Kas nutinka susitikus mūsų dviems didingiausioms tikrovę atspindinčioms teorijoms? Greitai kvantų teorija ir reliatyvumas santykius aiškinsis virš mūsų galvų
Jų susitikimo vieta bus beveik tuščia erdvė už keleto šimtų kilometrų nuo mūsų planetos paviršiaus. Čia Žemės trauka pernelyg silpna, kad išlaikytų atmosferos dujas, bet absoliuti kosmoso tuštuma dar nevisai prasidėjusi. Čia žymi žmogaus veikla. Čia linguoja, blyksi, stebi, nurodo, bendrauja palydovai.
Šie palydovai taip pat yra susitikimo vieta. Giliai jutiklių ir elektroninių grandinių viduje, elektronai ir fotonai šoka pagal gamtos veikimą atspindinčios, fundamentaliausios mūsų teorijos, kvantų teorijos taktą. Jos neužtikrintumai ir nedelsianti sąveika neprilygstamai apibūdina mažiausių mastelių materiją. Bet, norėdami numatyti, kaip judės pats palydovas – ar bet koks didelis kūnas, nuo krentančio obuolio iki žvaigždžių, galaktikų ir pačios visatos – turime pasitelkti visiškai kitą matematinę konstrukciją: tvirtas, erdvę lankstančias, Einšteino gravitacijos teorijos, bendrojo reliatyvumo lygtis.
Šios dvi teorijos visai nesutaria. Iš tiesų, jos fundamentaliai antagonistiškos. Tad, kas nutinka, kai viena įžengia į kitos teritoriją? Norint tai išsiaiškinti, tėra vienas būdas. Turime vykdyti kvantinius eksperimentus reliatyvumo valdose – pakraščio zonoje aukštai virš mūsų galvų.
Tai, kad neradome plyšių kvantų teorijos ar reliatyvumo šarvuose, nereiškia, kad ieškome jų tik vardan paties ieškojimo. Erdvės išlinkimo efektai, sukeliantys nukrypimus nuo Niutono gravitacijos teorijos pasidaro akivaizdūs tik labai dideliu masteliu, bet mūsų pasyvus tolimų planetų, žvaigždžių ir galaktikų stebėjimas dar nepateikė nieko, kas nederėtų su Einšteino idėjomis. Čia, Žemėje, galime tiesiogiai tirti kvantų teorijos keistumus su tokiu pačiu rezultatu – kas Einšteinui labai nepatiko.
Imkime eksperimentus, atliktus per pastaruosius keletą metų Antono Zeilingerio ir komandos iš Vienos universiteto Austrijoje, siunčiant šviesos fotonus dideliais atstumais Kanarų salose. Kvantų teorijoje, dalelės, kaip, pavyzdžiui, fotonai, egzistuoja, kaip bangos funkcijos, tikimybinės esybės, apibūdinamos buvimo visose įmanomose kvantinėse būsenose tuo pačiu metu, tikimybėmis. Tačiau išmatuotos jos „kolapsuoja“ į apibrėžtą būseną. Negana to, vadinamasis susietumo efektas leidžia suporuoti dviejų ar daugiau dalelių likimus. Išmatuodami vienos dalelės būseną, kolapsuojate ir kitos dalelės bangos funkciją, atrodo, iš karto, kaip jos toli viena nuo kitos bebūtų.
Einšteinui šis „paslaptingas poveikis per atstumą“ nebuvo priimtinas, jis linko manyti, kad yra kažkokia paslėpta fizinė įtaka, susiejanti šiuos matavimus. Tačiau, tamsiomis ramiomis naktimis pasiųsdami vieną iš susietųjų fotonų už 144 kilometrų, tarp La Palma ir Tenerife salų, Zeilingeris su komanda stebėjo tik koreliuotą fotonų padėčių kolapsą, kaip kvantų teorija ir numatė (New Scientist, 2011, vasario 26 d., p 36).
Tokie triukai jau panaudojami ir praktiškai. Smalsuoliai negali perimti informacijos, užkoduotos susietų fotonų kvantinėmis būsenomis, nes tada jos kolapsuoja, taip atskleisdamas perėmimą. Fotonų poliarizacijos būsenomis užkoduoti kriptografiniai raktai dabar naudojami koduoti ir dekoduoti žinutes nedideliuose optinių kabelių tinkluose, įrengtuose vyriausybinių organizacijų, tyrimų laboratorijų ir komercinių kompanijų visame pasaulyje.
Tačiau toks būdas turi savo ribas. Maždaug per šimtą kilometrų ar panašiai, absorbcija optiniuose kabeliuose sutrikdo bet kokią juo siunčiamą kvantinę informaciją, tad nelieka naudos. Ne taip, kaip klasikinės informacijos atveju, nežinome kaip galėtume pakeliui patikimai sustiprinti kvantinius signalus. Jei norime džiaugtis saugia pasauline kvantine komunikacija, turėsime siųsti signalus palydovu.
Tai suteikia praktinę pusę labai fundamentaliam klausimui. „Matėme susietumo veikimą makroskopiniais atstumais, bet ar jis veiks amžinai?“ klausia Giovanni Amelino-Camelia, teoretikas iš Sapienza universiteto Romoje. Ir yra pagrindo manyti, kad dangus išties gali būti riba.
Nesutariantys laikrodžiai
Susietumas, kokį jį žinome Žemėje, remiasi kvantų teorijos prielaida, kad erdvė ir laikas sudaro bejausmį, nekintantį foną, kuriame tiesiog vyksta įvykiai, pavyzdžiui, matavimas. Atlikus matavimą vienoje vietoje ir užfiksavus efektą kitoje, galima gana užtikrintai teigti, kad vienas padarė įtaką kitam. Bet reliatyvume erdvė ir laikas yra, na, reliatyvūs. Greitai vienas kito atžvilgiu judantiems objektams laikas tiksės lėčiau, o erdvė judėjimo kryptimi susitrauks. Kuo arčiau objektas didelio gravitacijos šaltinio, tuo lėčiau eis laikrodis.
Ant Žemės paviršiaus tokie efektai nežymūs, bet signalui keliaujant iš palydovų ir iki jų, GPS sistemos nuolat atlieka korekcijas. Ir tai gali reikšti, kad, pavyzdžiui, įvykių seka kvantiniame eksperimente nebėra tokia aiški. Kaip reliatyvistiniai efektai keičia tokius dalykus, kaip susietumas, jei keičia iš viso?
Tai ne pirmas kartas, kai keliamas toks klausimas, bet ankstesni bandymai jį atsakyti kėlė sumišimą. Zeilingeris diskutavo su Europos kosmoso agentūra (ESA) nuo 2002 apie susietų fotonų šaltinio nugabenimą į Tarptautinę kosminę stotį, kad jis galėtų leisti juos žemyn į Žemėje esančius detektorius. „Jų atsakymas nebuvo ne, tačiau kol kas ne,“ sako jis. Pasiūlymas 2010 metais surengti kvantinį susietumą tarp mikropalydovo, paleisto į žemą orbitą Kanados kosmoso agentūros buvo atmestas, nors „galimybė atlikti fundamentalius mokslinius tyrimus palydovu išlieka“, sako vienas iš tuo užsiimančių mokslininkų, Davidas Rideoutas iš Kalifornijos universiteto San Diege. Pernai NASA suorganizavo konferenciją, skirtą apjungti kosmoso mokslininkų ir kvantų fizikų pastangas ir sklando „gandai“, kad agentūra linkusi finansuoti eksperimentą, sako Zeilingeris – bet nieko daugiau negirdėti.
Palydovo padėtis
Pasveikinkite naują raumeningą kosminių reikalų žaidėją: Kiniją. Buvęs Zeilingerio studentas, Jian-Wei Panas iš Kinijos Mokslo ir technologijos universiteto Hefei mieste, dabar vadovauja komandai, kuriančiai Kvantų mokslo palydovą, pirmąjį pasaulyje šiam tikslui skirtą kosminį zondą. Planuojamas paleisti 2016-aisiais, jis skries heliosinchronine orbita: kasdien tuo pačiu metu praskries virš Žemės 600 kilometrų aukštyje.
Zeilingeris taip pat dalyvauja projekte. Pirmiausia bus stengiamasi pasidalinti kriptografiniu raktu per palydovą tarp Kinijos Mokslų akademijos Pekine ir Zeilingerio instituto Vienoje. Tai bus panaudota saugaus tarpkontinentinio tarpusavio telefono skambučio dešifravimui – jei reikalai klosis gerai. „Spaudimas auga, turime įveikti dar daug iššūkių,“ sako Yuao Chen iš Kinijos komandos. Susidūrimai su oro molekulėmis, trikdančiomis fotonų srautus, turėtų būti menkesnė problema, nei Kanarų salų eksperimente: kildami ir leisdamiesi, fotonai trumpiau skrieja tankiausiais atmosferos sluoksniais. Tačiau netgi tada tikimasi, kad jutiklius pasieks vos viena susieta dalelė iš milijono.
Tikroji problema ta, kad antžeminėms Kinijos ir Europos stotims palydovas matysis tik kelias minutes, skriedamas 8 kilometrų per sekundę greičiu. Reikės tiksliai nutaikyti lazerio spindulius į praskrendantį palydovą. Panas ir jo komanda planavo panaudoti karšto oro balioną vibracijų, atsitiktinių judesių ir kosminės platformos aukščio pokyčių simuliavimui, ir važiuojantį sunkvežimiuką su besisukančiu disku greito palydovo praskridimo modeliavimui (arxiv.org/abs/1210.7556).
Kinijos komanda taip pat aiškinasi ar įmanoma pagaminti detektorius, galinčius užfiksuoti susietus fotonus dieną – lemtingas žingsnis pasaulinio saugaus kvantinio komunikacijų tinklo kūrimui. „Mane jaudina tai, kad po tiek fundamentalių tyrimų metų artėjame prie įgyvendinimo,“ sako Zeilingeris. „Tai visiškai naujas žaidimas.“
Žaidimas, kurio taisyklės gali būti visai nežinomos. „Nesitikime, kad susietumas nutrūks,“ dėsto Zeilingeris. Tačiau bent jau galime tikėtis kirbančių klausimų. Paleidus porą susietų fotonų į du palydovus, greitai skriejančius priešpriešinėmis kryptimis ir išmatavus juos nuo Žemės, kiekvienam iš palydovų kito išmatavimas atrodys nutikęs anksčiau.
Tad, kuris matavimas privertė bangos funkciją kolapsuoti?
Tikimasi, kad išmatavę išsiaiškinsime ir giliau suprasime painius kvantinio pasaulio priežasties, pasekmės ir tikrovės klausimus. Ar bangos funkcija tikras objektas, ir jos kolapsas erdvėje ir laike vykstantis procesas? O gal tai tik matematinis supaprastinimas atitinkantis mūsų turimas žinias apie kvantines sistemas, o tikrasis veiksmas vyksta mums dar nepasiekiamame lygyje? Einšteinui buvo linkęs pritarti antrajam požiūriui, įžiebdamas iki šių dienų besitęsiančius debatus. „Tebevyksta kontroversijos, kaip apjungti bangos funkcijos kolapsą su mums įprastu tikrovės ir priežastingumo supratimu,“ pažymi Rideoutas.
Kiti nėra tokie tikri, kad susietumas kažkuriuo momentu nenutrūks. Vasarį paskelbti Timo Ralpho ir kolegų iš Kvinslando universiteto Brisbane'e, Australijoje skaičiavimai rodo, kad tam gali pakakti kelių šimtų femtosekundžių (fs, 10-15s) reliatyvistinio laiko pokyčio dėl vieno iš susietų fotonų poros pasiuntimo nuo žemės vos 200 – 300 kilometrų aukštyn į palydovą. Bet apskaičiuotasis poveikis pasireiškia tik trumpesniems, nei 100 fs, griežtai apibrėžtiems fotonų impulsams. Tai neturėtų kelti problemų pradiniam eksperimentui, naudosiančiam nuolatinį spindulį, tačiau to pamiršti nederėtų (Physical Review Letters, vol 110, p 060501).
Šiam bandymui Ivette Fuentes, kvantų teoretikė iš Nottinghamo universiteto JK su kolegomis pasiūlė analizuoti susietumą tarp Bose-Einšteino kondensatų. Šie dideli atomų rinkiniai, atvėsinti iki artimos absoliučiam nuliui temperatūros, elgiasi kaip viena kvantų sistema. Siūloma laikyti susietus kondensatus dviejuose atskiruose palydovuose, o tada pakeisti vieno iš jų orbitą. Skaičiavimai rodo, kad pagreitėjimas, reikalingas orbitos spindulio pokyčiui vos per 400 metrų, sutrikdytų kondensatą pakankamai, kad susietumas smarkiai sumažėtų. Įprastinis palydovo manevras pakeičia orbitos spindulį 60 kilometrų – to pakaktų visiškam informacijos sutrikdymui ateities kvantiniame tinkle (Physical Review D, vol 85, p 061701).
„Iš teorinio požiūrio taško parodėme, kad efektas yra, tačiau turime tai patvirtinti eksperimentu,“ sako Fuentes. O norint patikrinti kosmoso efektus, reikia ten pasikelti: Žemėje esame apriboti eksperimentais „mėtymo bokštuose“, kur kondensatai krenta daugiausiai 100 metrų ar panašiai.
Susietumas – ne vienintelis kvantinis reiškinys, kurį reikia kruopščiai patikrinti reliatyvumo valdose. Eksperimentai su interferometru Žemėje, kai atskiri fotonai pasiunčiami dviem vienodo ilgio keliais, o tada sujungiami kitame gale, regis, patvirtino, kad kvantiniai objektai gali būti dvejose vietose tuo pačiu metu. Kosmose reikėtų pakartoti eksperimentą su dviem skirtingais keliais, kai vienas spindulys eitų į pirmąjį palydovą ir tada į antrąjį, o antras – iš pradžių netoli Žemės paviršiaus ir tada aukštyn prie antrojo palydovo. Du fotonai nueitų identišką kelią, skirtųsi tik vidutinis gravitacijos stiprumas jų kelyje. Kas tada nutiktų?
Ilgai siektas prizas
Nežinome, tačiau būtent tai yra svarbu, sako Ralphas. „Gali nutikti kas nors netikėto. Labai svarbu daryti tokius eksperimentus, kad būtų galima įsitikinti, jog jie išties vyksta taip, kaip tikimasi.“ Jis diskutavo su tyrėjais iš Europos ir Kanados kosminių agentūrų, kaip toks eksperimentas galėtų būti įgyvendintas.
Be ateities kvantinės informacijos palydovų tinklų galimybės, nukrypimai nuo kvantų teorijos ar reliatyvumo teorijos prognozių galėtų suteikti ilgai ieškotą prizą: pirmąjį dvelksmą didingesnės teorijos, galinčios patraukti į šalį jų skirtumus ir suvienyti. Teoretikams netrūksta didingesnė konstrukcijos pasiūlymų, pavyzdžiui, stygų teorija, bet ilgai manyta, kad jų patikrinimas yra už mūsų technologinių galimybių ribų. „Kvantinės gravitacijos tyrimas buvo atviras visiems, geriausios teorijos nustatomos rankos pakėlimu,“ sako Amelino-Camelia.
Dešimtojo dešimtmečio gale jis buvo vienas iš pirmųjų, nurodžiusių efektą, kurį galėtų apčiuopti labai didelis kvantinis eksperimentas kosmose. Atstumais, mažesniais, nei maždaug 10– 35 metro, Plancko atstumų masteliu, daugelis kvantinės gravitacijos teorijų numato, kad erdvėlaikis nebėra tolygus kontinuumas, kaip nurodo Einšteino reliatyvumas. Šis netolygumas gali turėti lėtą kumuliatyvinį poveikį fotonų poliarizacijai, atsitiktinai juos šiek tiek nukreipiantį.
Jei pasitvirtins optimistiškiausi modeliai, galėtume išvysti efektą, paleisdami poliarizuotus fotonus į žemoje Žemės orbitoje skriejantį palydovą. Blogiausiu atveju jutiklį tektų padėti už milijardų šviesmečių. „Turime būti apgalvotai pesimistiški: dabar tiesiog vos praveriame langą; viskas pavyks tik jei lydės sėkmė,“ sako Amelino-Camelia. Tačiau netgi neigiamas rezultatas būtų reikšmingas, leidžiantis pradėti atmetinėti teorijas, numatančias didesnius, nors ir mažus, efektus.
Bet galimybė, kad vienas iš šių eksperimentų pateiks anomalių efektų įrodymus, suteikia visą reikiamą motyvaciją atlikti kvantinius bandymus reliatyvumo valdose aukštai virš mūsų galvų. „Jei gausime teigiamą atsakymą, fizikos istorijoje tai skambės amžinai.“
