Czas może być iluzją stworzoną przez splątanie kwantowe

Latem 1935 roku fizycy Albert Einstein i Erwin Schrödinger prowadzili intensywną korespondencję na temat implikacji nowej teorii mechaniki kwantowej. Przedmiotem ich niepokoju było zjawisko, które Schrödinger nazwał później splątaniem kwantowym - niemożność niezależnego opisania dwóch układów kwantowych lub cząstek po tym, jak ze sobą oddziałały.

 

 

Przez całe życie Einstein pozostawał przekonany, że splątanie kwantowe dowodzi niepełności mechaniki kwantowej. Schrödinger uważał, że splątanie jest charakterystyczną cechą nowej fizyki, ale to nie oznaczało, że z łatwością je akceptował. W liście do Einsteina z 13 lipca 1935 roku pisał: “Wiem oczywiście, jak ten hocus pocus działa matematycznie. Ale nie podoba mi się taka teoria.” Słynny kot Schrödingera, zawieszony między życiem a śmiercią, po raz pierwszy pojawił się właśnie w tych listach, jako produkt uboczny walki z artykulacją tego, co niepokoiło obu uczonych.

 

Problem polega na tym, że splątanie kwantowe narusza sposób, w jaki świat powinien działać. Informacja nie może podróżować szybciej niż prędkość światła. Jednak w artykule z 1935 roku Einstein wraz ze współautorami pokazał, jak splątanie prowadzi do tego, co dziś nazywamy kwantową nielokalością - upiornego połączenia, które wydaje się istnieć między splątanymi cząstkami. Jeśli dwa układy kwantowe się spotkają, a następnie się rozdzielą, nawet na odległość tysięcy lat świetlnych, zmierzenie cech jednego układu natychmiast wpływa na drugi, wprowadzając go w odpowiedni stan.

 

Do tej pory większość eksperymentów testowała splątanie kwantowe w przestrzeni. Zakłada się, że nielokalność odnosiła się do splątania właściwości w przestrzeni. Ale co jeśli splątanie występuje również w czasie? Czy istnieje coś takiego jak czasowa nielokalność?

 

Odpowiedź brzmi: tak. Właśnie kiedy można by pomyśleć, że mechanika kwantowa nie może być już dziwniejsza, zespół fizyków z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie poinformował w 2013 roku, że udało im się z powodzeniem splątać fotony, które nigdy nie współistniały. Wcześniejsze eksperymenty z wykorzystaniem techniki zwanej “zamianą splątania” już pokazywały korelacje kwantowe w czasie, poprzez opóźnienie pomiaru jednej ze współistniejących splątanych cząstek. Jednak Eli Megidish i jego współpracownicy byli pierwszymi, którzy pokazali splątanie między fotonami, których okresy życia w ogóle się nie pokrywały.

 

Sposób, w jaki to zrobili, jest fascynujący. Najpierw stworzyli splątaną parę fotonów ‘1-2’. Wkrótce potem zmierzyli polaryzację fotonu 1 - właściwość opisującą kierunek oscylacji światła - tym samym go “zabijając”. Foton 2 został wysłany w podróż, podczas gdy powstała nowa splątana para ‘3-4’. Następnie foton 3 został zmierzony wraz z wędrującym fotonem 2 w taki sposób, że relacja splątania została “zamieniona” ze starych par na nową kombinację ‘2-3’. Jakiś czas później zmierzono polaryzację jedynego ocalałego fotonu 4, a wyniki porównano z tymi od dawna martwego fotonu 1.

 

Rezultat? Dane ujawniły istnienie korelacji kwantowych między “czasowo nielokalnie” fotonami 1 i 4. Oznacza to, że splątanie może występować między dwoma układami kwantowymi, które nigdy nie współistniały.

 

Co to może oznaczać? Na pierwszy rzut oka wydaje się to równie niepokojące jak stwierdzenie, że polaryzacja światła gwiazd w odległej przeszłości - powiedzmy sprzed więcej niż dwukrotności życia Ziemi - mimo wszystko wpłynęła na polaryzację światła gwiazd padającego przez teleskop amatorski tej zimy. Jeszcze bardziej dziwne: może to oznacza, że pomiary przeprowadzone przez oko na świetle gwiazd padającym przez teleskop tej zimy w jakiś sposób dyktowały polaryzację fotonów sprzed ponad 9 miliardów lat.

 

Megidish i jego koledzy nie mogą się oprzeć spekulacjom na temat możliwych interpretacji swoich wyników. Być może pomiar polaryzacji fotonu 1 w jakiś sposób steruje przyszłą polaryzacją fotonu 4, lub pomiar polaryzacji fotonu 4 w jakiś sposób przepisuje przeszły stan polaryzacji fotonu 1. W obu kierunkach - do przodu i do tyłu - korelacje kwantowe przepinają przyczynową pustkę między śmiercią jednego fotonu a narodzinami drugiego.

 

Jednak odrobina teorii względności pomaga zrozumieć tę dziwność. Rozwijając swoją szczególną teorię względności, Einstein pozbawił pojęcie równoczesności jego newtonowskiego piedestału. W konsekwencji równoczesność przestała być właściwością absolutną, a stała się relatywną. Nie ma jednego zegarmistrza dla Wszechświata; dokładnie kiedy coś się dzieje, zależy od precyzyjnej lokalizacji względem tego, co obserwujesz, znanej jako układ odniesienia. 

 

Kluczem do uniknięcia dziwnego zachowania przyczynowego w przypadkach rozdzielenia czasowego jest zaakceptowanie, że nazywanie wydarzeń “równoczesnymi” niesie niewielki ciężar metafizyczny. To tylko właściwość specyficzna dla układu odniesienia, wybór spośród wielu alternatywnych, ale równie realistycznych opcji - kwestia konwencji lub prowadzenia zapisów.

 

Ta lekcja przenosi się bezpośrednio zarówno na przestrzenną, jak i czasową kwantową nielokalność. Zagadki dotyczące splątanych par cząstek sprowadzają się do nieporozumień co do etykietowania, spowodowanych przez względność. Einstein pokazał, że żadna sekwencja wydarzeń nie może być metafizycznie uprzywilejowana - uznana za bardziej rzeczywistą niż jakakolwiek inna. Tylko przez zaakceptowanie tego wglądu można poczynić postępy w takich kwantowych zagadkach.

 

Różne układy odniesienia w eksperymencie Uniwersytetu Hebrajskiego mają swoich własnych “historyków”. Chociaż ci historycy będą się nie zgadzać co do tego, jak sprawy przebiegały, żaden z nich nie może rościć sobie prawa do prawdy. Różna sekwencja wydarzeń rozwija się w każdym z nich, zgodnie z danym punkt widzenia czasoprzestrzennego.

 

Te odkrycia napędzają kolejny klin między naszymi ukochanymi klasycznymi intuicjami a empirycznymi realnościami mechaniki kwantowej. Jak było prawdą dla Schrödingera i jego współczesnych, postęp naukowy będzie wiązał się z badaniem ograniczeń pewnych poglądów metafizycznych. Kot Schrödingera, w połowie żywy i w połowie martwy, został stworzony, aby zilustrować, jak splątanie układów prowadzi do makroskopijnych fenomenów, które przeciwstawią się naszemu zwykłemu rozumieniu relacji między obiektami a ich właściwościami.

 

Większość współczesnych filozoficznych ujęć relacji między obiektami a ich właściwościami obejmuje splątanie wyłącznie z perspektywy przestrzennej nielokalności. Ale nadal jest znacząca praca do wykonania w zakresie włączenia czasowej nielokalności - nie tylko w dyskusjach obiekt-właściwość, ale także w debatach nad składem materialnym i relacjami część-całość. Na przykład, “zagadka” tego, jak części pasują do ogólnej całości, zakłada wyraźne przestrzenne granice między podstawowymi składnikami, jednak przestrzenna nielokalność ostrzega przed tym poglądem. Czasowa nielokalność dodatkowo komplikuje ten obraz: jak opisać byt, którego części składowe nawet nie współistnieją?

 

Rozpoznanie natury splątania może czasami być niewygodnym projektem. Nie jest jasne, jaka rzeczowa metafizyka może wyłonić się z badania fascynujących nowych badań takich fizyków jak Megidish. W liście do Einsteina Schrödinger zauważa ironicznie: “Ma się wrażenie, że to właśnie najważniejsze stwierdzenia nowej teorii można naprawdę wepchnąć w te hiszpańskie buty - ale tylko z trudem.” Nie możemy sobie pozwolić na ignorowanie przestrzennej czy czasowej nielokalności w przyszłej metafizyce: czy buty pasują, czy nie, będziemy musieli je nosić.

 

Współczesne badania pokazują, że splątanie kwantowe może być jeszcze bardziej fundamentalne dla naszego rozumienia rzeczywistości, niż dotychczas sądzono. Włoscy naukowcy z turyńskiego Narodowego Instytutu Badań Meteorologicznych zaproponowali nawet model wszechświata, w którym czas jest jedynie złudzeniem, a jego upływ stanowi tylko dziwną właściwość splątania kwantowego. Według ich koncepcji, gdy obserwator widzi, jak obiekt zmienia się w czasie, dzieje się tak tylko dlatego, że ten obiekt jest splątany z zegarem.

 

Polscy fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie pokazali również, jak wytworzyć dowolny typ splątania dla cząstek, które nigdy się nie spotkały. Ich badania wykorzystują fakt, że wszystkie cząstki tego samego rodzaju we Wszechświecie są identyczne, niezależnie od dzielącej je odległości, co prowadzi do formalnego splątania między nimi.

 

Te odkrycia otwierają nowe perspektywy dla technologii kwantowych, kryptografii kwantowej i naszego podstawowego rozumienia natury czasu i przestrzeni. Pokazują, że rzeczywistość może być znacznie bardziej dziwna i wzajemnie powiązana, niż kiedykolwiek sobie wyobrażaliśmy.