Upam, da imate redno zaposlitev, je bilo eno prvih vprašanj, ki jih je britanski fizik John Bell zastavil mlademu francoskemu kolegu Alainu Aspectu (na sliki levo), ko ga je obiskal v laboratorijih Cern pri Ženevi. Aspect si je namreč zadal nalogo, da bo za svoj doktorat eksperimentalno preveril enačbo, ki sega v samo jedro kvantne fizike, sredi šestdesetih let dvajsetega stoletja pa jo je teoretično izpeljal prav Bell.

Nespodobne raziskave

V začetku osemdesetih let, ko se je Aspect pripravljal, da bo izvedel svoj danes zelo slaven eksperiment, je med fiziki še vedno veljalo prepričanje, da vprašanja razumevanja oziroma interpretacije dejanskega dogajanja v svetu atomskih delcev niso na ravni tega, s čimer naj bi se ukvarjal pravi znanstvenik. Ker se je večina strokovnjakov strinjala, da eksperimentalno ni več mogoče pomembno napredovati pri razumevanju obnašanja kvantnih delcev, so to problematiko porinili na stran in jo razglasili za “filozofijo”. Razširilo se je nekakšno pragmatično prepričanje, da je razumevanje kvantne fizike sicer zelo težavno, a po nekaj letih dela v laboratoriju se preprosto navadiš, da pripravljaš valove in meriš delce.

Ko fiziki nekaj razglasijo za “filozofijo”, se s tem problemom vsaj v okviru rednega službenega dela na inštitutu ni varno ukvarjati, saj si lahko ogrozite kariero. Bell je to dobro vedel, saj je sam podnevi opravljal delo “običajnega” teoretičnega fizika v centru za raziskave osnovnih delcev Cern, ponoči pa se je ljubiteljsko ukvarjal s problemi temeljev kvantne fizike.

K sreči je imel Alain Aspect takrat že zaposlitev za nedoločen čas, tako da ni bilo bojazni, da bi pristal na cesti, izobčen iz srenje “pravih” znanstvenikov. Vseeno pa je tvegal, da ga bodo ob morebitnem neuspehu eksperimenta kolegi zasmehovali.

Kako obrobna so se nekoč fizikom zdela vprašanja o temeljih kvantne fizike, priča tudi dejstvo, da je Bell svoj prelomni članek, v katerem je predstavil možnost, kako bi lahko eksperimentalno preverili, ali je kvantna fizika res “bolj čudaška”, kot je domneval Einstein, objavil v zelo obskurni reviji, ki je izšla vsega štirikrat. V njem je pokazal, da če vzamemo zares Einsteinove predpostavke, kaj naj bi vse veljalo za svet atomov, da bi ga lahko pripoznali za resničnega, potem morajo opazovanja posebej pripravljenih parov kvantnih delcev zadovoljiti enačbo, ki se je je prijelo ime Bellova neenakost.

Bellov članek ob objavi ni vzbudil pretiranega zanimanja med fiziki. Deloma tudi zato, ker je bil tehnično zahteven za razumevanje, tako da je preteklo kar nekaj časa, preden so ga dojeli drugi znanstveniki, ki so se prav tako ljubiteljsko ukvarjali s temelji kvantne fizike. Majhna skupina ameriških fizikov je sčasoma predlagala konkretno zastavitev eksperimenta, s katerim bi preverili veljavnost Bellove neenačbe. Težava pa je bila, da je bilo takšen eksperiment zelo težko izvesti. Še težje pa je bilo zadostiti strogim pogojem, ki bi o veljavnosti rezultatov eksperimenta prepričali tudi največje skeptike.

Američani so v sedemdesetih letih izvedli nekaj poskusov, s katerimi so preverjali veljavnost Bellove neenakosti, a ti niso bili dovolj strogo zastavljeni, da bi resnično pomenili preboj v razumevanju kvantnega sveta. Šele mladi Aspect je v Parizu sestavil dovolj natančno napravo, da je končno večina fizikov sprejela rezultate, in od tedaj naprej velja, da je Bellova neenakost kršena oziroma da Einstein ni imel prav, ko je vztrajal pri trditvi, da do skrivnostnega trenutnega usklajevanja na daljavo med kvantnimi delci ne more priti.

Skrivnostni svet kvantov

Bellova neenačba, ki je postala temelj za eksperimentalno preverjanje tega, ali je kvantni svet res tako “čudaški” ali pa samo še ne vemo dovolj o njegovi naravi, je temeljila na nekakšni posplošitvi Einsteinovega zadnjega ugovora glede popolnosti kvantne fizike, ki ga je s kolegoma Borisom Podolskym in Nathanom Rosenom objavil leta 1935. V tem članku je obravnaval miselni eksperiment, v katerem nastopata dva delca, ki nastaneta pri kvantnem procesu in za katera kvantna teorija napove, da imata povezane lastnosti. Za lažjo predstavo delca spremenimo v dva možička in povejmo, da kvantna fizika določa, da če izmerimo, da prvi možiček stoji na nogah, mora drugi obvezno stati na glavi. Velja pravilo, da eden stoji na glavi in drugi na nogah, nikakor pa ne oba na glavi ali oba na nogah.

Ker takšna delca letita daleč stran v nasprotne strani od kraja, kjer sta nastala, lahko njuno stanje izmerimo tudi, že ko sta več kilometrov narazen. Einsteina je pri tem najbolj motilo določilo kvantne mehanike, ki pravi, da se šele v trenutku meritve za posamezni delec določi, ali stoji na glavi ali na nogah. Pred meritvijo po določilih kvantne fizike oba delca opisuje skupna valovna funkcija, ki določa le, da oba ne moreta stati na glavi ali na nogah. Ker je eno od osnovnih določil Einsteinove teorije relativnosti, da informacija ne more potovati hitreje od svetlobne hitrosti, je Einstein sklepal, da mora biti s takšnim opisom situacije, kot ga podaja kvantna fizika, nekaj narobe. Po klasični kvantni interpretaciji bi se namreč, ko bi izmerili, da prvi delec stoji na glavi, informacija v trenutku prenesla na drugi delec, tudi če bi bil ta svetlobna leta daleč.

Žal pa v Einsteinovem času nihče ni poznal načina, kako bi lahko takšne pojave tudi eksperimentalno preverili. Zato je preteklo kar nekaj let, preden je John Bell prišel do ugotovitve, kako bi z analizo velikega števila zaporednih meritev tako pripravljenih parov delcev ugotovili, ali se informacija res prenese v trenutku ali pa je morda zadaj kak nam nepoznan mehanizem, ki ga moramo še odkriti, kot je domneval Einstein.

Aspect se je pri postavitvi eksperimenta zelo trudil, da bi se ustrezno spopadel tudi s standardnim ugovorom, po katerem naj bi se oba delca že ob nastanku domenila, kdo stoji na glavi in kdo na nogah. To je storil tako, da je smer, v kateri bo meril stanje posameznega delca, določal sproti in povsem naključno. Prav tako je smer menjal tako hitro, da je bila ta na mestu meritve že drugačna kot v trenutku, ko sta se delca odpravila na pot.

Ker je izvedel svoje eksperimente res zelo skrbno, so fiziki ob predstavitvi rezultatov dokončno spoznali, da je kvantni svet nelokalen, kar strokovno pomeni, da se prepleteni kvantni delci, ki nastanejo v določenih procesih, lahko nekako uskladijo v trenutku in na velike razdalje.

Eksperiment prepričal tudi Feynmana

Leta 1984 je Alain Aspect rezultate svojih eksperimentov predstavil na fizikalnem seminarju Kalifornijskega inštituta za tehnologijo (Caltech). Med poslušalci je bil tudi zelo slaven ameriški fizik Richard Feynman, ki je dobil Nobelovo nagrado prav za svoja odkritja na področju kvantne fizike. Feynman je bil znan tudi po svojih izredno zanimivih predavanjih, na katerih je znal zelo nazorno predstaviti najbolj zapletene probleme moderne fizike. Prav tako je veljal za trdnega zagovornika stališča, po katerem je kvantna fizika sicer res čudna, a da s tem ni nič narobe.

John Clauser, ki se je prav tako veliko ukvarjal s poskusi eksperimentalnega preverjanja Bellove neenakosti, je nekoč potožil, da je svoje načrte poskušal predstaviti svojemu nekdanjemu profesorju Feynmanu, a ta sploh ni hotel poslušati, ampak ga je kar nagnal iz pisarne. Po seznanitvi z rezultati Aspectovih eksperimentov se je tudi Feynman omehčal in spoznal, da gre tudi na tem področju fizike za zanimivo in povsem legitimno raziskovanje, ki odpira povsem nove svetove in tudi možnosti za praktične aplikacije.

Danes veljajo Bell, Aspect in drugi fiziki, ki so od sredine šestdesetih let bolj na skrivaj raziskovali temelje kvantne fizike, za junake tako imenovane druge kvantne revolucije. Prav rezultati dela teh pionirjev novih pristopov k raziskovanju sveta atomskih delcev so danes temelj obsežnih raziskovalnih področij fizike, ki se ukvarjajo s področji kvantne informacije, kvantnega računalništva in eksperimentov s posameznimi kvantnimi delci.