fyzika
Kvantová hrozba Provázání, jako mnoho dalších kvantových jevů, porušuje naše nejintuitivnější představy o světě. Může také narušit Einsteinovu speciální teorii relativity.
N
Hlavní myšlenky ■■
■■
■■
76
Ve vesmíru, který prožíváme, můžeme přímo ovlivnit jen předměty, kterých se můžeme dotknout; svět se nám tedy zdá lokální. Kvantová mechanika ale umožňuje působení na dálku díky vlastnosti zvané provázání, kdy se dvě částice chovají synchronizovaně bez nějakého prostředníka; to je nelokální. Tento nelokální jev není jen proti intuici: představuje vážnou hrozbu pro Einsteinovu speciální teorii relativity, což otřásá základy fyziky. —Redakce
aše intuice, sahající až do nepaměti, říká, že abychom pohnuli, řekněme, kamenem, musíme se toho kamene dotknout, nebo se dotknout větve, která se kamene dotýká, nebo vydat povel v podobě vibrací vzduchu, který doputuje do ucha člověka s větví, který pak může kámen posunout – nebo musí nastat nějaký podobný sled událostí. Tato intuice, obecněji vzato, říká, že věci mohou přímo ovlivňovat jen jiné věci, které s nimi bezprostředně sousedí. Pokud A ovlivní B, aniž by bylo bezprostředně vedle něj, pak musí být daný efekt nepřímý – daný účinek se musí nějak přenést řetězcem událostí, ve kterém každá událost přímo způsobuje další tak, že se hladce překlene vzdálenost mezi A a B. Pokaždé, když si myslíme, že jsme z této intuice objevili výjimku – třeba když přepneme vypínač veřejného osvětlení nebo posloucháme vysílání rádia BBC, ukáže se nakonec, že jsme žádnou výjimku neobjevili. Uvědomíme, že se v prvním případě vše děje prostřednictvím drátů a v druhém případě se vzduchem šíří rádiové vlny. Neobjevili jsme žádnou výjimku, s kterou bychom se mohli setkat ve svém každodenním světě. Této intuici říkáme „lokálnost.“ Kvantová mechanika narušila mnoho intuitivních předpokladů, ale žádný tak hluboký, jako tento. A toto konkrétní rozvrácení s sebou přináší nebezpečí, zatím nerozřešené, pro speciální relativitu – základ fyziky 21. století.
Věci z vesmíru
Trochu si osvěžme paměť. Před rozvojem kvantové mechaniky a vlastně v samotných
S C I E N T I F I C A M E R I C A N Č E S K É V Y DÁ N Í
počátcích vědeckého zkoumání přírody učenci věřili, že kompletní popis fyzického světa by v principu mohl sestávat z popisu nejmenších a nejzákladnějších fyzikálních stavebních kamenů světa, jednoho po druhém. Celý příběh světa by se vyjádřil jako suma příběhů jednotlivých jeho stavebních kamenů. Kvantová mechanika takovou představu porušuje. Reálné, měřitelné fyzikální vlastnosti seskupení částic mohou zcela konkrétně přesáhnout, obcházet nebo nemít vůbec nic společného se sumou vlastností jednotlivých částic. Podle kvantové mechaniky například můžete naaranžovat dvě částice tak, že jsou od sebe přesně půl metru, a přitom ani jedna z částic nemá přesně definovanou polohu. Standardní přístup k chápání kvantové fyziky, tak zvaná Kodaňská interpretace, zveřejněná velkým dánským fyzikem Nielsem Bohrem na počátku minulého století a z generace na generaci předávaná od profesorů ke studentům, navíc tvrdí, že to není tak, že bychom neznali fakta o přesných pozicích jednotlivých částic; ale že prostě žádná taková fakta neexistují. Ptát se po pozici jediné částice nemá stejně tak smysl, jako ptát se na to, zda je číslice 5 vdaná nebo svobodná. Nejde o problém epistemologický (o tom, co víme), ale ontologický (o tom, co je). Fyzikové říkají, že částice, které spolu takto souvisí, jsou vzájemně kvantově mechanicky provázané. Provázanou vlastností nemusí být jen pozice: dvě částice se mohou otáčet opačnými směry, ale nemůžeme ani o jedné říci, že se otáčí po směru hodinových ručiček. Nebo je ú n o r 2 010
JEAN-FRANCOIS PODEVIN
David Z Albert a Rivka Galchen
speciální teorii relativity
w w w. S c i A m . c z
S C I E N T I F I C A M E R I C A N Č E S K É V Y DÁ N Í
77
Myšlenkový experiment EPR Albert Einstein, Boris Podolsky a Nathan Rosen („EPR”) poukázali na fakt, že kvantové provázání dvou částic způsobuje nevysvětlitelné výsledky, pokud dva lidé, kteří jsou daleko od sebe (zde Alena a Bedřich), prozkoumají každý jednu z částic.
Kvantové spiny Elektrony mají vlastnost zvanou spin, zde představovanou šipkami, které mohou mířit libovolným směrem. Pokud Alena měří spin elektronu (dole), vybere si osu. Při měření podél vertikální osy zjistí, že má elektron buď stav nahoru, nebo dolů, každý s různou pravděpodobností. Podél východo-západní osy naměří východní nebo západní spin.
Alena
Měření
Dvě částice mohou být provázané tak, že jejich spiny míří opačnými směry, i když nemá ani jeden svůj přesně daný směr. Předpokládejme, že Alena a Bedřich sdílí takový pár a že Alena naměří své částici spin nahoru (dole). Bez ohledu na to, jak daleko je Bedřich a jeho částice od Aleny, pokud změří svou částici podél vertikální osy, určitě uvidí, že má jeho částice spin dolů, opačný k Alenině.
Provázané spiny
Alena
Bedřich
EPR tvrdí, že protože Bedřich si může být na 100 procent jistý, že naměří spin dolů, musí být spin jeho částice již dříve dolů, dokonce ještě než jej změří. Ale Alena mohla stejně tak měřit podél východo-západní osy a naměřit, řekněme, východní spin, což implikuje, že Bedřichova částice už měla západní spin.
EPR paradox
Protože žádný kvantový stav neumožňuje, aby měla Bedřichova částice určitě spin dolů a zároveň určitě západní spin, EPR tvrdí, že kvantová mechanika musí být nekompletní teorií.
právě jedna z částic vybuzená, ale nejde s jistotou říci, která to je. Provázání může propojit částice bez ohledu na to, kde jsou, co jsou a jakými silami na sebe navzájem působí – v principu by mohlo klidně jít o elektron a neutron, každý na opačné straně galaxie. Provázání tedy ukazuje, že v hmotě panují vztahy, o kterých jsme dosud ani nesnili. Provázání leží v pozadí nových a vzrušujících oborů kvantových počítačů a kvantové kryptografie, které by mohly umožnit rozřešit některé problémy, které stojí mimo praktické hranice běžných počítačů, a nabídnout komunikaci s garantovanou jistotou, že nejsme odposloucháváni (viz článek „Kvantové výpočty pomocí iontů“, Christopher R. Monroe, David J. Wineland; Scientific American české vydání, únor 2010). Zdá se ale také, že provázání má za následek hluboce znepokojivý a radikálně proti-intuitivní jev zvaný nelokálnost - možnost fyzicky něco ovlivnit, aniž bychom se toho dotkli nebo se dotkli řady prvků sahajících k danému předmětu. Nelokálnost implikuje, že pěst v Des Moines může rozbít nos v Dallasu, aniž by ovlivnila jakékoliv další fyzické věci kdekoliv na Zemi - ani molekuly vzduchu, ani elektrony v drátu, ani záblesky světla. Nejvíce znepokojující na nelokálnosti, kromě její ohromující vrozené podivnosti, je, že se v ní skrývá zásadní hrozba pro speciální teorii relativity, jak ji dnes známe. V posledních několika letech se toto staré znepokojení - o kterém konečně začali fyzikové vážně přemýšlet - stalo ústředním tématem diskusí, které by nakonec mohly sesadit, překroutit, překreslit, upevnit nebo vnést chaos do samotných základů fyziky.
Radikální revize skutečnost i
Albert Einstein si kvůli kvantové mechanice dělal hned několik starostí. Přehnaně zmiňo-
Nelokálnost v běhu staletí
Změna pohledu na „realitu“ Naše intuice říká, že svět je lokální: může pohnout kamenem, když se ho přímo dotkneme, nebo vytvořením nepřerušeného řetězce takovýchto přímých, lokálních spojení. Ale od počátků moderní vědy v sedmnáctém století se vědci potýkají se zdánlivými nelokálnostmi.
78
S C I E N T I F I C A M E R I C A N Č E S K É V Y DÁ N Í
1687: Zákon universální gravitace Isaaca Newtona, první moderní vědecký popis gravitace, obsahuje „působení na dálku“. Newton si je jistý, že musí existovat popis gravitace bez této nelokálnosti a dokonce zkouší neúspěšnou teorii, podle které vyplňují celý zdánlivě prázdný prostor malinké neviditelné poskakující částice.
1785: Charles Coulomb zavádí zákonem elektrostatickou sílu nepřímou úměrnou druhé mocnině vzdálenosti, podobně jako je Newtonova gravitační síla nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti. Elektrické efekty zdánlivě působí na dálku.
ú n o r 2 010
b. sanerson Photo Researchers, Inc. (Newton); the granger collection (Coulombův přístroj); alfred t. kamajian (ilustrace)
[Základy]
cordelia molloy Photo Researchers, Inc. (Faradayovo magnetické odpuzování); lawrence manning Corbis (Fizeauova a Foucaultova rychlost světla); spl/photo researchers, inc. (Maxwellovy rovnice); zdroj: David Z albert (Albert); zdroj: ken goebel (Galchen)
vaný citát ohledně její nahodilosti („Bůh nehraje v kostky“) vyjadřuje jen jednu z nich. Jediná námitka, kterou ale formálně zformuloval, nebo kterou se obtěžoval sepsat na papír, se týkala podivnosti kvantově mechanického provázání. Tato námitka leží v srdci tak zvaného EPR-paradoxu, pojmenovaného po svých třech autorech, Einsteinovi a jeho kolezích Borisovi Podolském a Nathanu Rosenovi. Ve svém článku z roku 1935 „Můžeme považovat kvantově mechanický popis fyzikální reality za kompletní?“ odpovídají na svou vlastní otázku pevně podloženým „ne.“ Jejich argument stojí od základu na jedné konkrétní instrukci z kvantově mechanické kuchařky, matematickém algoritmu pro předvídání výsledků experimentu. Předpokládejme, že měříme polohu částice, která je kvantově mechanicky provázaná s druhou částicí, takže ani jedna, jak bylo řečeno výše, nemá přesně danou pozici. Přirozeně, pokud se dozvíme výsledek měření, změníme náš popis první částice, protože nyní víme, kde na okamžik byla. Ale algoritmus nás také navádí změnit popis druhé částice – a změnit jej okamžitě, bez ohledu na to, jak daleko může být nebo co může ležet mezi oběma částicemi. Provázání bylo nekontroverzním faktem, obrázkem světa, který kvantová mechanika představovala fyzikům, ale také faktem, jehož důsledky před Einsteinem nikdo do hloubky příliš nepromýšlel. Einstein neviděl v provázání něco zvláštního, ale podezřelého. Přišlo mu strašidelné. Zdálo se mu především nelokální. Nikdo tehdy nebyl připravený zvažovat možnost, že ve světě existují opravdové nelokálnosti – ani Einstein, ani Bohr, nikdo. Einstein, Podolsky a Rosen ve svém článku považovali za dané, že zdánlivá nelokálnost v kvantové mechanice musí být jen zdánlivá, že musí jít o nějaký druh matematické anomálie nebo
[Autoři]
David Z Albert a Rivka Galchen učí oba na Kolumbijské universitě, první, jak fyzika vypráví příběh světa, druhá, jak psát příběhy. Albert je na Kolumbijské profesorem filosofie a autorem knih Quantum Mechanics and Experince a Time and Chance. Galchenová je pomocnou profesorkou v oddělení psaní na Kolumbijské škole umění. Její často vědou nabité příběhy a eseje se objevují v New Yorker, New York Times a Believer. Její první román, Atmospheric Disturbance, publikovalo loni v květnu nakladatelství Farrar, Straus a Giroux.
1831: Michael Faraday zavádí myšlenku magnetických siločar. Fyzikové tou dobou používají notaci zahrnující elektrické a magnetické pole, která vyplňují prostor. Síly na částici se stávají, alespoň formálně, lokálním působením pole na částice. Na tato pole se ale nahlíží jako na výhodné výpočetní pomůcky, ne jako na reálné věci.
w w w. S c i A m . c z
nevhodného zápisu, nebo že jde přinejmenším o odstranitelný artefakt v algoritmu – určitě by bylo možné vyčarovat experimentální předpovědi kvantové mechaniky bez nutnosti nelokálních kroků. Ve svém článku také argumentovali, že pokud (jak všichni předpokládali) ve světě neexistuje žádná skutečná fyzikální nelokálnost a pokud jsou experimentální předpovědi kvantové mechaniky správné, pak musí kvantová mechanika vynechávat některé aspekty světa ze svého rámce. Musí existovat části příběhu světa, které nemůže vyprávět. Bohr odpověděl na článek EPR prakticky přes noc. Jeho horečnatě komponovaný oponující dopis se nevěnoval ani jednomu z konkrétních vědeckých argumentů článku, ale místo toho se zaměřil – neprůhledně, místy přímo tajemně – na použití slova „realita“ a definici „prvků fyzikální reality.“ Dlouze mluvil o rozdílu mezi podmětem a předmětem, o podmínkách, za kterých má smysl pokládat otázky a o povaze lidského jazyka. Co věda potřebovala, podle Bohra, byla „radikální revize našeho postoje k vnímání fyzikální reality.“ Bohr ale i tak s článkem EPR v jednom bodě souhlasil: že samozřejmě nemůže být ani řeč o opravdové fyzikální nelokálnosti. Zdánlivá nelokálnost, namítal, je jen další důvod, proč musíme opustit starodávnou a přežitou touhu, jak hlásal článek EPR, umět vyčíst z rovnic kvantové mechaniky realistický obraz světa – obraz toho, co kolem nás skutečně okamžik za okamžikem existuje. Bohr trval prakticky na tom, že nejen, že vidíme svět jako skrz začerněné sklo, ale že tento stínový a nejasný pohled je tak reálný, jak jen může být. Bohrova odpověď na vysloveně vědecký problém měla překvapivě filosofickou povahu. Ještě překvapivější bylo nábožné převzetí jeho odpovědi jako mantry teoretické fyziky. Trávit nad těmito otázkami více času se nadále rovna-
1849: Hippolyte Fizeau a Jean-Bernard Foucault změřili rychlost světla na 298 000 kilometrů za sekundu, ale nikdo neví, co vlastně světlo je.
1865: Rovnice Jamese Clerka Maxwella odhalují, že elektromagnetická pole mají svůj vlastní bohatý dynamický život, tahají a odstrkují se a křižují prázdný prostor rychlostí 298 000 kilometrů za sekundu. Elektromagnetismus je lokální a světlo je elektromagnetická vlna!
S C I E N T I F I C A M E R I C A N Č E S K É V Y DÁ N Í
79
Bellův teorém a fyzický svět
N
elokálnost našeho fyzického světa vyplývá z kombinace teorému dokázaného Johnem S. Bellem v roce 1964 a experimentálních výsledků získaných od počátku osmdesátých let. Bellův teorém staví na záhadě provázaných částic, na kterou upozornili v roce 1935 Einstein, Podolsky a Rosen (viz rámeček na straně 34). EPR-paradox předpokládá, že příroda je lokální, takže konkrétním změřením (provedeným např. Alenou) jedné částice z do daleka rozděleného provázaného páru nelze okamžitě změnit fyzikální stav vzdálené partnerské částice (kterou měří např. Bedřich). To vede k závěru, že Bedřichova částice musí mít předem určené hodnoty spinů do každého směru. Kvantová mechanika tedy musí být nekompletní, protože nestanovuje tyto hodnoty, s výjimkou záruky, že budou konsistentní s jakýmkoliv měřením, které provede Alena na své částici. Bell se zeptal: předpokládejme, že provázané částice Aleny a Bedřicha mají pevně určené hodnoty, mohou tyto částice reprodukovat výsledky předpovídané kvantovou mechanikou pro všechny způsoby, jak by mohli Alena a Bedřich změřit své částice? Vzpomeňte si, že u částic s provázaným spinem musí Alena a Bedřich každý zvolit osu, vůči které změří spin. Bell matematicky dokázal, že pokud Alena a Bedřich budou měřit podél os vzájemně natočených o 45 a 90 stupňů, jejich měření z více běhů experimentu vyprodukují statistické rozdělení výsledků, které nesouhlasí s předpověďmi kvantové mechaniky - bez ohledu na rozdělení pevně daných hodnot, jaké částice měly. Vědci místo elektronů provedli experimenty s provázanými fotony (což mění použité úhly, ale experiment je technicky mnohem jednodušší) a zjistili výsledky, které vyhovovaly kvantově mechanickým předpovědím. A tak podle Bellova teorému nesmí existovat žádné pevně určené hodnoty, které by tyto fotony nesly. Protože to je proti závěrům EPR, předpoklad, že příroda je lokální, je také chybný. A tak nemůže být vesmír, ve kterém žijeme, lokální. — D.Z.A. a R.G.
lo odpadlictví. Komunita fyziků se tedy odvrátila od svých starých snah o rozluštění povahy světa a po dlouhou dobu poté degradovala metafyzikální otázky na fantastickou literaturu. I dnes zůstává tato důležitá část Einsteinova odkazu záhadou. Nejprodávanější biografie Einsteina z roku 2007 napsaná Walterem Isaacsonem jednoduše čtenáře ujišťuje, že Einsteinova kritika kvantové mechaniky již byla vyřešena. A to prostě není pravda.
Návrat utlačovaných
První vážné vědecké úvahy o EPR-paradoxu se po více než 30 letech naprostého opomíjení objevily v slavném článku mimořádného irské
[Nelokálnost v běhu staletí]
1905: Einsteinova speciální teorie relativity slaďuje Maxwellovy rovnice s principem, že pozorovatelé pohybující se vzájemně konstantní rychlostí by měli vidět identické fyzikální zákony. Ničí ale možnost, že se vzdálené události stanou v absolutním smyslu simultánně.
80
ho fyzika Johna S. Bella z roku 1964. Z Bellovy práce vyplynulo, že se Bohr mýlil, když říkal, že s jeho chápáním kvantové mechaniky není nic špatně, a že Einstein se mýlil, když říkal, co je špatně na Bohrově chápání. Přijmout, co je špatně, zahrnuje opustit myšlenku lokálnosti. Klíčovou otázkou je, zda nelokálnosti, které se alespoň zdánlivě objevují v kvantově mechanickém algoritmu, jsou pouze zdánlivé, nebo zda jde o něco více. Bell je patrně prvním člověkem, který se sám sebe zeptal, co ta otázka přesně znamená. Jak odlišit zdánlivé fyzikální nelokálnosti od těch pravých? Odvodil, že pokud existuje prokazatelně a kompletně lokální algoritmus, který učiní stejné experimentální předpovědi, jako kvantově mechanický algoritmus, pak měli Einstein a Bohr pravdu s odmítáním nelokálnosti v kvantové mechanice jako pouhého pozůstatku příslušného formalismu. Naopak pokud se nelokálnostem nevyhne žádný algoritmus, pak musí jít o skutečný fyzikální jev. Bell poté analyzoval konkrétní scénář provázání a vyvodil závěr, že žádný takový lokální algoritmus není matematicky možný. A tak je skutečný fyzikální svět nelokální. Tečka. Tento závěr převrací vše naruby. Einstein, Bohr a všichni ostatní vždy považovali za dané, že jakákoliv skutečná nekompatibilita mezi kvantovou mechanikou a principem lokálnosti by znamenala špatné zprávy pro kvantovou mechaniku. Bell ale nyní ukázal, že lokálnost je nekompatibilní nejen s abstraktním teoretickým aparátem kvantové mechaniky, ale také s některými jejími empirickými předpověďmi. Experimentátoři – především Alain Aspect z Institutu optiky v Palaiseau ve Francii se svými spolupracovníky od roku 1981 – nezpochybnitelně dokázali, že jsou tyto předpovědi skutečně správné. Špatné zprávy tedy nepři-
1915: V Einsteinově všeobecné teorii relativity hraje zakřivení prostoročasu roli, kterou hrají elektromagnetická pole pro elektromagnetické síly. Gravitace je lokální: pokud se pohne hmotou, vlnky v zakřivení se šíří rychlostí světla.
S C I E N T I F I C A M E R I C A N Č E S K É V Y DÁ N Í
1935: Einstein, Boris Podolsky a Nathan Rosen namítají, že protože obsahují kvantově mechanické rovnice nelokální kroky, nemůže kvantová mechanika popisovat celý příběh. Niels Bohr (úplně vpravo) trvá na tom, že musíme přijmout kvantovou mechaniku a místo toho se vzdát starých představ o „realitě.”
ú n o r 2 010
hulton-deutsch (Einstein); c. henze/nasa (zakřivení prostoročasu); paul ehrenfest, zdroj: emilio segrÈ visual archives, ehrenfest collection (Einstein a Bohr)
[Teorie se setkává s praxí]
nesli kvantové mechanice, ale principu lokálnosti – a tudíž, pravděpodobně, i pro speciální relativitu, protože ta se, zdá se, o předpoklad lokálnosti opírá.
cern, zdroj: aip emilio segrÈ visual archives (Bell); paul kwiat a michael reck University of Vienna (provázání)
Metafyzická tajuplná cesta
Hlavní reakcí na Bellovu práci – tou, která v mnoha kruzích dodnes převládá – byl ještě větší zmatek. Bell ukázal, že jakákoliv teorie schopná reprodukovat empirické předpovědi kvantové mechaniky pro provázané páry částic – včetně samotné kvantové mechaniky – musí být opravdu fyzikálně nelokální. Tato zpráva je v podstatě ignorována. Místo toho téměř všichni říkají, že Bell ukázal, že jakýkoliv pokus nahradit ortodoxní kvantověmechanický obraz světa něčím více sladěným s našimi klasickými metafyzikálními představami – jakákoliv takzvaná teorie se skrytými proměnnými, deterministická teorie nebo filosoficky realistická teorie – by musel být nelokální, aby mohl reprodukovat kvantově mechanické předpovědi pro EPR-systém (několik možných únikových cest z Bellových závěrů naleznete v rámečku napravo). Lidé sice alespoň začali číst Bellovu práci, ale jako by ji četli přes tlusté brýle. Jen velmi malá skupina fyziků se tomuto nedorozumění vyhnula a uvědomila si, že Bellův důkaz a Aspectovy experimenty znamenají objev, že svět samotný je nelokální, ale i tito vědci si téměř ve všech případech mysleli, že daná nelokálnost neznamená pro speciální relativitu žádné velké nebezpečí. Tato víra pramení z myšlenky, že speciální relativita je neoddělitelně svázaná s nemožností vysílat zprávy rychleji než rychlostí světla. Konec konců, pokud speciální relativita platí, lze namítnout, že žádného hmotného nositele zprávy nelze urychlit z klidu na rychlosti vyšší než světelnou. A můžeme také namítnout, že zpráva přenesená rychleji než světlo by, podle 1964: John S. Bell (napravo) rozšiřuje „EPR”-úvahy na případy, kdy se spiny měří vůči ne-rovnoběžným osám a ukazuje, že žádná lokální teorie nemůže nijak reprodukovat všechny kvantově mechanické předpovědi experimentálních výsledků. Předpovědi jakékoliv lokální teorie musí vždy vyhovovat matematickým vztahům známým jako Bellovy nerovnosti.
w w w. S c i A m . c z
některých hodin, byla zprávou, která dorazí předtím, než by byla vyslaná, což potenciálně vyvolá všechny paradoxy cestování časem. Již v roce 1932 dokázal brilantní maďarský matematik John von Neumann, že nelokálnost kvantové mechaniky nemůže být nikdy využita v mechanismu, který by umožnil okamžitý přenos zpráv. Po mnoho desetiletí považovala prakticky celá komunita teoretických fyziků von Neumannův důkaz za ujištění, že kvantově mechanická nelokálnost a speciální relativita mohou spolu pohodlně existovat vedle sebe.
Pestrá nelokální zkušenost
Trvalo dalších 30 let od publikace Bellova článku, než se fyzikové podívali těmto problémům zpříma do tváře. První jasná, živá, logicky bezchybná a nekompromisně upřímná diskuse o kvantové nelokálnosti a relativitě se objevila v roce 1994 v stejnojmenné knize Tima Maudlina z Rutgers University. Jeho práce vyzdvihla, že kompatibilita nelokálnosti a speciální relativity je mnohem citlivější otázkou, než bychom podle tradičních otřepaných frází o okamžitých zprávách věřili. Maudlinova práce se vyskytla na pozadí nového a hlubokého posunu v intelektuálním prostředí. Od počátku osmdesátých let svět přestával lpět na Bohrově přesvědčení, že nemůže existovat žádný staromódní, filosoficky realistický popis subatomárního světa. Zdálo se tehdy, že několik konkrétních slibných vědeckých návrhů poskytuje právě takový dobrý popis, přinejmenším v aproximaci zanedbávající účinky speciální relativity. Mezi tyto návrhy patří bohmovská mechanika Angličana Davida Bohma (vyvinutá počátkem padesátých letech v důsledku inspirace Bellovým dílem, ale jinak převážně ignorovaná) a GRW-model Italů GianCarla Ghirardiho, Alberta Riminiho a Tullia Webera (viz článek „Bohm´s Alter-
Další únikové cesty Někteří fyzikové tvrdí, že matematický důkaz Johna S. Bella o nelokálnosti kvantově mechanického světa má několik únikových klauzulí.
Mnoho světů Bell nevinně předpokládá, že kvantové experimenty mají unikátní výsledky. V interpretaci mnoha světů ovšem kvantové měření efektivně rozdělí vesmír na větve, ve kterých paralelně nastanou všechny možné výsledky (viz článek „The Many Worlds of Hugh Everett“, napsal Peter Byrne, Scientific American, prosinec 2007). Váš vesmír tedy může být „lokální“, pokud vaše kopie obývají myriády neviditelných paralelních vesmírů. Tento přístup ovšem provází mnoho obtížných problémů.
Realismus? Mnozí věří, že protože začal Bell předpokladem, že svět vyhovuje tak zvanému místnímu realismu, dokázal, že buď lokálnost nebo realismus neplatí. Svět může být lokální, pokud porušuje „realismus.” Tato myšlenka ale přehlíží - nebo nechápe - že původní EPR-paradox Alberta Einsteina, Borise Podolského a Nathana Rosena vylučuje možnost kvantové lokálnosti bez použití Bellova realismu. — D.Z.A. a R.G.
1981–současnost: Experimenty pomocí provázaných stavů světla (napravo), provedené především Alainem Aspectem a jeho kolegy, ověřily, že svět se řídí předpověďmi kvantové mechaniky i v těch případech, kdy kvantová mechanika porušuje Bellovy nerovnosti. Svět tedy nakonec není lokální.
S C I E N T I F I C A M E R I C A N Č E S K É V Y DÁ N Í
81
[Problém]
Proč nemá speciální relativita ráda nelokálnost
Future
Dozadu Doleva
Dopředu V ýc h
Budoucnost Západ d
Časová a prostorová osa Aleny (červeně) mají střed tam, kde stojí přesně o půlnoci. Bedřich přelétá nad Alenou a míří na východ téměř rychlostí světla. Jeho pohyb nakloní vzhledem k Aleně jeho časovou a prostorovou osu (modře). Dvojice se neshodne na tom, kdy vybuchne několik kilometrů vzdálená bomba: Alena trvá na tom, že se to stalo o půlnoci, ale Bedřich říká, že se to stalo o několik vteřin dříve (modrá přerušovaná čára).
native to Quantum mechanics,“ David Z. Albert, Scientific American, květen 1994). Začala se probouzet stará snaha fyziky být průvodcem k metafyzice, říci nám doslovně a přímo, jaký svět vlastně je – snaha, která ležela spící a opominutá po více než 50 let. Maudlinova práce se zaměřuje na tři důležité body. Za prvé, speciální relativita je tvrzení o geometrické struktuře prostoru a času. Nemožnost přenášet hmotnost nebo energii nebo informaci nebo kauzální vlivy rychleji než světlo – žádný z těchto požadavků nezaručuje sám o sobě, ani vzdáleně, že jsou tvrzení teorie o geometrii pravdivá. Von Neumannův důkaz o přenášení zpráv jako takový nám tedy nenabízí ujištění, že kvantová mechanika a speciální relativita mohou mírumilovně koexistovat. Za druhé, pravda speciální relativity je (a to je fakt) perfektně kompatibilní s enormní pestrostí hypotetických mechanismů pro přenos hmoty nebo energie nebo informace nebo kauzálních vlivů rychleji než světlo. V šedesátých letech například Gerald Feinberg z Kolumbijské university publikoval vnitřně konsistentní a plně relativistickou teorii hypotetického dru-
82
S C I E N T I F I C A M E R I C A N Č E S K É V Y DÁ N Í
Výbuch
.59 11:59
Minu
Dozadu
Alena a Bedřich, kteří stojí na různých místech kolem stolu, se neshodnou na prostorových směrech „doprava”, „doleva”, „dopředu a „dozadu”. Speciální relativita ukazuje, že vzájemně se pohybující lidé se také kromě prostoru neshodnou na čase.
Východ
c Půlno
lost
Z ápa
Doleva
Půlnoc
Minulost
Doprava
od
hu částic – tachyonů – pro které je fyzicky nemožné cestovat pomaleji než světlo. Maudlin vymyslel další příklady. Pouhá existence nelokálnosti v kvantové mechanice sama o sobě tedy neznamená, že kvantová mechanika nemůže koexistovat se speciální relativitou. Takže naděje možná existuje. Jak ale Maudlin zdůraznil ve svém třetím bodě, právě rozmanitost působení na dálku, se kterou se setkáváme v kvantové mechanice, je právě tím, co se tak liší od příkladů v podobě Feinbergových tachyonů nebo dalších Maudlinových příkladů. Na způsobu, jakým mohou kvantově mechanické částice nelokálně ovlivnit ostatní, je tak zvláštní to, že tato vlastnost nezávisí na prostorovém uspořádání částic nebo na jejich vrozených fyzikálních vlastnostech – jako je tomu v případě relativistických vlivů zmiňovaných v předchozích odstavcích – ale čistě jen na tom, jestli spolu dané částice jsou nebo nejsou k vantově mechanick y provázány. Typ nelokálnosti, se kterým se setkáváme v kvantové mechanice, si, zdá se, žádá absolutní simultánnost, což by pro speciální relaú n o r 2 010
alfred t. kamajian
Doprava
e
Na obrázku se Alena nemůže shodnout s Bedřichem na tom, které vzdálené události probíhají současně, ani se nemohou shodnout na teorii, která by obsahovala působení na dálku, jako když například Alena způsobí vzdálený výbuch „okamžitě” po stisknutí tlačítka o půlnoci.
Fu t u r
Speciální teorie relativity odkrývá zásadní geometrický vztah mezi prostorem a časem, jak jsi jej před tím nikdo nepředstavoval. Kvůli tomuto vztahu je koncept „okamžitého působení na dálku” nejen podivný, ale přímo nepochopitelný.
tivitu znamenalo vážnou a ponurou hrozbu. V tom je ta potíž.
Naděje pro speciální relativitu?
Z této diskuse se v posledních několika letech vynořily dva nové výsledky přitahující pozornost z různých směrů. První naznačuje způsob, jak by mohla být nelokálnost kvantové mechaniky kompatibilní se speciální relativitou; druhý odhaluje nový úder, který kombinace kvantové mechaniky a speciální relativity zasazujr naší nejhlubší intuici chápání světa. První výsledek se objevil v roce 2006 v úchvatném článku Rodericha Tumulka, mladého německého matematika, nyní působícího v Rutgers. Tumulka ukázal, jak by mohly být empirické předpovědi kvantové mechaniky pro provázané páry částic reprodukované chytrou modifikací teorie GRW (vzpomeňte si, že tato teorie navrhuje fyzikálně realistický způsob, jak za mnoha okolností získat předpovědi kvantové mechaniky). Modifikace je nelokální, ale přitom plně kompatibilní s prostoročasovou geometrií speciální relativity. Tato práce je více méně stále ještě v plenkách. Nikdo zatím nebyl schopen poskytnout uspokojující verzi Tumulkovy teorie, již by šlo aplikovat na částice, které se přitahují nebo odpuzují. Tato teorie navíc zavádí nový druh nelokálnosti do zákonů přírody – nelokálnost nejen v prostoru, ale i v čase. Abychom mohli tuto teorii použít k předpovědi pravděpodobnosti, co se stane příště, musíme zadat nejen kompletní současný fyzický stav vesmíru (jak je zvykem ve fyzikálních teoriích), ale také nějaká data o minulosti. Tento rys a několik dalších jsou problematické, ale Tumulkovi se nepochybně podařilo trochu zaplašit Maudlinovy obavy, že kvantovou mechaniku nelze skloubit se speciální relativitou. Druhý nedávný výsledek, objevený jedním z autorů (Albertem), ukázal, že kombinace kvantové mechaniky a speciální relativity vyžaduje, abychom se vzdali dalších našich vrozených přesvědčení. Věříme, že vše, co můžeme říci o světě, lze v principu podat formou vyprávění, příběhu. Neboli přesněji a techničtěji: vše, co můžeme říci, lze zabalit do nekonečné sady vět typu: „v čase t1 je tohle fyzikální stav světa“ a „v t2 je tamto přesný fyzikální stav světa“, a tak dále. Jenže z kvantově mechanického provázání a prostoročasové geometrie speciální relativity – uvažovaných společně – plyne, že fyzikální historie světa je na to nekonečněkrát příliš bohatá. w w w. S c i A m . c z
➥ Chcete-li
vědět více:
Quantum Theory and Measurement. Editovali John Archibald Wheeler a Wojciech Hubert Zurek. Princeton University Press, 1983. (Obsahuje původní EPR článek a odpověď Nielse Bohra.) Quantum Mechanics and Experience. David Z Albert. Harvard University Press, 1992. The Shaky Game: Einstein, Realism, and the Quantum Theory. Druhé vydání. Arthur Fine. University of Chicago Press, 1996. Quantum Non-Locality and Relativity: Metaphysical Intimations of Modern Physics. Druhé vydání. Tim Maudlin. Wiley-Blackwell, 2002. Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics: Collected Papers on Quantum Philosophy. Druhé vydání. J. S. Bell. Cambridge University Press, 2004.
Problémem je, že má speciální relativita tendence promíchat čas a prostor způsobem, který transformuje kvantově mechanické provázání mezi různými fyzikálními systémy do něčeho podél linií provázání mezi fyzikálními situacemi v různých okamžicích – něco, co naprosto konkrétně přesahuje nebo se vymyká nebo nemá nic společného s žádnou sumou situací v různých časových okamžicích. Takový výsledek, jako mnoho teoretických výsledků v kvantové mechanice, zahrnuje analýzy a manipulace s matematickou entitou zvanou vlnová funkce, konceptem zavedeným Erwinem Schrödingerem před osmdesáti lety pro definici kvantových stavů. Je to vlnová funkce, ze které fyzikové odvozují možnost (vlastně nutnost) provázání částic o nedefinovaných polohách, a tak dále. A je to vlnová funkce, která leží v srdci otázek o nelokálnosti efektů kvantové mechaniky. Ale co to přesně je? Výzkumníci základů fyziky o této otázce nyní živě debatují. Je vlnová funkce konkrétní objekt, nebo něco na způsob pohybového zákona, nebo vnitřní vlastností částic, nebo vztahem mezi body v prostoru? Nebo je to pouhá momentální informace o částicích? Nebo co? Kvantově mechanické vlnové funkce nelze matematicky reprezentovat v ničem menším než v zapeklitém mnohorozměrném prostoru zvaném konfigurační prostor. Pokud, jak někteří namítají, se o vlnové funkci musí přemýšlet jako o konkrétním fyzickém objektu, pak se musíme vážně zamyslet nad ideou, že se historie světa neodehrává jen ve třírozměrném světě naší každodenní zkušenosti nebo čtyřrozměrném prostoročase speciální relativity, ale v onom gigantickém a neznámém konfiguračním prostoru, ze kterého se nějak vynořuje zdání třírozměrnosti. Naše třírozměrná myšlenka lokálnosti by se musela chápat stejně tak. Nelokálnost kvantové fyziky může být naším oknem do této hlubší úrovně reality. Stav speciální relativity, o něco více než po sto letech od jejího představení světu, je najednou radikálně otevřenou a rychle se vyvíjející otázkou. Tato situace nastala, protože fyzikové a filosofové začali konečně sledovat volné nitky Einsteinových dlouho zanedbávaných námitek proti kvantové mechanice – a ironicky dalšího důkazu Einsteinova génia. Pokořený guru se možná mýlil tam, kde si myslíme, že má pravdu, a měl pravdu tam, kde si myslíme, že se mýlil. Možná, že nakonec vesmír neuvidíme přes tak začerněné sklo, jak se dlouho myslelo. ■ S C I E N T I F I C A M E R I C A N Č E S K É V Y DÁ N Í
83
