben nincs jelentősége annak, hogy a kísérlet megfigyelőjének van-e az általunk ismert értelemben "öntudata". Ám lehetséges, hogy a fizika téved ebben. Vagy a fizikának igaza van, ebben az esetben viszont az "öntudat" fogalma nem, vagy nem feltétlenül szűkíthető le az emberi faj képviselőinek szűk csoportjára. Sőt, még az élőlények szintjére sem. Lehetséges - mint ahogy azt már korábban is írtuk - hogy a megfigyelő bármilyen struktúra lehet. Egy molekula, egy vírus, egy kődarab, egy bolygó vagy éppen a Nap; egy erdő és egy sivatag, de éppúgy a tengervíz egy molekulája és a sivatag egy homokszeme együttesen is.
Mielőtt beleszédülnénk ezen lehetőségek végtelenjébe, meg kell ismernünk néhány nagyon fontos fizikai vagy éppen gondolat-kísérletet, amely szorosan kapcsolódik témánkhoz - és amelyek nem kevésbé különleges értelmezésekre adhatnak okot.
Schrödinger macskája
A kísérletben - amelyet szerencsére a valóságban sohasem végeztek el, és remélhetőleg soha nem is fognak (nem csak humanitárius okokból, hanem azért is, mert a kísérlet konkrét eredménye voltaképpen lényegtelen) - egy aranyos cica életét tesszük függővé egy kvantumfizikai szinten teljesen véletlenszerűnek tekintett, 50-50 %-ban bekövetkező folyamat kimenetelétől.
Konkrétan, egy külvilágtól hermetikusan elzárt dobozba zárjuk kedvenc macskánkat, egy óra időtartamra, egy instabil izotóppal, valamint egy annak esetleges bomlását érzékelő műszerrel (pl. Geiger-számlálóval). Ha az izotóp elbomlik - aminek pontosan 50 % a valószínűsége egy órán belül - a műszer azt érzékeli, és gonosz módon összetör egy apró kémcsövet, amiben cianid kapszula van és gyorsan, fájdalommentesen, de végérvényesen jobb létre szenderíti a cicát. Ha viszont az izotóp nem bomlik el - amire éppúgy 50 % az esély - akkor nem történik semmi, és egy óra múlva kinyitva a dobozt, keblünkre ölelhetjük kedvencünket.
A doboz viszont egy óráig zárva van, és semmit, de semmit nem tudhatunk arról, hogy mi történt odabent (elbomlott-e az izotóp, vagy sem). Csak akkor, amikor kinyitjuk a dobozt, derül ki, hogy a macska megúszta-e az igencsak kétesélyes orosz rulettet. A lényeg az, hogy amíg ki nem nyitjuk a dobozt, addig éppolyan valószínű, hogy a cica él és virul, mint az, hogy jobblétre szenderült.
Ha viszont kinyitjuk a dobozt - vagy megmérjük a fotonok röppályáját - akkor a hullámfüggvény "összeomlik", és immár nem élőhalott macskát, hanem egy élő VAGY halott macskát fogunk látni, de a kettőt semmiképpen sem egyszerre.
Innentől persze a kérdés legalább annyira filozófia, mint fizika; a macskát sohasem láthatjuk élőhalott állapotban, hiszen megfigyelésünkkel "összeomlasztjuk" a hullámfüggvényt éppúgy, ahogy a fotonok repülési útvonalát. Ez vajon paradoxon? Itt élesen elválnak egymástól az értelmezések.
A Koppenhágai értelmezés
A Koppenhágai értelmezés szerint tehát csak egyetlen, jól meghatározható kimenetele lehet a kísérletnek, és minden szemlélő azt fogja látni: amint kinyílik a doboz.
Ez egy egyszerű és logikus, paradoxonoktól mentes álláspont, és ezért máig sokan kedvelik. De van egy csavaros, mégis tökéletes ellenérv, amely megkérdőjelezi azt.
Mi történik, ha valaki egy óra elteltével kinyitja a dobozt, szomorúan tapasztalja, hogy a macska elpusztult, majd visszacsukja a dobozt; viszont mielőtt bárkivel beszélhetne erről, a fejére esik egy tégla, és maga is jobblétre szenderül. Barátja (Wigner's friend) a balesetről mit sem tud, de bemegy a laborba, kíváncsian újra kinyitja a dobozt, és csodák-csodája: a cica él és virul.
Be kell, hogy lássuk, hogy a kvantumfizika varázslatos világában (amely a mi világunk is egyben) ez igenis lehetséges. Hiszen, ha maga a megfigyelés omlasztja össze a valószínűségi hullámot, akkor egy másik, független megfigyelés épp olyan valószínűséggel juthat teljesen ellentétes eredményre.
Akkor ez most azt jelenti, hogy mi magunk döntjük el, hogy a macska élő, vagy halott legyen-e? Egy tudatos megfigyelő kívánságai határozzák meg a világegyetemet? Vagy csak elszenvedni kénytelenek a tudatos megfigyelők az egyik, vagy másik szubjektív állapotot? És mi van, ha a két független megfigyelés eredménye nem egyezik?
Ez a paradoxon vezetett a Több-világegyetem (Multiverzum-értelmezés) kialakításához.
A Multiverzum-értelmezés (Many-Worlds Theory)
Ahogy azt látni fogjuk, a kísérlet értelmezésének analógiája nagyon sok esetben fontos szerepet játszik majd az interferencia-kép értelmezésében; most visszatérünk a parányi részecskék világába, és megvizsgáljuk, milyen trükkös és érdekes eredményekhez vezet, ha egy kicsit "megbolondítjuk" a korábban ismertetett, klasszikus kétrés-kísérletet.
A Kvantumradír (quantum-eraser) kísérletek
Ekkor felvetődött, hogy mit történne, ha "megjelölnénk" vagy térben elkülönítenénk a szabadon mozgó részecskéket, de mielőtt megpróbálnánk a jelölés alapján kitalálni az útvonalukat, ismét "összekevernénk" őket, és így vetülnének a képernyőre.
Más szavakkal, mi történne, ha lehetőséget teremtenénk a "melyik-rés", vagy "melyik-útvonal" megismerésére, de végül nem használnánk azt ki? Mi lenne, ha "eltörölnénk" ismereteinket, mielőtt azok birtokába juthatnánk?
Nos, a Kvantumradír kísérletek újabb meglepő eredményt hoztak; noha a részecskéket megjelöltük a polarizációval, vagyis "megmértük" őket, de aztán eldobtuk a mérési eredményt, mielőtt azt megismerhettük volna, így az interferencia-kép újra megjelent az ernyőn. Egy újabb, kristálytisztának tűnő érv amellett, hogy nem a mérés, hanem mi magunk - a megfigyelők - omlasztjuk össze a hullámfüggvényt, ha "kikényszerítjük" az egyértelmű eredményt.
A tanulság, hogy a világegyetemet nem lehet csak úgy "kigúnyolni", úgy tűnik, bármennyit is csavarunk és trükközünk, mindig előáll valamivel, amire senki nem számított.
A késleltetett választásos kvantumradír-kísérlet
Állítsuk össze a klasszikus kétrés-kísérletet, de az interferencia-ernyő legyen tetszés szerint elmozdítható, vagyis "kivehető" a fény, a fotonok, vagy a különálló elektronok útjából. A kivehető képernyő mögé pedig helyezzünk két optikai érzékelőt (mikroszkópot, távcsövet, stb.), amely közül az egyik például csak a jobb oldali, a másik csak a bal oldali résre fókuszál.
Tegyük a helyére az interferencia-ernyőt, és lőjük ki egyesével a fotonokat vagy elektronokat, majd várjuk meg, amíg áthaladnak valamelyik (vagy mindkét) résen, és várjunk egészen addig, amíg majdnem elérik az interferencia-ernyőt.
Ekkorra már réges-régen elvileg el kellett, hogy dőljön, hogy a részecske melyik résen haladt át, vagy esetleg mindkettőn egyszerre (hiszen fénysebességgel vagy közel fénysebességgel halad, és a következő pillanatban becsapódik, ill. becsapódna az ernyőbe), mi viszont még mindig dönthetünk, hogy hagyjuk-e ezt megtörténni. Ha a helyén hagyjuk az ernyőt, akkor szépen hullámzó interferencia-képet kapunk. Ha viszont hirtelen kiemeljük az ernyőt - a másodperc milliárdod része alatt - akkor a résekre fókuszáló optikai érzékelők valamelyike látni fogja a fotont, és tudhatjuk, hogy melyik résen haladt át igazából.
Tudjuk, hogy ahhoz, hogy az ernyőn inteferencia-képet kapjunk, a fotonnak vagy elektronnak egyszerre kell áthaladnia mindkét résen; térben, időben vagy ezek valamilyen kombinációjában. Viszont a kísérleti eredmények szerint, ha kivesszük az ernyőt, SOHA nem látjuk őket egyszerre mindkét résen áthaladni. Mindig az egyik VAGY a másik "távcső" látja a felvillanást, de a kettő együtt sohasem.
Itt egy látszólagos paradoxonnal kerülünk szembe; hiszen mi az interferencia-ernyőt csak a leges-legutolsó pillanatban, akkor emeltük ki a rendszerből, amikor az már nem hathatott volna arra, hogy a részecskék melyik utat (vagy utakat) választották.
Ez látszólag olyan, mintha a mi későbbi döntésünk visszamenőleg megváltoztatta volna a múltat; vagyis ha a helyén hagyjuk az inteferencia-ernyőt, akkor interferencia-képet kapunk (mindig), pedig az csak a hullámfüggvény szabadsága esetén lehetséges; ha viszont az utolsó pillanatban kivesszük, mindig csakis az egyik résen látjuk beérkezni a részecskét. Márpedig ha mindig csak az egyik résen haladna át, nem okozhatna interferencia-képet. A döntést a kiemelésről viszont minden egyes esetben csak jóval azután hoztuk meg az ernyő kiemeléséről, miután már régen áthaladtak a résen, vagy réseken...
Hogy még jobban megértsük mindezt, képzeljük el ugyanezt a kísérletet nagyban. Nagyon nagyban, hogy pontosak legyünk.
Intergalaktikus késleltetett-választásos kvantumradír
Az ilyen hatalmas tömegű galaxisokról köztudott, hogy általában szupermasszív fekete lyukak találhatóak a középpontjukban, és erősen meggörbítik a teret (erről a jelenségről fotóink is vannak, tehát nagyon is létező); elhajlítják a mellettük elhaladó fény útját, és végső soron gigantikus méretű, gravitációs "lencseként" viselkednek. Így aztán lehetőségünk van olyan, jóval távolabbi csillagokat, bolygókat vagy égitesteket is megpillantani, amik egyébként takarásban lennének.
Ha a Földön egy fényérzékeny lemezt fordítunk a beérkező fotonok felé anélkül, hogy a galaxis egyik vagy másik oldalára fókuszálnánk a lencsékkel, az apró fény-részecskék interferencia-képet fognak kialakítani. Ha viszont két távcsővel ráfókuszálunk a galaxis két szélére, akkor mindig csak az egyik távcsőben fogjuk látni a fotonokat felvillanni, külön-külön. De sohasem egyszerre.
Ne felejtsük el, hogy a fény, vagyis a fotonok erről a távoli, nagyon távoli bolygóról vagy csillagról már több milliárd éve úton vannak, és a gravitációs lencseként viselkedő galaxis mellett is hasonlóan hosszú ideje elhaladtak.
A következtetés elkerülhetetlen - döntésünkkel ezen több milliárd év történetét írhatjuk újra, vagy változtathatjuk meg, esetleg alakíthatjuk ki, értelmezés szerint. Hiszen, ha távcsöveinkkel ráfókuszálunk a galaxis két szélére, akkor mindig csakis az egyik oldalon fogjuk látni a fotonok felvillanását, vagyis több milliárd éve is azok csakis azon az egy jól meghatározott úton "repülhettek" át felénk a térben. Ha viszont hagyjuk őket az interferencia-ernyőre esni, akkor interferncia-képet alakítanak ki, ami csak úgy lehetséges - ismét - ha egyszerre mindkét úton jöhettek.
Valóban képesek lennénk erre? Megváltoztatjuk, vagy csak kialakítjuk az eddig határozatlan múltat?
A Wheeler-féle értelmezés
Wheeler így fogalmaz - "The past does not exist until measured in the present" (A múlt nem létezik, amíg meg nem mérjük a jelenben).
Vagyis, a múlt tetszőlegesen képlékeny, amíg mi meg nem próbáljuk megismerni azt; és (mint például a galaktikus méretű gondolatkísérletben) a fotonok egyszerre repülnek csak az egyik oldalon, csak a másikon, és mindkét oldalon egyszerre. Vagyis, a valóság a lehetőségek szuperpozíciója, egészen addig, amíg meg nem figyeljük.
Wheeler értelmezése meghökkentő, de logikus. (Eddig.) Egyetlen alternatívája a Bohm nevéhez köthető, ún. "pilot-wave theory", amelyben a részecskék és a valószínűségi hullám függetlenek egymástól. Mindkét elképzelést nagy próbatétel elé állították azonban a legújabb, összefonódott részecske-párokkal kombinált, késleltetett választásos kvantumradír-kísérletek. Ezeknek számos változata létezik, de a lényegük ugyanaz - kideríteni, mi történik akkor, ha egyszerre van lehetőségünk megfigyelni egy részecskepár-ikrek valamelyikének jelenbéli viselkedését, és összehasonlítani mindezt az ettől függetlennek tekintett, késleltetett választásunkkal az ikerpár másik tagján. A kísérlet elsőre bonyolultnak tűnik, de ne ijedjünk meg tőle.
Lássuk az igazi nagyágyút!
Összefonódott részecskepárok késleltetett választásos kvantumradír-kísérlete
Ezt a döbbenetes eredményekhez vezető kísérletet 1982 és 1999 között Yoon-Ho Kim, R. Yu, S.P. Kulik, Y.H. Shih, and Marlan O. Scully tervezték meg és hajtották végre, az eredeti mérési jegyzőkönyvek (a hitelesség kedvéért) itt találhatóak.
Az alább belinkelt videó a legtöbb részletet jól ismerteti (magyarázat, korrekciók és cikkünk folytatása a videó után)
Megjegyzés - a párkeltésről, vagyis az összefonódásról már részletesen írtunk a Fénynél is gyorsabban c. cikkünkben; a lényege, hogy az így keletkező részecske-ikerpárok bármennyire is távolodnak el egymástól térben és időben, létezésük végéig azonnali és feltétlen kényszer-kapcsolatban maradnak egymással; ha bármi történik egyikükkel, az azonnal, késleltetés nélkül megváltoztatja a másikat is. Ez a hatás kísérletileg bizonyítottan fénysebességnél gyorsabban (azonnal) megy végbe, és ez a tény most rendkívül fontos a kísérlet megértéséhez.
Megjegyzés - Az előbbi mondat, és annak feltételes módban megfogalmazott kitételeinek teljes megértése szintén elengedhetetlenek a kísérlet értelmezése szempontjából.
Nagyon fontos, hogy a párkeltést végző kristály (közvetlenül a kétrés-apparátus után) mind az "alsó", mind pedig a "felső" nyíláson látszólag áthaladó eredeti, UV-fotont kétfelé bontja - ezekből lesznek az azonos színnel jelölt, összefonódott részecske-ikerpárok.
Az ikerpárok tagjai azonban eltérő szögben hagyják el a nemlineáris kristályt; a pár egyik tagja a képen felfelé, a másik pedig lefelé térítődik el a párkeltés pillanatában. A képen felfelé vetülő ikreket "szignál", a lefelé vetődő ikreket pedig "másoló" (idler) fotonoknak nevezzük.
Hogy teljesen tiszta legyen, négyféle, látszólag vagy ténylegesen is különböző részecskét különböztetünk meg a kísérlet során, végig. Ezek a következők -
1) A vörössel jelzett szignál fotonok, amelyek a párkeltő kristálynál a képen felfelé térnek ki - ezek a lefelé kitérő, szintén pirossal jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalukat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy a felső résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül
2) A kékkel jelzett szignál fotonok, amelyek párkeltő kristálynál a képen felfelé térnek ki - ezek a lefelé kitérő, szintén kékkel jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalukat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy az alsó résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül
3) A vörössel jelzett idler (másoló) fotonok, amelyek a párkeltő kristálynál a képen lefelé térnek ki - ezek a felfelé kitérő, szintén pirossal jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalukat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy a felső résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül
4) A kékkel jelzett idler (másoló) fotonok, amelyek a párkeltő kristálynál a képen lefelé térnek ki - ezek a felfelé kitérő, szintén kékkel jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalukat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy az alsó résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül
Megjegyzés - A szignál, és az idler ("másoló") elnevezések egyébként tetszőlegesen felcserélhetőek lennének, tekintve, hogy az összefonódott ikerpárok között nincs, és nem is lehet különbség; csupán arra kell vigyáznunk, hogyha egyszer elneveztük őket, akkor következetesen ragaszkodjunk az elnevezéseikhez a kísérlet során.
Másképp fogalmazva, ha az idler ("másoló") ikertestvéreket is rekombináljuk egymással, és nem próbáljuk meg kitalálni azok útvonalát, akkor a szignál fotonok találkozási helyén mindenképpen tiszta és zavartalan interferencia-képet kell, hogy kapjunk. Ez kísérletileg igazoltan pontosan így is történik; ha a kép alsó részén található tükör-rendszer úgy lenne kialakítva, hogy soha ne lehessen ott sem eldönteni, melyik útvonalon érkezett az észlelt foton, akkor felül mindig meg is maradna a hullámzó interferencia.
Ha viszont a képen alsó tükör-rendszer úgy lenne kialakítva, hogy a "melyik-útvonal" (melyik-rés) információ mindig kinyerhető lenne az ott lévő detektorok segítségével, akkor az törvényszerűen összeomlasztaná felül is a "szignál" fotonok interferencia-képét - mivel a szignál fotonok kényszerkapcsolatban vannak idler ("másoló") ikertestvéreikkel, és ha az ő útvonalukat megismerjük, az nyilván azt jelenti, hogy a szignálok útvonalát is megtudjuk abban a pillanatban.
Úgy is fogalmazhatunk, hogy a felső detektor-ernyőn megjelenő (vagy összeomló) interferencia-kép épsége kizárólag attól függ, hogy mit csinálunk, vagy mi történik a másoló (idler) ikertestvéreikkel az apparátus további részeiben.
A kísérleti apparátus alsó része kicsit bonyolultabbnak tűnik, de valójában igen egyszerű. Van benne egy prizma, két fix tükör (Ma és Mb, ezek nem csinálnak semmit, csak visszatükrözik a fotonokat), van benne 3 darab félig áteresztő tükör (Beamsplitter - BSa, BSb, BSc - ezek teljesen véletlenszerűen vagy átengedik, vagy visszatükrözik a fotonokat, 50-50%-os eséllyel), és van négy detektor-ernyő.
A legegyszerűbben úgy tudjuk megérteni az apparátus működését, ha végigkövetjük a másoló (idler) foton-ikerpárok útját. Először is, egy prizma szétválasztja a vörös és kék jelzésű, párhuzamosan egymás mellett haladó másoló (idler) fotonokat, hogy más-más utat járhassanak be.
Amennyiben a D3 vagy a D4 detektor-ernyőn érzékelünk egy fotont, akkor ezzel egyértelműen megismertük az eredeti foton útját is (tehát, hogy az alsó vagy a felső résen lépett be eredetileg) - és mivel a másoló fotonok kényszerkapcsolatban vannak a szignál ikerpárjaikkal, ez törvényszerűen összeomlasztja a kép felső részén a D0 detektor-ernyőn is az interferenciaképet.
Ha viszont a D1 vagy D2 detektor-ernyőn tapasztaljuk a foton beérkezését, akkor az égvilágon semmit nem tudtunk meg az eredeti foton útjáról - hiszen a D1, ill. a D2 detektor-ernyőre mindkét nyílásból (résből) származó foton éppúgy érkezhetett a tükrök útvonal-kialakítása miatt. Másképp fogalmazva, a D1 ill. D2 detektor-ernyő nem árulja el a "melyik-út" információt; azt a tükrök trükkös elrendezése " eltörölte". Így a kísérleti apparátus alsó része is "kvantumradírként" funkcionál, minek következtében a felső, "szignál" interferencia-kép érintetlen marad.
A kép jobb szélén található az "Egybeesési számláló", ami voltaképpen összepárosítja egymással az egyes detektor-ernyőkön érzékelt fotonok megjelenését és pozícióját, hogy a végén - sok száz, vagy sokezer ismétlés után - statisztikailag ki lehessen értékelni a kísérletet.
Mire számítunk az eddigiek alapján?
Arra, hogy ha külön-külön megvizsgáljuk a D0 detektor-ernyő által rögzített fotonok képét külön-külön kigyűjtve és összegezve a becsapódások helyét mind a 4 lehetőségre nézve (tehát különválasztva azon 4 esetet, amikor a másoló, "idler" fotonpárok a kép alsó részén a D1, D2, D3 vagy D4 detektor-ernyők valamelyikére vetültek), akkor a D1-es és D2-es ernyőn történő idler-észlelések esetében D0 ernyőn interferencia-képet kapunk (hiszen ha D1-ben vagy D2-ben észleltük a foton-pár ikertestvérét, akkor ebből nem tudtuk meg az útvonal-információt), míg a D3 és D4-es ernyőn történő idler-észlelések esetén összeomlott interferencia-képet kell hogy lássunk (hullámzó csíkok nélkül, hiszen "megtudtuk" az eredeti foton útját, így az elvesztette hullámfüggvényének szabadságát). Erre számítunk tehát, ez a matematikai predikció.
Szemléletesen -
És pontosan ez történik. Nem is ez az igazán érdekes ebben a kísérletben, és nem is ezért építették meg ezt a bonyolultnak tűnő apparátust. Van egy rejtett, direkt trükk, amit elsőre talán nem vettünk észre, pedig szándékosan alakították így ki az elrendezést a kutatók.
Ami igazán figyelemre méltó, és lenyűgöző is egyben, hogy a szignál, és az őket másoló ("idler") ikertestvéreik optikailag nem azonos hosszúságú utat kell, hogy megtegyenek, mielőtt a detektor-ernyőiket elérik. Sőt - a "szignál" fotonok, amelyek a D0 (vizsgált) detektor-ernyőre vetülnek, sokkal előbb kell, hogy odaérjenek végcéljukhoz, mint az őket másoló, velük összefonódott ikertestvéreik, a másoló "idlerek".
Vagyis a szignál fotonok már réges-régen becsapódtak a D0 képernyőbe, amikor az idler-ek még el sem kezdték csapongó útjukat az alsó részben található tükrök labirintusában.
Most kell, hogy észrevegyük a látszólagos paradoxont - A D0 detektor-képernyőn kialakuló mintázat attól függ, hogy mi történik a másoló (idler) párokkal jóval később. Dehát a D0 ernyőn már megtörtént az észlelés! Hogyan befolyásolhatná egy későbbi esemény a D0 ernyőn már jól meghatározható helyen rögzített becsapódás pozícióját?
Ráadásul semmi sem akadályozza meg azt, hogy a kép alsó részén található teljes tükörrendszert a detektorokkal együtt nagyon-nagyon messzire (akár üvegszálas, optikai kábelen a Föld másik felére, a Holdra vagy a Marsra, vagy a világűr egy távoli pontjára) elvigyük. Az eredmény mégis ugyanaz lesz, és ez tényleg nem kevésbé elképesztő.
Úgy tűnik, hogy egy későbbi esemény befolyásolja azt, ami már korábban megtörténik - és ez, valljuk be, igencsak paradox és észbontó felismerés is egyben. Lehetséges ez? Mármint, azon kívül, hogy bizonyítottan megtörténik?
A válasz vélhetően az, hogy igen - már csak azért is mert a kísérlet megismételhető, és sokan meg is ismételték. A következtetés elkerülhetetlennek tűnik - ez az (észbontó) kísérlet a jövőbe (legalábbis a saját jövőjébe) lát.
Igaz, hogy csak néhány milliárdod másodperccel előre; és az is, hogy a jövőnek csak egy nagyon erősen behatárolható részébe tekinthet bele (a fénykúp hiperfelszínén zajló eseményekbe), de mégis, az elv megvalósul. És hogy miért nem ismerték ezt fel a döbbenetes tényt a tudósok, akik a kísérletet végezték? És miért nem lett ez azonnal világszenzáció?
Nos, a tudósok felismerték. Világszenzáció azért nem lett, mert a kísérletet végzők azt is bemutatták, hogy - legalábbis ebben az elrendezésben - a D0 ernyőn megjelenő, a jövőre vonatkozó információt az össze-vissza becsapódó fotonok kvantum-zajából csak akkor lehet kiszűrni, ha előbb kielemezzük az "egybeesési számláló" adatait, azt viszont csak utólag tehetjük meg. Másképp fogalmazva - az információ a jövőről megjelenik ugyan, de a kvantum-káosz megfejthetetlenül bonyolult mintázataiba rejtőzik előlünk.
Megjegyzés - A kísérlettel kapcsolatos félreértések többségét az okozza, hogy nagyon sokan úgy értelmezik a történteket, hogy a jövőbeli esemény (az idler fotonok jövője) visszamenőleg megváltoztatja a múltat (vagyis a D0 ernyőn már megtörtént és rögzített szignál fotonok becsapódás helyét). Rendkívül fontos még egyszer kihangsúlyoznunk, hogy nem ez történik. A jövő nem megváltoztatja, hanem a jelennel együtt befolyásolja és alakítja ki hogy mi történhet a D0 ernyőn és a másoló (idler) fotonnal, amelyek egymás ikerpárjaiként kényszerkapcsolatban vannak; téren és időn át, a dimenzionális távolságoktól teljesen függetlenül. Talán csak annyit kell finomítanunk az értelmezésen, mint amennyit a Wheeler-féle intergalaktikus késleltetett kvantumradír-kísérletnél is tettünk; Ahelyett, hogy kijelentenénk, hogy a jövő okozza a múltat (amit paradox retrokauzalitásnak is hihetnénk), inkább úgy fogalmazunk, hogy a jelenből éppúgy következik a jövő, mint fordítva; implikáció helyett ekvivalenciával állunk szemben.
Ez tehát nem paradoxon, mégis egy rendkívüli következményekkel járó felismerés, melynek világképükre gyakorolt hatása ma még szinte fel sem mérhető. Mindazonáltal szinte határtalan lehetőségekkel kecsegtet a távérzékelés, és a fénysebességnél gyorsabb kommunikáció megvalósítása terén. Mindezekre építve a következő, saját kísérleteket javasoljuk nemzetközi megjelenésre szánt, angol nyelvű cikkünkben is. A lényeget természetesen (képletektől, bonyolult kvantumfizikai hivatkozásoktól és rövidítésektől menetesen) magyarul is összefoglaljuk érdeklődő olvasóink számára. (Az ábrákat csak angolul készítettük el, így azokat külön feliratozzuk a képek alatt)
Figyelem! Most elhagyjuk a kísérleti fizika biztonságos (már megismert) területét, és az elméleti fizika (vagy, ha valaki számára túl fantasztikusnak hangzanának ötleteink, akkor a sci-fi) területére merészkedünk, tetszés szerinti, egyéni értelmezéstől függően.
Mégis, amennyire csak lehetséges, a most következő - meglehetősen őrülten hangzó kísérletek és teóriák ismertetése (felvetése) során, megpróbálunk ragaszkodni a már megismert és megismételhető, bizonyíthatóan létező jelenségekhez (sőt, azokból vezetjük le képtelen javaslatainkat). Mindemellett megpróbáljuk megtartani az elméleti fizika egyik legfontosabb jellemzőjét, nevezetesen, hogy a kísérleteinkhez predikciókat is párosítunk - megpróbálván egyensúlyozni a tudomány és a fantasztikum, valamint a fizika, és a filozófia láthatóan egyre inkább összemosódó határvonalain.
Javasolt kísérlet 1. - Fénysebességnél gyorsabb szimplex információátvitel interferometrikus hullámfüggvény-összeomlás indukációval és vizsgálattal szimmetrikus, párkeltéses, késleltetett választásos kvantumradír segítségével
El kell, hogy ismerjük, az egyszerűsített elnevezés is kicsit ijesztően hangzik, de tulajdonképpen egyszerűbb, mint az előbbi elrendezés.
A kísérlet célja, hogy megpróbáljuk kivitelezni a "lehetetlent" - fénysebességnél gyorsabban információt továbbítani A pontból B pontba, két tudatos szemlélő (nevezzük őket Alíz-nak és Bob-nak) között, akik legyenek egymástól nagyon távol; a példa kedvéért a Földön és a Marson.
Normál esetben kb. 10 percig tartana, amíg a fény elérne a Földről a Marsra és fordítva; ugyanez igaz a rádióhullámokra is, és az Einstein-i relativitáselmélet szerint ennél gyorsabban elvileg is tejességgel lehetetlen kommunikálni.
Megjegyzés - Annak idején, amikor a párkeltés és a non-lokalitás jelenségét felfedezték és elkezdték tanulmányozni, természetesen az elsők között merült fel, hogy nem lehetne-e ezt felhasználni fénysebességnél gyorsabb kommunikációra. Hiszen a szétválasztott ikerpárok közötti kényszer-kapcsolat azonnali és mind térbeli, mind időbeli távolságtól teljesen független; és ha ez igaz, joggal reménykedhetnénk abban, hogy ezt "végtelenül gyors" információ-átvitelre is fel lehet használni.
Sok-sok kísérletet végeztek, ám mindegyik kudarccal zárult; méghozzá pont azért, mert bármelyik oldalon próbálták is megmérni az összekapcsolódott részecskepárok tulajdonságait, az eredményből nem derült ki semmi. Bár maga a helyi mérés mindig adott valamilyen eredményt (pl. 1-est vagy 0-át, ami lehetett spin, polarizáció, vagy bármilyen más komplementer tulajdonság terén), ebből nem lehetett eldönteni, hogy a másik oldal "akarta-e ezt" nekünk küldeni, vagy pont mi, a mérésünkkel tettük azt "ilyenné". Később, amikor (hagyományos kommunikáció útján) az eredményeket összevetették a két oldalon, akkor persze bizonyíthatóvá vált, hogy bármelyik fél is végezte el a mérést, mindig abban a pillanatban megváltozott a távoli részecske-ikertestvér állapota is (és valóban azonnal, fénysebességnél gyorsabban), de ehhez hagyományos úton össze kellett a mért eredményeket vetni. Még egyszerűbben fogalmazva - a távolbahatás végtelenül gyorsan megtörtént, de hiába, mert az információt ebből nem lehetett kihámozni. Pontosan ezt fejezi ki az egyik legnevezetesebb matematikai bizonyítás, az ún. Bell-féle egyenlőtlenség.
Mi ennek a "megkerülését" javasoljuk, kihasználva azt a tényt, hogy egy összefonódott fotonpárokat használó apparátusokban mindkét oldalon összeomlik a hullámfüggvény, ha kinyerjük a "melyik-út" információt, méghozzá térbeli és időbeli távolságtól függetlenül.
Vagyis, nem a részecskepárok tulajdonságaiból próbáljuk meg méréssel kitalálni, hogy mit akar nekünk küldeni a távoli fél, hanem éppen ellenkezőleg - a mérést éppen csak arra használjuk, hogy összeomlasszuk vele a hullámfüggvény interferenciáját a másik oldalon.
Az általunk javasolt kísérlet sematikus elrendezését az alábbi ábra szemlélteti -
Ebben az elrendezésben félúton a Föld és a Mars között helyezkedik el a jelforrás, ami az összefonódott részecskepárokat kelti egy kétrés-apparátus közbeiktatásával, majd a szignál és idler (másoló) párokat kvázi párhuzamos pályán a két távoli szemlélő (Alíz és Bob) felé küldi. Példánkban egyirányú kommunikációs csatornát alakítunk így ki, amelyben Bob elméletileg csak passzív szemlélő, Alíz viszont szabadon dönthet arról, hogy miként viselkedjen a hullámfüggvény mindkét oldalon.
Alíz tudja, amit mi is (mármint, hogy semmilyen információt nem fog tudni kinyerni ha detektálja a "melyik-rés" információt; mégis úgy építi meg adóberendezését, hogy az képes legyen erre a mérésre. Nem azért, hogy a mért eredményekből következtessen, hanem azért, hogy ha akarja, össze tudja omlasztani a hullámfüggvényt (és az interferencia-képet) Bob oldalán, aki ezt látja.
Így végső soron Alíz 1-bites információt tud küldeni Bobnak a következőképpen - Ha az elforgatható tükröket úgy állítja be, hogy a fotonpárok nála is interferáljanak, akkor Bob oldalán is interferálni fognak, és egyezményesen ez jelentheti például a 0-át. Ha viszont Alíz úgy állítja be az elforgatható tükröket, hogy minden egyes fotonpár útvonal-információját detektálni tudja, (sőt, ezt akár még meg is jeleníti saját maga számára, hogy tudatos szemlélőként ismerhesse azt minden egyes fotonnál), akkor az interferencia-képnek Bob oldalán is össze kell omlania egyetlen unalmas "fénykúppá". Ez jelentené az 1-es bit elküldését.
Fontos látnunk, hogy - bár az interferencia-kép kialakulása vagy összeomlása időt vesz igénybe - tekintve hogy csak több tíz, száz vagy ezer egyedi foton egymásutánisága alakítja ki az interferencia-képet (vagy nem), mégis - az ennek értelmezéséhez szükséges idő teljesen független a távolságtól.
Alíz és Bob lehetne akár egy másik naprendszerben, galaxisban vagy a világegyetem két peremén, milliárd fényévnyire, ez a távolság ebben az esetben teljesen lényegtelen.
A következtetésünk a következő - ha a fizikai törvényei működnek, és a világegyetem objektív realitás, akkor Alíznak képesnek kell lennie ezen a módon 1-bites információt (vagy 1-bites információs csomagok egymásutániságát, tehát gyakorlatilag bármit) fénysebességnél gyorsabban küldeni.
A kísérlet másik lehetséges kimenetele
Tegyük fel, hogy a nem túl távoli jövőben - akár 10-15 év múlva - képesek leszünk megépíteni ezt a kommunikációs kísérleti eszközt, de nem járunk sikerrel. Alíz hiába méri meg a foton-ikerpárok paramétereit, ezzel valamiért mégsem omlasztja össze Bob oldalán az interferencia-képet.
Nos, a negatív eredmény ezt jelenti, hogy nem tudunk fénysebességnél gyorsabban kommunikálni. Helyette viszont kísérleti bizonyítékot kapunk egy legalább ilyen furcsa és ijesztő felvetésre - hogy a világegyetem nem objektív valóság.
Ha a hullámfüggvény nem omlik össze Alíz megfigyeléseitől Bob oldalán, ez azt jelenti, hogy a hullámfüggvény összeomlása nem egy objektív, fizikai folyamat. Ilyen esetben azt kell, hogy feltételezzük, hogy maga a megfigyelő képes csak összeomlasztani a hullámfüggvényt, vagyis a megfigyelő szubjektív világegyeteme független a másik megfigyelőétől.
Ebből az következne (kísérletileg igazoltan!), hogy nincs objektív valóság.
Másképp - minden szemlélő a saját szubjektív világegyetemében él, amelyet saját maga, saját magának alakít ki, vagy él meg - és csak a saját megfigyeléseitől (esetleg hitétől) függ, hogy abban összeomlik-e egy hullámfüggvény, visszapattan-e egy labda a sarokról, leesik-e egy váza, lezuhan-e egy repülő, és hogy léteznek-e valójában tündérek, boszorkányok, szörnyek, lidércek és sárkányok.
Ez nyilván sokkólóan nagy ugrásnak és hirtelen váltásnak tűnik az elektronok, fotonok és egyéb, felfoghatatlanul kicsiny részecskék és a számunkra lényeges "megfoghatónak tűnő" világegyetem tárgyai és élőlényei között, de ha valaki jobban végiggondolja, nem az.
Ha a kvantumok szintjén szubjektív a világegyetem, akkor magasabb szinteken is az. Ilyen egyszerű, bármilyen döbbenetesen hangzik is mindez.
Ha viszont a hullámfüggvény összeomlik, amint Alíz elkezdi megfigyelni a "melyik-út" információt, akkor az objektív realitás értelmében "csupán" az Einsteini relativitáselmélet dől meg, és egyben képesek kell, hogy legyünk egy nagyon különleges távérzékelési eszköz létrehozására, amelyet "kvantum-radarnak" neveztünk el.
Javasolt kísérlet 2. - Kvantum-radar a jelen idejű hipertér síkjának és a jövő idejű fénykúp felszínének és 1-bites irányszkennelésére nemlokális, asszimetrikus, összefonódott részecskék interferencia-képének fluktuációs vizsgálatával
A vizuális megjelenítésben a függőleges tengely az időt, a vízszintes pedig a teret szimbolizálja; a jelen pillanat és a szemlélő térben elfoglalt helyzete az, ahol a múlt és a jövő kúpjainak csúcsai találkoznak. Mindez a fénysebességre, illetve arra az elvre épül, hogy a fénynél semmilyen hatás (információ, energia és anyag, de még a gravitáció sem) haladhat gyorsabban (a kúp fénysebességgel szélesedik a térben a jövő irányába, illetve ugyanúgy szűkül a múltból a jelen felé haladva).
Vagyis amikor kitekintünk például a világűrbe, akkor - minél távolabbi égitestet, csillagokat vagy galaxisokat nézünk - annál régebbi állapotukban láthatjuk csak őket (mivel a fénynek idő kell, hogy ideérjen hozzánk, a szemlélőhöz). Vagyis, a "tényleges" jelenben ezek a csillagrendszerek már vélhetően teljesen máshol vannak, és másmilyenek, mint amilyennek tűnnek; talán már nem is léteznek. De mi a téridőnek ezt a részét (a tényleges jelent) elvben nem láthatjuk, mivel kívül esnek a fénykúpon. Bár a távoli galaxisok esetében évmilliókról, vagy évmilliárdos "késleltetésről" van szó, bizonyos szempontból még érdekesebb belegondolni, hogy mindez közvetlen környezetünkre is igaz. A Napot például olyannak érzékeljük, amilyen 8 perccel ezelőtt volt; a Hold utolsó egy másodperce esik kívül a megfigyelhető téridőn; egy távoli lecsapó villámot pedig néhány ezred másodperccel később látunk felvillanni, mint ahogy az ténylegesen megtörténik. Ha tovább haladunk az egyre apróbb méretek felé, idővel eljuthatunk saját magunkig, és kiderül, hogy még egy kezünkben tartott üdítős poharat sem valós időben látunk, sőt - bármilyen ijesztőnek hangzik, eszerint még önmagunkat, saját öntudatunkat sem a jelenben érzékeljük.
A kvantum-radar, amelynek megépítése elvben már ma is lehetséges volna, talán képes lehetne bepillantani a jelen hipertér síkjába, sőt - valószínűségi hullámának feltételezett időbeli fluktuációival együtt - akár a jövő speciális, fénykúp felszínére eső részére is.
Megjegyzés - azzal kapcsolatban, hogy ezen, egyaránt fantasztikus lehetőségek közül melyik és milyen feltételek mellett valósulhatna meg, azt érdeklődő olvasóink nemzetközi megjelenésre szánt, angol nyelvű írásunkból tájékozódhatnak részletesebben.
A kvantum-radar megépítésekor tulajdonképpen kombináljuk a korábban ismertetett, fénysebességnél gyorsabb információ-átvitelre javasolt kommunikációs apparátust a késleltetett választásos kvantumradír-kísérlettel oly módon, hogy egyszerűen kivesszük belőle a "küldő" felet (tehát, aki eldönti, hogy interferálhatnak-e a szemlélő oldalán az összekapcsolódott ikerpárok), és a végtelenre fókuszált kvázi-párhuzamos valószínűségi hullámokat egyszerűen "szabadjára" engedjük a világűr tetszőlegesen kiválasztott tér-iránya felé.
Másképp fogalmazva, a késleltett választásos kvantumradír-kísérletből kivesszük a videóban ábrázolt apparátus teljes alsó részét, az összes prizmát, tükröt és detektort - így a berendezés másik végponja, illetve annak térbeli mélysége hirtelen általunk meghatározatlanná válik, pontosabban - a kvázi-párhuzamos fotonsugarakat eltérítő tükrökkel kilőjük a világűr mélységébe, a idő jövője felé, általunk tetszőlegesen kiválasztott térirányokban.
A kvantum-radar szemléletes, elvi vázlata a következőképpen ábrázolható -
De akkor ilyen esetben mi dönti el, hogy mit fogunk látni a helyi interferencia-ernyőn?
Amennyiben a valószínűségi hullám összeomlása objektív, fizikai folyamat, és a késleltetett választásos kvantumradír-kísérlet kiterjeszthető az egybeesési számláló nélkül, akkor a helyi interferencia-ernyőn kialakuló mintázat attól fog függeni, hogy milyen jellegű lesz majd az első kölcsönhatás a kiválasztott térirányban szabadon repülő részecske-ikerpárok és a világegyetem egy (tetszőlegesen távoli) objektuma között. Pontosabban, attól függ, hogy ez a kölcsönhatás olyan jellegű-e, hogy "eltörli", vagy elkülöníti és "felhasználja" (a további evolúció szempontjából elkülönítve) a melyik-rés információt.
Rendkívül fontos újra kiemelnünk, hogy az eredmény (tehát a távoli térbeli és /vagy időbeli távolságban bekövetkező kölcsönhatás) megfigyelése azonnali lehet (a céltárgy ilyen értelemben vett távolságától függetlenül).
Ha a késleltetett-választásos kvantumradír kísérletének elképesztő eredményeiből indulunk ki, akkor elképzelhető, hogy a hipertér teljes síkjának, és/vagy a fénykúp palástján értelmezett jövőnek ezt a részét már a jelenben megfigyelhetjük, és mégsem okozhatunk paradoxont. Miért? Azért, mert ha a foton valószínűségi hulláma a fénykúp palástja mentén halad, tehát hiába szerzünk tudomást a jövő kvantumállapotáról, (éppen a távolság miatt) már nem tehetünk semmit, hogy paradox módon megváltoztassuk azt. Ha pedig a hipertér jelen síkjából szerzünk információt, akkor nagyon elegáns módon hozzájárulunk ugyan annak evolúciójához, mégsem keletkezik paradaxon, csupán mert pont a mérésünkkel tettük, tehettük azt olyanná.
Végső soron úgy is fogalmazhatunk, hogy megfordultak a szerepek - a helyi interferencia-ernyőn azt láthatjuk, hogy a világegyetem kiválasztott térirányú része "megmér-e" minket; bármi is van abban az irányban, és bármilyen távol; azaz hogy a kölcsönhatás összeomlasztja, vagy szabadon hagyja létezni a helyileg megfigyelt valószínűségi hullámot.
Ezzel egy 1-bites információhoz juthatunk minden térirány jövőjének kvantumjellemzőiről, tehát készíthetünk egy tetszőleges felbontású "képet", ha minden térirányt végigpróbálunk. De hogy a kép pontosan mit mutat, mennyire lesz változatos, még nem tudhatjuk.
Még egyszerűbben, létrehozhatjuk a jövő fénykúpjának hiperpalástján megjelenő, és/vagy a hipertér síkjának optikailag elérhetetlen kvantumállapot-térképét - most, a jelenben.
Javasolt kísérlet 3. - Multidimenzionális valószínűségi hiperhullámok teóriája
Sőt, még az is lehetséges, hogy egy (még el nem nevezett konstans) segítségével összefüggést lehetne kimutatni a térdimenziók, és az idő dimenziójának mérésére használt mértékegységeink között (hiszen az interferenciakép változása a rések távolságának függvényében könnyedén vizsgálható; ha az interferenciakép tényleg változik az emissziós idők függvényében is, akkor például a méter, és a másodperc hipertérben értelmezett relációját is ki lehetne mutatni).
A felvetett elméletet "Multidimenzionális hiperhullám-elméletnek" neveztük el, utalva arra, hogy a részecskék vagy fotonok valószínűségi hullámai (amelyeket a szekvenciális kétrés-kísérletekben egymás után, függetlenül lőnek ki az interferencia-ernyő felé), nem csak a tér, hanem az idő dimenziójában (sőt, talán magasabb dimenziókban) is képesek egymással kölcsönhatásba lépni, mielőtt a megfigyelő jelenébe visszatérve manifesztálódnának.
Ez az egyetlen felvetésünk a három javasolt kísérlet közül, amelyet már most is el lehetne végezni itt, a Földön (egy jól felszerelt kvantum-optikai laborban).
További ínyencségek
Nemzetközi megjelenésre szánt, angol nyelvű cikkünkben a következő, nem kevésbé lebilincselően érdekes felvetésekkel élünk még a fentieken kívül -
- Feltesszük a kérdést, hogy mi történik, ha a kvantumradar a világűr, ill. a világegyetem egy olyan része felé irányul, amely annak ismert határáig nem tartalmaz olyan anyagot vagy energiát, amivel a pásztázó fotonsugár kölcsönhatásba léphet (feltételezzük, hogy az ellenkező irányból visszatér majd saját forrásához, amennyiben a tér az univerzum határán egy magasabb dimenzióban önmagába görbül)
- Megvizsgáljuk, hogy mi történne, ha a kvantumradar összefonódott részecske-párjainak pásztázó sugara fekete lyukba ütközne (feltételezzük, hogy annihilálódna a helyi fél-foton is, így sem összeomlott, sem tiszta interferencia-képet nem kapnánk, így a kvantum-radarral előre tudnánk jelezni egy fekete lyuk útját, mielőtt az belépne a téridő fénykúp által optikailag megismerhető részébe)
- Megvizsgáljuk annak a lehetőségét, hogy mi történik egy ilyen szimmetrikus, szuperlumináris kommunikációs kísérletben, ha a BBO kristálynál bekövetkező PDC konverzió és a keletkező összefonódott fotonpárok optikai szeparációja csupán illúzió, pontosabban, nem a foton válik ketté, hanem a foton haladási útjába eső téridő önmaga; feltételezzük, hogy ebben az esetben a szuperlumináris kommunikáció még mindig létrejöhetne, ám végtelen sebesség helyett "csupán" kétszeres fénysebességű lehetne maximum, viszont a 3-dimenziós teret egy magasabb dimenzióban kellene szétválasztani, és ez komoly implikációkkal járna nagy általánosságban is a téridő szerkezetének egészére nézve; - Megvizsgáljuk a szuperdeterminizmus kérdését és helyette a szuper-összefonódás elméletét javasoljuk (Felvetjük, hogy esetleg nincs is elvi különbség egy kommunikációs folyamat során az információt küldő és azt fogadó fél között (vagyis pl. Alíz pontosan azt küldi Bobnak, amire Bob tudatosan vagy tudat alatt számít, és amit kettőjük tudatának szuperpozíciója alakít ki))
- Végül visszatérünk a kvantumfizika egyik alaptézisének számító "véletlen" fogalmához, és felvetjük, hogy ami véletlennek tűnik, nem csak, hogy lehet egy magasabb dimenziószámú térben történő eseménynek a 3-dimenziós vetülete, de akár egy korábbi, számunkra ismeretlen (természetes) forrású részecske-összefonódás következménye, amelyben a távoli, ismeretlen helyen és időben tartózkodó ikerpárral történik valami, és ez okozza a látszólag véletlenszerű, helyi eseményt;
Legvégül, levonjuk a konklúziókat a szükséges kutatási irányvonalakkal kapcsolatban, hiszen az általunk javasolt kísérletek mindegyike akár már most is, vagy legkésőbb az elkövetkezendő 10-15 éven belül elvégezhető lesz.
Zárszó
Cikkünk mintegy másfél évnyi előkészület után lát napvilágot, amely alatt több ezer oldalnyi tanulmány, kísérlet, elemzés és értelmezés áttekintésére volt lehetőség egyaránt - főleg annak fényében, hogy saját kísérleti javaslatokat is tettünk egy igencsak szokatlan kommunikációs és távérzékelési eszköz létrehozására, amely - mellesleg - homlokegyenest szembemegy az Einsteini relativitáselmélet legalapvetőbb axiómáival.
Ehhez nagy merészség kell, aminek tükrében talán még furcsábban hathat, hogy cikkünk szerzője egyáltalán nem állítja, hogy értené a kvantumfizikát. Azt viszont igen, hogy senki más sem - "If you think you understand Quantum Physics [...] you've clearly missed something" (Aki azt gondolja, érti a kvantumfizikát [...], annak valami nyilván elkerülte a figyelmét) - mondta a tudományág hajnalán, sőt, még fénykorában is R. Feynman, a legkiválóbb elmék egyike.
(C) 2009-2010.12.11.
Budapest-Amszterdam,
Nagy Gergely
Időkép.hu
Friss cikkeink, kapcsolódó információk és videók a témában -
Kvantum-radar 2013 | Sikeres fotonhasítás (2012) | Kvantum-radar (2010, eredeti)
