Promatranje čini fizičku stvarnost

Anton Zeilinger, može se slobodno reći, najvažniji je fizičar današnjice. Dobitnik je Nobelove nagrade za 2022. godinu. Unatoč materijalističkom politikantstvu među donositeljima odluka, došlo je vrijeme da se više ne mogu ignorirati postignuća ove trojice fizičara, Antona Zeilingera, Johna Clausera i Alaina Aspecta, jer se već grade kvantna računala i kvantni internet.

Nijedan rezultat kvantne mehanike nije izazvao takvu uznemirenost ljudskog duha kao fenomen kvantne spregnutosti čestica, ili kako ga je Einstein nazvao sablasnim djelovanjem na daljinu. Danas je ta uznemirenost posebno izražena, jer su Zeilingerovi pokusi i mjerenja srušili svaku nadu materijalističkih filozofa i njihova maštanja o tzv. skrivenim varijablama u fizici mikrosvijeta. I ne samo to; sablasno djelovanje na daljinu ima čak i svoju primjenu u kvantnim računalima i kvantnom internetu. Upravo taj fenomen isprepletenosti-spregnutosti dviju mikročestica sama je bit funkcioniranja kvantnih računala koja za izračun, umjesto tisuću godina potrebnih klasičnim računalima, trebaju tek nekoliko sekundi.

Kod kvantnih računala fizički objekti koji tvore logička vrata čestice su sa svojim spinovima koji su u tzv. superponiranom stanju pa ih zovemo qubitima i oni su kvantno spregnuti. Logičke operacije među njima zbog spregnutosti se odvijaju trenutno i mnogo njih paralelno, i tu je glavna prednost pred klasičnim računalima, ponajprije u smislu brzine.

 * * * *

Što je to spregnutost čestica?

Zamislimo blizance koji se u trenutku udalje jedan od drugog u suprotnim smjerovima u Svemir. Oni bi bili kvantno spregnuti ako bi dizanje desne ruke jednog od njih bilo istodobno uzrokom dizanja lijeve ruke drugog, neovisno o njihovoj međusobnoj udaljenosti, i tada bismo rekli da je njihovo ponašanje bilo opisano zajedničkom valnom funkcijom.

 * * * 

Trijumf kvantne fizike u prošlom stoljeću – u smislu objašnjenja periodnog sustava elemenata, ili pak kovalentne veze bez koje ne može nikako ni organska kemija, pa ni život na Zemlji – ništa je pred tim gotovo nadnaravnim trijumfom. Ipak je teško objasniti te apstraktne pojmove javnosti.

Početkom 20. stoljeća mnogi su fizičari vjerovali da je završetak fizike blizu. Bilo je poznato samo nekoliko manjih problema koje je trebalo riješiti u Newtonovu determinističkom svemiru. No to se radikalno promijenilo kada je Max Planck izračunao da elektroni u atomu mogu zračiti svjetlost samo u dijelovima energije, ili kvantima, umjesto da postupno gube energiju tijekom vremena. Svaki kvant iznenada bi bio izračen iz elektrona, naizgled bez uzroka. Otkriće tih kvantnih skokova bio je početak neobičnoga proučavanja kvantne mehanike.

Iznenađujući eksperiment s dvostrukim prorezom

Postupno se uviđalo da se ti kvantni skokovi pojavljuju na sve više mjesta i na sve više načina. Otkrića i jednadžbe formulirane tako da objasne bizarni kvantni svijet zbunjivala su ​​fizičare. Počelo se shvaćati da svemir nije fundamentalno deterministički na najnižoj razini, nego probabilistički. Matematika je u biti opisala čestice u stanju opisanom valnom funkcijom, što nije ništa više od matematičke vjerojatnosti višestrukih mogućih stanja gdje bi se čestica mogla nalaziti. Ali pri mjerenju od strane promatrača valna funkcija bi kolabirala na jednu poziciju. To je impliciralo da su vanjski promatrači bili nužni za kolaps valne funkcije i dovođenje do fizičkog postojanja temeljnih čestica koje čine stvarnost, a što mnogi znanstvenici filozofski nisu mogli prihvatiti.

Poznati eksperiment s dvostrukim prorezom otkriva koliko su čudna pravila kvant­ne mehanike. Fizičare su zanimale čestice koje djeluju poput valova ili malih kuglica materije. Korištenjem jednog lista u eksperimentu s dvostrukim prorezom možemo odrediti kako se one ponašaju. Kada se čestice upucaju, poput puščanih zrna, kroz jedan prorez, dobili bismo jednu traku s druge strane tamo gdje čestice pogađaju, ali kada bi ih propustili kroz dvostruki prorez, otkrili bismo dvije trake s druge strane. No kada val prođe kroz jedan prorez, dobit će se uzorak poput vala s intenzitetom u sredini, ali kada nekoliko valova prođe kroz dvostruki prorez, oni interferiraju jedni s drugima, stvarajući interferencijski uzorak. Dakle, pucanje mikročestica (npr. elektrona) kroz dvostruki prorez trebalo bi otkriti da li se one ponašaju poput valova ili čestica.

Anton Zeilinger prima Nobelovu nagradu za 2022. / Snimila Nanaka Adachi / Nobel Prize Outreach

U raznim eksperimentima s dvostrukim prorezom mikročestice su ispaljivane kroz jedan prorez i rezultati su otkrili da se mikročestice ponašaju poput valova. Čestice prolaze kroz oba proreza poput valova te pokazuju interferencijska svojstva, tj. interferiraju jedna s drugom uzrokujući uzorak interferencije. Nameće se zaključak: svaka čestica ne prolazi kao val energije, već kao val potencijala. Val svih mogućih prolaza koji bi se mogli ostvariti ometa sam sebe, znajući koja su najvjerojatnija mjesta za slijetanje, a koja su najmanje vjerojatna. Drugim riječima, svi mogući prolazi postoje istovremeno u matematičkom smislu sve dok se mikročestica ne uruši na jedno mjesto i ne ostavi trag na filmu-zastoru.

Postavlja se logično pitanje: može li se mjerenjem utvrditi kroz koji je prorez mikročestica prošla? Postavljanjem mjernih uređaja kod svakog proreza koji detektiraju prolazak mikročestice za određeni prorez mikročestice mijenjaju ponašanje. Sada se ponašaju poput sićušnih kuglica (puščanih zrna), dajući dvije zasebne trake na zastoru koje odgovaraju dvama prorezima. Dakle, vrlo aktivno promatranje u prorezu ili poznavanje putanje kojim su čestice išle učinilo je njihovo ponašanje drugačijim od onoga prije, tj. odustajanjem od interferentne slike. Zaključujemo da ništa nije sigurno dok promatrač ne izvrši mjerenje.

Nema vjerojatnosti već samo aktualnost promatranja

Ključ za razumijevanje onoga što se događa jest da materija ne postoji kao val energije prije opažanja, već kao val matematičkih mogućnosti. Bit nije u postojanju vjerojatnosti pronalaska objekta na određenom mjestu. Valovitost nije povezana s vjerojatnošću da se objekt nalazi na određenom mjestu. Riječ je o ključnoj razlici. Predmet nije bio tamo prije nego što se tamo pronašao. Drugim riječima, prije mjerenja eksperimentalni rezultati u matematičkom formalizmu impliciraju da ne postoji fizička čestica. Njihovo mjerenje uzrokuje kolaps valne funkcije, matematičke vjerojatnosti, i tek potom otkrivanje fizičke čestice, ali ništa fizički nije postojalo prije mjerenja.

Kako je i Heisenberg rekao, imamo posla s fenomenima koji su jednako stvarni kao i bilo koji fenomen u svakodnevnom životu. Ali sami atomi i elementarne čestice nisu stvarni. Oni tvore svijet potencijala ili mogućnosti, a ne same po sebi stvarne činjenice. Koncepcija objektivne stvarnosti elementarnih čestica tako nije isparila u oblak nekog opskurnog koncepta nove stvarnosti, već u prozirnu jasnoću matematike koja više ne predstavlja ponašanje čestica, već naše znanje o tom ponašanju. Mnogi su sugerirali da bi to mogao biti slučaj samo sa stvarno malim česticama. Ali kasniji eksperimenti pokazali su iste rezultate s još većim nakupinama atoma. Kada su ovogodišnjega nobelovca Antona Zeilingera upitali gdje je granica, njegov je odgovor bio – proračun. Cjelokupnom materijom upravljaju čudna pravila kvantne mehanike: iako tzv. dekoherencija stvara pojavu klasičnog svijeta, pravila kvantne mehanike i dalje su primjenljiva za svu materiju.

Prije nekoliko desetljeća, kada je to prvi put otkriveno, mnogi znanstvenici nisu mogli podnijeti filozofske implikacije. Činilo se to previše bizarnim da bi bilo istinito. Mnogi fizičari poput Nielsa Bohra ignorirali su filozofske implikacije i poticali praktični pristup kvantnoj mehanici. Drugim riječima, ne brinite se o filozofskim problemima, samo se usredotočite na činjenicu da postoji slaganje s eksperimentom. No neki, poput Einsteina i Schroedingera, bili su duboko uznemireni rezultatima kvantne mehanike. Tako je 1935. Einstein zajedno s dvojicom svojih kolega smislio misaoni eksperiment o kvantnoj mehanici. Oni su predložili da se dvije čestice postave u zajedničku superpoziciju i zatim razdvoje na veliku udaljenost. Zaključili su da bi promatranje jedne od njih odmah utjecalo i na drugu, što je Einstein nazvao sablasnim djelovanjem na daljinu, sugerirajući neotkrivenu skrivenu varijablu. No, Einsteinova je intuicija netočna, jer je postojanje skrivenih varijabli 2007. godine opovrgnuo Anton Zeilinger sa svojim timom preciznim mjerenjima, a 2013. otklonjena je i posljednja rupa u mogućoj nejasnoći, pokazujući da nema više klasa skrivenih varijabli koje se mogu testirati. Kolaps valne funkcije i postojanje fizičkih čestica očito mora ovisiti o promatraču, a ne o nekim nepoznatim skrivenim varijablama negdje u prirodi.

Prema dosad najuvjerljivijim dokazima ne postoji objektivna stvarnost izvan onoga što promatramo. Promatranje je ono što stvara stvarnost. Filozofske implikacije također podupiru ideju da fizičke stvarnosti nema bez promatrača, kako objašnjava Anton Zeilinger: „Valna funkcija je istinita za stvarnost i zapravo stvarna, a ne samo epistemički alat. Prava priroda stvarnosti jest valna funkcija i promatranje uzrokuje njezin kolaps na fizičke čestice.“

Promatranje
Božjeg čina?

Steven Barr kaže da su ljudska bića (možda i jedini) promatrači. Sama temeljna priroda materije odgovara da svijest nije njezin proizvod, već da je suprotno istinito. Fizička materija, objašnjena fizikom i matematikom, jest proizvod svijesti. To dovodi do idealističkog ili dualističkog pristupa stvarnosti. Fizički je svemir proizvod uma u vrlo temeljnim dijelovima stvarnosti koji zahtijevaju promatrača. Stvarnost ovisi o svjesnim promatračima. Kao što je dobitnik Nobelove nagrade Eugene Wigner rekao, dok je niz filozofskih ideja možda logički u skladu s današnjom kvantnom mehanikom, materijalizam nije.

Pokojni papa Ratzinger piše da je današnja fizika na tragu kršćanske teologije te da su paketi valova sporni s fizikalnog gledišta, ali daje i uzbudljivu sliku za actualitas divina, Božje svojstvo koje ga određuje kao apsolutni akt, čin, jednostavno čin, a onda i slika za to da apsolutna jedrina bitka – Bog – može postojati jedino u mnogostrukosti odnosa, koji nisu supstancije, već samo valovi, tvoreći tako potpuno jedno, savršenu puninu bitka. Tu je misao, sadržajno, formulirao već Augustin, kad je iznio misao o čistoj egzistenciji-činu (paketu valova).