MIT:n kokemus todistaa, että Einstein oli (kerrankin) väärässä: kvanttifysiikkaa mullistava löytö

Einstein

Yli sata vuotta ensimmäisten keskustelujen jälkeen kvanttifysiikan luonteesta MIT:n tutkijaryhmä on juuri antanut ratkaisevan iskun yhdelle Albert Einsteinin syvimmistä vakaumuksista.

Ainutlaatuisen tarkan kokeen avulla, jossa käytettiin äärimmäisiin lämpötiloihin jäähdytettyjä atomeja, tutkijat osoittivat, että suhteellisuusteorian isä oli väärässä kvanttimekaniikan perustavanlaatuisessa kysymyksessä. Tämä löytö, joka on julkaistu Physical Review Letters-lehdessä, käynnistää uudelleen vuosisadan kestäneen keskustelun ja vahvistaa, että kvanttimaailma on vieläkin oudompi kuin 1900-luvun suurin nero kuvitteli.

Kokeilu, joka muutti kaiken vuonna 1801

Jotta voimme ymmärtää tämän löydön merkityksen, meidän on palattava vuoteen 1801, jolloin Thomas Young teki näennäisen yksinkertaisen, mutta mullistavan kokeen. Heijastamalla lampun valoa kahden yhdensuuntaisen raon läpi valkokankaalle hän odotti näkevänsä kaksi erillistä valokaistaletta, Newtonin hiukkasteorian mukaisesti, joka kuvasi valoa hiukkasten virtauksena.

Tulos oli hämmästyttävä: kahden viivan sijaan valkokankaalle ilmestyi monimutkainen kuvio, jossa vaaleat ja tummat alueet vuorottelivat. Nämä interferenssirengaskuviot olivat selitettävissä vain sillä, että valo käyttäytyi aallona, joka pystyi jakautumaan ja yhdistymään uudelleen.

Mutta tarina ei päättynyt tähän. Kun tutkijat myöhemmin yrittivät havaita, kumman raon kautta valo todella kulki, interferenssikuvio katosi mystisesti ja jätti tilalle odotetut kaksi raitaa. Pelkkä havainnointi muutti valon käyttäytymistä ja paljasti yhden kvanttifysiikan syvimmistä mysteereistä.

Vuosisadan älyllinen kaksintaistelu: Einstein vastaan Bohr

Tämä löytö herätti yhden modernin historian kiihkeimmistä tieteellisistä keskusteluista. Toisella puolella Albert Einstein, huolimatta perustavista panoksistaan kvanttiteoriaan, kieltäytyi hyväksymästä, että havainnointi voisi järjestelmällisesti tuhota havaitun ilmiön. Hän kuvitteli kehittyneitä kokeellisia laitteita – kuten erittäin herkille jousille asennettuja näyttöjä – joilla voitaisiin salaa havaita fotonin kulku häiritsemättä interferenssimallia.

Toisella puolella Niels Bohr tukeutui Heisenbergin epätarkkuusperiaatteeseen osoittaakseen tällaisen saavutuksen teoreettisen mahdottomuuden. Hänen mukaansa kaikki mittaukset aiheuttaisivat väistämättä riittävän häiriön kvantti-interferenssin häviämiseksi.

Tämä filosofinen vastakkainasettelu ylitti selvästi teknisen kehyksen: se kyseenalaisti todellisuuden luonteen ja havainnoijan roolin fyysisessä universumissa.

Puhtain koskaan tehty koe

MIT:n tutkijat, johtamina Wolfgang Ketterle ja Vitaly Fedoseev, suunnittelivat mielestäni kaikkein ”ihanteellisimman” kaksoisrakokokeen, joka on koskaan tehty. Heidän vallankumouksellinen lähestymistapansa oli korvata perinteiset raot yksittäisillä atomeilla.

Tiimi jäähdytti ensin yli 10 000 atomia muutaman mikrokelvinin lämpötilaan, joka on muutaman miljoonasosan asteen absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Näissä äärimmäisissä lämpötiloissa atomit ovat käytännössä liikkumattomia, mikä mahdollistaa niiden käsittelyn poikkeuksellisella tarkkuudella.

Taitavasti ohjattujen lasersäteiden avulla tutkijat järjestivät atomit täydelliseksi kideverkostoksi, jossa kukin atomi oli riittävän eristetty naapureistaan toimimaan itsenäisenä kvanttiyksikkönä. Tässä kokoonpanossa kahden vierekkäisen atomin välistä kulkeva valo toisti tarkasti klassisen kaksoisrakokokeen olosuhteet.

Bohrin postuumi voitto

Tämän kokeen ratkaiseva innovaatio oli tutkijoiden kyky säätää atomien kvanttista ”terävyyttä”. Muuttamalla laserloukun parametrejä he pystyivät tekemään atomit kvanttisesti enemmän tai vähemmän ”epäselviksi”. Epäselvemmät atomit häiriintyivät helpommin valon kulkiessa niiden läpi, mikä lisäsi todennäköisyyttä, että valo käyttäytyi hiukkasena eikä aallona.

Tulokset, jotka analysoitiin poikkeuksellisen herkällä ilmaisimella, vahvistivat yksiselitteisesti kvanttimekaniikan ennusteet. Vielä merkittävämpää oli, että ne osoittivat, että edes ihanteellisimmissa olosuhteissa fotonin liikerataa on mahdotonta havaita tuhoamatta interferenssikuvio.

Monissa teoreettisissa kuvauksissa jouset ovat tärkeässä roolissa”, Fedoseev selittää. ”Mutta me osoitamme, että jousilla ei ole tässä merkitystä, vaan ainoastaan atomien kvantti-epävarmuuden aste.”

MIT:n kokemus todistaa, että Einstein oli (kerrankin) väärässä: kvanttifysiikkaa mullistava löytö

Kvanttinen outous vahvistettu

Tämä koe on käännekohta kvanttisen todellisuuden ymmärtämisessä. Se vahvistaa, että Einsteinin nerokas intuitio törmäsi luonnon perustavanlaatuiseen rajoitukseen. Kvanttinen universumi kieltäytyy itsepintaisesti paljastamasta joitakin salaisuuksiaan edes nerokkaimmalle tarkkailijalle.

Syvemmällä tasolla tämä löytö korostaa, että fotonien ja atomien väliset kvanttikorrelaatiot ovat väistämätön tosiasia, jota ei voida kiertää millään kokeellisella keinolla. Kvanttimekaniikka on vastoin intuitiota, mutta se on edelleen paras kuvauksemme mikroskooppisen tason todellisuudesta.

Sata vuotta syntymänsä jälkeen kvanttiteoria haastaa edelleen syvimmät intuitioomme ja muistuttaa meitä siitä, että maailmankaikkeus on selvästi salaperäisempi kuin päivittäinen kokemuksemme antaa ymmärtää.