Kapitola 3

Mikrosvět

3.5 Kvantová provázanost

Dalším, zcela zásadním projevem horizontu poznání je jev kvantové provázanosti.

Jak je obecně známo, mnoho let vedli fyzikové spor o tom, zda v mikrosvětě může být platný princip tzv. „lokálního realismu“, který pozorujeme v makrosvětě.

Předpoklad lokálního realismu znamená, že

1. každý objekt je ovlivňován jen svým bezprostředním okolím (lokalita),
2. vlastnosti objektu jsou skutečné, existují nezávisle na jejich pozorování (realismus).

Princip lokality
Představme si, že máme 2 kvantové částice se společnou kvantovou minulostí, stavem, ve kterém se navzájem kvantově ovlivňovaly – například 2 částice vzniklé rozpadem jiné částice. Pak říkáme, že jsou kvantově provázané.

Tyto částice od sebe navzájem oddělíme, separujeme. Princip lokality pak říká, že jejich vlastnosti vznikly/byly určeny v okamžiku jejich propojení a částice si je nesou dále. Po jejich oddělení by proto následné měření na jedné z nich nemělo nijak ovlivnit stav druhé.

Princip realismu
požaduje, aby každé měřitelné veličině, tedy i spinu¹ mikročástic, odpovídalo „něco skutečného“, co existuje nezávisle na pozorování. Výsledek každého pozorování (měření) by tedy měl být dán už před samotným pozorováním, a např. volba pozorované (měřené) veličiny by ho neměla nijak ovlivnit či narušit.

O platnosti či neplatnosti principu lokálního realismu vedli vědci spory po mnoho desetiletí. Jednoznačným zastáncem lokálního realismu byl například Albert Einstein, který nazval jev kvantové provázanosti „strašidelným působením na dálku“.

Vědecké experimenty však opakovaně ukázaly (viz např. [17]), že projevy kvantového světa tento princip jednoznačně narušují. Máme-li pár kvantově provázaných částic, pak pozorujeme, že si tyto částice své propojení zachovávají i po oddělení, bez ohledu na časoprostorová omezení (!).

V roce 2015 byl v Delftské universitě v Holandsku proveden důmyslný experiment se dvěma umělými diamanty, v jejichž uhlíkové krystalové mřížce byla příměs dusíku [17]. Dusíkové atomy způsobily v mřížce vznik vakancí – míst, ve kterých „chyběl“ atom uhlíku, a která proto přitahovala a uvězňovala osamělé elektrony (které by byly jinak volné). Oba diamanty byly od sebe vzdálené 1,28km. Takto uvězněné elektrony byly excitovány mikrovlnnými pulsy (tedy jim byla dodána energie), kterou vzápětí uvolnily vyzářením „svých“ fotonů, nesoucích informaci o jejich spinu. Fotony z obou krystalů byly optickým vláknem svedeny dohromady na polopropustné zrcadlo (tam došlo k jejich interferenci) a za ním detekovány (= pozorovány zblízka). Aktem interference/detekce se fotony navzájem provázaly – a tím došlo i ke kvantovému provázání původních elektronů, které je vyslaly (došlo k provázání informace o orientaci spinu těchto elektronů). Ihned po provázání elektronů pomocí fotonů byla v náhodných směrech bleskurychle měřena orientace spinu elektronů v krystalech. Aby byl jisté, že se mezi oběma diamanty nešíří nějaký nám neznámý „provazující“ signál, byla orientace spinu elektronů v obou krystalech měřena pouze po dobu 3,7 mikrosekundy (světlu by při této vzdálenosti trval přenos informace mezi oběma krystaly 4,27 mikrosekundy). Toto měření prokázalo statisticky významnou korelaci mezi výsledky měření orientace spinu elektronů v obou krystalech.

A tak pozorujeme, že měření jedné z provázaných částic bezprostředně ovlivňujechování (výsledky měření) té druhé (ať jsou od sebe libovolně vzdálené). Zdá se, že je zde zrušeno jakékoliv omezení v čase i v prostoru (!). Jako kdyby se elektrony domlouvaly, že pokaždé natočí své spiny navzájem opačně.

Je tedy možné, že spin elektronu „náhodně“ získává svou orientaci vždy až v okamžiku jejího měření (předtím ji definovanou nemá) – což ale narušuje princip realismu.

Pokud by orientace spinu elektronů byla reálná, elektrony by mezi sebou musely komunikovat rychlostí vyšší, než je rychlost světla (elektrony změřené v jednom krystalu by musely okamžitě dát „pokyn“ elektronům ve druhém krystalu, aby se svým spinem natočily opačně). Takováto komunikace „ihned, nadsvětelnou rychlostí“ ovšem narušuje princip lokality.

Další bádání se nyní (poměrně úspěšně, viz [38]) ubírá směrem, jak udržet provázanost mikročástic po dostatečně dlouhou dobu (aby nebyla narušena okolními interakcemi, respektive aby mohla být znovuobnovena rychleji, než bude ztracena). Kvantová síť, založená na tomto jevu by mohla znamenat obrovský revoluční skok v přenosu informací.

Výsledek tedy v každém případě prokazuje, že princip lokálního realismu v mikrosvětě je neudržitelný.

Jak toto vysvětlit?

Vše v našem světě je podřízeno zákonu analogie (neb všechny projevené existenční formy vznikly procesem dělení, tedy dle stejných zákonů a pravidel), který se projevuje v časové, prostorové i dynamické podobnosti věcí, forem, dějů i procesů. A tak nám zvlněná hladina kapaliny simuluje vlnové procesy kvantové mechaniky, mechanismy způsobující rozvázání tkaničky u boty zase mohou být aplikovatelné na DNA či obecně mikrostruktury, které selhávají působením dynamických sil apod.

Jak jsme si již uváděli, filozofické pozorování nám říká, že celý náš svět vzniknul z nulového stavu času a prostoru. Jak již bylo uvedeno, bod „0“ („Zero“), se z našeho pohledu rozdělil (a jednou se opět složí). Snad toto můžeme přirovnat například k vějíři, který se v kauzálním postupu rozevře, aby mohl být vnímán, a pak je opět složen. A přitom v bezčasovosti stále existuje v obou formách – složené i rozložené - zároveň.

Máme zde jednotu, která se rozdělila na své póly, které jsou vždy stejné svou povahou a jsou opačného znaménka (polarity), tedy jednotu, která se rozdělila do dvojnosti.

Před rozdělením tohoto bodu nebyl vnímatelný čas a nebyl vnímatelný prostor (obojí sice existovalo, ale jen ve své neprojevené, složené podobě – tedy v podobě, obsahující všechny časy i prostory naráz).

V našem pozorování máme horizont poznání, hraniční bod, který ohraničuje možnosti našeho pozorování. Jak víme, horizont poznání vytyčuje hranici, za kterou pro nás není čas a není prostor (jsou pro nás nepoznatelné).

A protože náš svět má rád analogie, jeví se nám horizont poznání trochu podobně, jako „bod Zero“, ze kterého vzniklo vše, co známe – a to včetně svých dalších projevů.

Mikročástice jsou pro nás objekty na horizontu poznání, tedy nepoznatelné. Musíme si tedy nejprve položit otázku, do jaké míry je orientace spinu částice skutečně jejím vlastním atributem, tedy zda se i zde nejedná o rezonanční projev její pro nás nepoznatelné, skutečné vlastní rotace.

Je pravděpodobné, že ač je spin částice o nenulové klidové hmotnosti nejspíše zcela reálně existující veličinou (vše ve vesmíru rotuje kolem své osy), pro nás jako vzdáleného pozorovatele zůstává jeho opravdová orientace neznáma = zůstává skryta v rezonančním obrazu všech možných rotačních stavů dané částice. Nastavení experimentu pak z množiny těchto stavů pouze „vybírá“ (ohledně měření spinu viz např. Stern-Gerlachův experiment z r. 1922 [39], ve kterém byl spin částic měřen pomocí jejich průletu v nehomogenním magnetickém poli). Obdobně by toto mělo platit i pro měření spinu/polarizace světelných kvant – fotonů (ač zde můžeme obtížně hovořit o skutečné rotaci ve smyslu hmotného objektu).

Jak víme, změřením spinu v dané ose se v této ose dočasně ruší její neurčitost. Tedy opakovaným měřením ve stejné ose zjistíme totéž (ať měříme jednu částici, nebo 2 kvantově provázané), přičemž nevíme nic o hodnotě spinu v ostatních osách. Pokud však následně změříme spin v jiné ose, ztrácíme informaci o hodnotě spinu v ose původní. Je to zcela analogické opakovanému měření polohy částice „x“, přičemž nevíme vůbec nic o její hybnosti „p“. Pokud změříme hybnost „p“, ztrácíme informaci o její poloze „x“, ve shodě s Heisenbergovou relací neurčitosti (1.1).

Ačkoliv tak měřením orientace spinu v dané ose „vybíráme“ jednu z možných orientací skutečně reálně existující veličiny, pravděpodobně stále neposouváme pozorovatele k samotné částici a tak nevíme vůbec nic o tom, jaká je její skutečná rotační osa (!). Ta pro nás zůstává nepoznatelná, skrytá v houštině možných stavů.

A tak vzniká ona pozorovaná „náhodnost“, která se zdá být ve sporu s principem realismu.

Vytvoříme-li pár provázaných částic, které následně separujeme, nastavujeme zde ve skutečnosti počáteční stav pro proces přechodu ze stavu podobnému stavu nerozdělené jednoty (ta vzniká aktem provázání a je jistou analogií bodu „Zero“) do stavu duality. Tedy naším experimentem dělíme nerozdělenou jednotu – a dělením vždy vznikají protipóly. Ty se v našem případě nutně projevují opačnými znaménky spinu obou takto vzniklých pólů (v našem případě elektronů). Je zcela lhostejné, jak daleko od sebe oba póly jsou.

Pokud však hodnotu jednoho z pólu zneurčitíme (ať sami nebo vlivem okolních interakcí), zneurčití se zákonitě hodnota i na straně jeho protipólu (vrátíme se do stavu analogickému „Zero“). Pokud pak dalším měřením naměříme hodnotu jinou (inu, orientace spinu pro nás jako vzdáleného pozorovatele kmitá ve všech svých možných polohách podle zákona neurčitosti) – můžeme si být jisti, žeprotipól zůstane opět protipólem.

Toto je ovšem pouze naše pozorování, ač se ve svých důsledcích (silových, geometrických, kvantových) u změřené orientace spinu takto projevuje.

Protože se jedná o projev horizontu poznání, i zde by mělo platit, že kvantová provázanost by pravděpodobně zcela zanikla, pokud bychom uměli pozorovat obě částice, či ještě lépe jejich měřenou vlastnost (zde spin) zblízka.

Co myslíte, můžeme se s výše uvedeným pochopením vrátit i k (v dnešní době opouštěné) myšlence lokálního realismu, zastávané i Albertem Einsteinem?

Není to tak, že my v našich experimentech pozorujeme (obrazně řečeno) namísto hvězd jen jejich rezonanční „odraz“ na rozvlněné vodní hladině – a tak se nám zdá, že mihotají a vlní se ve stejném (zde protichůdném) rytmu spinu?

Může být pravdou to, co pravdou nejspíše není?

¹Spin je kvantová vlastnost mikročástic, která nemá zjevný ekvivalent v makrosvětě. Jde o tzv. „vnitřní moment hybnosti“ (něco, co se podobá skryté rotaci kolem osy), který v součtu přispívá k celkovému momentu hybnosti celé dané kvantové soustavy. Může nabývat celých nebo polocelých násobků Planckovy konstanty. Spin má pro danou částici vždy stejnou absolutní hodnotu a mění se jen jeho znaménko (osová orientace). Podle spinu můžeme částice (či jejich kombinace, např. jádra atomu) dělit na fermiony (mající poločíselný spin, např. elektrony) a bosony (mající celočíselný spin, např. fotony). Fermiony jsou základními částicemi látky (2 fermiony nemohou v jedné kvantové soustavě, např. atomu, obsadit, sdílet stejný kvantový stav – tedy obsazují stále vyšší a vyšší hladiny a „zabírají prostor“), bosony jsou částice polí (stejný energetický stav sdílet mohou). U nabitých částic (např. elektronů) je spin spojený s magnetickým dipólovým momentem, díky kterému můžeme zjišťovat jeho orientaci. V běžných materiálech jsou dipólové momenty celých atomů (součty spinových a orbitálních momentů) orientované náhodně a navzájem se vyruší. U feromagnetických materiálů jsou ale za běžných teplot navzájem uspořádané – a materiál se chová jako klasický, nám dobře známý magnet. U světelných kvant (fotonů) je orientace jejich spinu pozorovatelná jako polarizace světla.