Einstein tévedett: Isten mégis vethet kockát

Több mint százezer önkéntes vett részt abban a kísérletben, amely igazolja, hogy Einstein tévedett a világ természetével kapcsolatban: a kvantumfizika pont olyan bizarr, amilyennek látszik.

Másfél éve tartó elemzés után most jelentette meg a barcelonai Fotontudományi Intézet (ICFO) a Nature hasábjain annak a 2016. novemberi kísérletnek az eredményét, amelyben világszerte több mint 100 ezer önkéntes vett részt a saját maga által előállított véletlenszerű számok beküldésével, s amelynek célja a kvantumfizika egyik régóta kísértő kérdésének határozott megválaszolása volt.

A BIG Bell Test elnevezésű kísérlet már a sokadik volt azok sorában, amelyek a világ Einstein által favorizált felfogását, az ún. lokális realizmus elvét próbálták megkérdőjelezni. Ezúttal minden eddiginél meggyőzőbben sikerült bizonyítani, hogy Einstein, akinek a fizikai világkép gyökeres átalakítását, s nem kis részben a kvantumfizika felfedezését köszönhetjük, tévedett, amikor vonakodott levonni a saját és mások elméleti munkájából fakadó – és kétségkívül nagyon zavarba ejtő – következtetéseket.

A rejtélyes kvantum-összefonódás

A kvantumvilág természetének értelmezése körül zajló viták szinte egyidősek magával az elmélettel, és a kvantum-összefonódás jelenségén keresztül szemléltethetők legjobban.

A kvantum-összefonódás akkor áll elő, amikor részecskék oly módon keletkeznek vagy kölcsönhatnak egymással, hogy az egyes részecskék kvantumállapota nem írható le a többiekétől függetlenül.

Az összefonódott részecskék fizikai tulajdonságai – például a helyük, a lendületük, a spinjük vagy a polarizációjuk – nem független, hanem korrelációt mutat: ha például egy összefonódott részecskepárról tudjuk, hogy összesített spinjük zérus, akkor ha az egyik részecske spinjét adott tengely mentén jobbra forgónak találjuk egy mérésben, biztosak lehetünk benne, hogy a párjának spinje ugyanazon tengely mentén balra forgó.

A paradox helyzetet az eredményezi, hogy az egymással összefonódásban álló részecskék a mérés pillanatában tetszőleges távolságban lehetnek egymástól. A kvantumos részecskék egészen addig, amíg egy adott fizikai sajátságukat meg nem mértük, nem egy meghatározott állapotban tartózkodnak, hanem – az őket leíró hullámfüggvény szerint – többféle állapot valamiféle valószínűségi kombinációjában.

A mérés dönt

Az, hogy egy kvantumrészecskének jobbra vagy balra forgó spinje van, valójában csak a mérés pillanatában dől el. Ebből viszont az következik, hogy amikor a fenti példában az összefonódott részecskepár egyik tagjának megmérjük a spinjét, s ezzel belekényszerítjük a kétféle állapot valamelyikébe, a párja automatikusan az ellentétes állapotba kényszerül – akkor is, ha a két részecskét kilométerek választják el egymástól!

A mérés pillanatában – a fizikusok szóhasználatával élve – a hullámfüggvény összeomlik, és az összefonódott részecskék mindegyikéről határozott információt szerzünk; azokról is, amelyek távol vannak tőlünk.

Ez csak úgy lehetséges, ha az összefonódott részecskék között valamiféle instant információátadás történik; márpedig ehhez az információnak a fényénél nagyobb – konkrétan végtelenül nagy – sebességgel kell utaznia a részecskék között.

Isten nem vet kockát - vagy mégis?

Einstein pontosan látta, hogy a keze alatt születő kvantummechanika milyen bizarr folyományokat von magával, de elutasította az intuíciójával és világnézetével ellentétes következtetéseket. Híres megjegyzése szerint „Isten nem vet kockát!": meggyőződése volt, hogy a hullámfüggvény csak egy matematikai trükk, és a kvantumállapotok határozatlanságának látszata a mi korlátainkból adódik.

A fizikai realizmus elvét vallotta, miszerint a kvantumrészecskék fizikai állapota akkor is rögzített, amikor éppen nem mérjük, vagyis a valóság objektív és független a mi megfigyelésünktől.

E kérdés fölött sokéves vitába bocsátkozott Niels Bohrral, a kvantumfizika másik oszlopos figurájával, aki viszont azt a nézetet képviselte, hogy a hullámfüggvény maga a realitás, és a kvantumrészecskék ténylegesen többféle állapot szuperpozíciójában tartózkodnak egészen addig, míg rájuk nem nézünk.

Einstein szintén abszurdnak tartotta az információ instant közlekedését, hiszen az sértette a fénysebesség túlléphetetlenségének, tágabb értelemben a kauzalitásnak (az ok és okozat felcserélhetetlenségének) az elvét. Híres, Podolskyval és Rosennel együtt kiadott közleményében épp az általa „ijesztő távolhatásnak" (spooky action at a distance) nevezett azonnali információátadás abszurditásával érvelt a határozatlanság valódisága ellen. Einstein szerint bármely hatás csak lokálisan érvényesülhet, mivel egy esemény következményei legfeljebb a fény sebességével terjedhetnek tova. A két einsteini „anti-kvantumfizikai" elvet együttesen lokális realizmusként szokták emlegetni.

Bell-egyenlőtlenség

Ám a fizikusok nem filozófusok, ezért a vitás kérdéseket nem az íróasztal mellől, hanem mérésekkel szeretik eldönteni. 1964-ben John Stuart Bell, a CERN fizikusa a matematika egzakt nyelvére kódolta át Einsteinnek a lokalitással és realizmussal kapcsolatos jóslatait, s ezzel kísérletileg ellenőrizhetővé tette e predikciók helyességét.

A Bell-egyenlőtlenség néven híressé vált formula akkor és csak akkor teljesül, ha a lokális realizmus igaz, ezért ha egy mérés eredménye megsérti a Bell-egyenlőtlenséget, azzal elveti a lokális realizmus érvényességét.

A 70-es évek óta a Bell-teszt számos változatát elvégezték, s ezek mindig a kvantum-összefonódás jelenségére alapoztak. A Bell-tesztek legegyszerűbb verziójában előállítanak egy összefonódott részecskepárt, és a pár két tagját két, térben távoli mérőállomásra küldik. A két állomáson két független mérő (hagyományosan Alice és Bob) pontosan egyszerre elvégez egy előre meg nem határozott mérést, például a részecskék spinjére vonatkozóan. Ha a lokalitás igaz, a két mérés eredménye egymástól független lesz, hiszen Alice és Bob pont egyszerre mér, és a részecskepár tagjai nem „beszélhetik meg" zérus idő alatt, hogy összehangolják az eredményt. Ha viszont a részecskék csakugyan összefonódottak, és a hullámfüggvény összeomlása szimultán módon befolyásolja Alice és Bob mérési eredményét, a két eredmény szigorúan korreláltnak adódik, és a Bell-egyenlőtlenség sérül.

BIG Bell Test

Az első Bell-tesztek a technikai tökéletlenségek miatt még nehezen voltak értelmezhetők, de az 1980-as évek óta egyre szaporodtak a lokális realizmust megcáfolni látszó kísérletek. Azonban ezekkel szemben újabb kétségek és kifogások merültek fel, amelyek elsősorban az Alice és Bob által szimultán elvégzett mérések véletlenszerűségére irányultak.

A mérések közötti korrelációt az is magyarázhatja, ha a mért részecskék és a mérést meghatározó rendszer valamiképpen összefügg egymással – érveltek a kritikusok, akik szerint az einsteini lokális realizmus elvetéséhez a mérést valóban megjósolhatatlanná kell tenni. 2015-ben ezért egy nagy nemzetközi összefogás keretében véletlenszerű fizikai eseményeket használtak ahhoz, hogy megjósolhatatlan mérési paramétereket generáljanak,

2016-ban pedig elindították a BIG Bell Testet, ahol a megjósolhatatlanság forrásául nem gépeket vagy fizikai jelenségeket, hanem az emberi elme szabad akaratát választották.

A barcelonai Fotontudományi Intézet által koordinált kísérletben az önkéntes résztvevők a világ minden pontjáról bitek – nullák és egyesek – véletlenszerű sorozatait küldték be egy online videojátékon keresztül. E bitsorozatokat a szintén a világ számos pontján – Brisbane-ben, Sanghajban, Bécsben, Rómában, Münchenben, Zürichben, Nizzában, Barcelonában, Buenos Airesben, a chilei Concepciónban és a Colorado állambeli Boulderben – felállított mérőállomásokra irányították, ahol azokat fénypolarizálók és más laboratóriumi eszközök beállításához használták. Ezzel garantálták, hogy a kísérletben létrehozott összefonódott kvantumrészecskék semmiképpen nem befolyásolhatták a mérési beállításokat. A résztvevők több mint 90 millió véletlenszerű bitet állítottak elő, így nagyon nagy számú méréssel lehetett ellenőrizni a Bell-egyenlőtlenség fennállását vagy megsértését.

Kétféle mérés

A kísérlet során kétféle mérést végeztek.

Az egyikben egy magányos foton és egy több millió atomból álló, csapdába ejtett „felhő" közötti, míg a másikban egy szilárd fotonpárforrás által előállított két különböző színű foton közötti kvantum-összefonódást tanulmányozták.

Az eredmények mindkét esetben markánsan ellentmondtak a lokális realizmus jóslatainak, vagyis minden eddiginél biztosabban kijelenthető, hogy Einsteinnel szemben Bohrnak volt igaza: a határozatlan kvantumállapotok mögött nincsenek objektív realitással bíró „rejtett változók", az összefonódott részecskék pedig igenis azonnal és egyidejűleg reagálnak a mérésre a tér tetszőlegesen távoli pontjain. Vagyis az Einstein által képviselt lokális realizmus a mai tudásunk szerint nem tartható.

„A BIG Bell Test elképesztően bonyolult és ambiciózus vállalkozás volt, ami lehetetlenül nehéznek hangzott az elején, de több tucatnyi elkötelezett tudós, tudományos kommunikátor, újságíró és a média erőfeszítéseinek, és persze a 2016. november 30-án közreműködő sok tízezer résztvevőnek hála mégis valóra vált" – nyilatkozta Carlos Abellan, az ICFO kutatója és a projekt egyik szervezője.

Morgan Mitchell, az ICFO professzora és a BIG Bell Test vezetője hozzátette: „Ami a leginkább lenyűgöz, hogy az Einstein és Niels Bohr közötti vita annak ellenére, hogy több mint 90 éve próbáljuk rigorózus módon kísérletileg eldönthetővé tenni, még mindig tartalmaz valamilyen emberi és filozofikus elemet. A Higgs-bozon és a gravitációs hullámok létezésének bizonyítását nagyszerű eszközeinknek – a fizika törvényeit tesztelő fizikai rendszereknek – köszönhetjük.

A lokális realizmus kérdése viszont olyan, amit nem tudunk pusztán berendezések segítségével megválaszolni. Úgy tűnik, ahhoz, hogy színvallásra késztessük a Világegyetemet, nekünk magunknak is benne kell lennünk a kísérletben."