Jos ymmärrät kvanttimekaniikkaa…

(C) Buu-klubben

Voiko kvanttifysiikka muuttua enää kummallisemmaksi kuin se jo on? Kyllä voi. Uuden tutkimuksen jälkeen arkijärkiparka menee entistä pahemmin solmuun, jos se yrittää ymmärtää miten maailma pohjimmiltaan oikein toimii. (”Arkijärkiparka” – maistelepa hetki sitä sanaa, suomi on kaunista!)

Spukhafte Fernwirkung, aavemainen etävaikutus, näin kuvasi turhautunut Albert Einstein yhtä kvanttifysiikan kummallisuutta, sitä miten hiukkaset tuntuvat tekevän yhteistyötä, vaikka minkäänlainen tiedonkulku niiden välillä ei olisi mahdollista.

Laskunsa osaavat teoreetikot laskeskelivat hiljattain, että tämä Einsteinin manaama aavemaisuus koskee avaruudellisen etäisyyden lisäksi myös ajallista etäisyyttä (Wiegner ym. 2011). Tuoreessa artikkelissa taitavat käytännön ”kvanttimekaanikot” raportoivat kokeestaan, joka vahvistaa tämän kvanttifysiikan aiemmin tutkimattoman merkillisyyden (Megidish ym. 2013). Kokeessa yhteistyötä tekivät hiukkaset, joista ensimmäinen tuhoutui ennen kuin jälkimmäinen oli vielä syntynytkään.

Yritän seuraavaksi värikkäiden pallojen avulla havainnollistaa näitä uusia tutkimustuloksia.*  Jos havainnollistuksen jälkeen ymmärrät miten kvanttimekaniikka toimii, niin olet ymmärtänyt jotain väärin…**

Lomittuneiden hiukkasten seikkailua. Ylhäältä alas: hiukkasten etäisyys kasvaa, mutta salaperäinen yhteys niiden välillä säilyy (katkoviiva). Hiukkanen yllätetään mittaamalla. Tulosta ei voi etukäteen tietää (”punainen” vai ”vihreä”), mutta kun se on selvillä toisenkin hiukkasen ”aaltofunktio romahtaa”. Toinen hiukkanen osoittautuu aina ”punaiseksi” ja toinen ”vihreäksi”. Paitsi jos mitataankin jotain ihan muuta. Silloin hiukkaset eivät olekaan ”punaisia tai vihreitä” vaan ”violetteja tai keltaisia”.

Kuvassa 1 seurataan kahta lomittunutta hiukkasta. Lomittuneet hiukkaset ovat juuri niitä hiukkasia, jotka tuntuvat tietävän toistensa tekemisistä ilman, että mikään tieto virtaa niiden välillä.

Megidishin ym. (2013) kokeessa hiukkaset olivat fotoneja eli valoa, mutta ne voisivat olla myös elektroneja tai mitä vaan muita maailman perusrakennuspalikoita (tai perusrakennusjotain).

Yleensä kokeissa lomittuneet hiukkaset syntyvät yhtäaikaa samasta lähteestä, mutta kuten myöhemmin nähdään, näin ei tarvitse olla.

Lomittuneiden hiukkasten mahdottomalta vaikuttava yhteistyö ilmenee, kun toisesta hiukkasesta mitataan jokin sopiva ominaisuus. Toinen hiukkanen omaksuu välittömästi toisen, vastakkaisen ominaisuuden (tämän voi myöhemmin tarkistaa). Kuvassa 1a tämä ominaisuuspari on punainen/vihreä väri. Kuvassa 1b mitattavaa toista ominaisuusparia on kuvattu väreillä violetti/keltainen.

Ai, että mikä siinä kahden hitusen synkronoinnissa on niin ihmeellistä”? Juju on siinä, että hiukkaset eivät etukäteen tiedä mitä ominaisuutta niistä mitataan. Mitattavat asiat voivat olla keskenään ristiriitaisia, sellaisia, että molempia ominaisuuksia hiukkasella ei (arkijärjellä ajatellen) voi olla yhtäaikaa. Kuvan 1 väripallovertauksen mukaan hiukkanen ei voi olla yhtäaikaa esimerkiksi sekä punainen että violetti.

Kvanttifysiikan mukaan ominaisuudet eivät ole hiukkasissa ”valmiina”, ne syntyvät vasta kun mitataan.

Hiukkasten etäisyydellä ei ole väliä.  Toinen hiukkanen voi olla olohuoneessasi ja sen kanssa lomittunut hiukkanen Alfa Kentaurissa. Silti ne tuntuvat tietävän välittömästi, että mitä kaverille tehdään. Jos havaitset olohuoneesi hiukkasella jonkin piirteen, Alfa Kentaurin hiukkanen omaksuu heti vastakkaisen piirteen. Voit tarkistaa asian postitse Alfa Kentaurista. Vastauksen saaminen kestää kahdeksan vuotta ja yhdeksän kuukautta, jos posti kulkee valonnopeudella.

Ylhäältä alas: alkutilanteessa on kaksi lomittunutta hiukkasparia. Ensimmäisestä parista toinen hiukkanen mitataan (tulos: ”punainen”) ja toinen ketjutetaan toisen hiukkasparin toisen hiukkasen kanssa ”Bell-tilaan”, jolloin ne lomittuvat. Kakkoshiukkasparin jäljelle jäänyt hiukkanen osoittautuu ”punaiseksi” mitatun hiukkasen lomittuneeksi pariksi (”vihreä”). Ei haittaa vaikka ensimmäinen hiukkanen tuhoutui mittaustapahtumassa jo ennen kuin jälkimmäinen oli syntynytkään.

Kokeet olivat jo aiemmin todistaneet, että lomittumista voi ketjuttaa (”entanglement swapping”; Pan ym. 1998). ”Aavemaisen” yhteydenpidon voi siirtää lomittuneen parin hiukkaselta toisen lomittuneen parin hiukkaseen. Tämä onnistuu, kun molemmista hiukkaspareista yksi hiukkanen viedään yhteen niin, että ne lomittuvat. Jäljelle jääneet pitävät yhteyttä, vaikka eivät ole koskaan tavanneet.

Megidishin ym. (2013) kokeen uusi jippo oli, että lomittuneiden hiukkasparien ei tarvitse olla edes yhtäaikaa olemassa. Lomittumisen loikkaaminen saadaan toimimaan, vaikka ensimmäisen parin toinen hiukkanen olisi jo mitattu ja mittaamisen seuraksena tuhoutunut ennen kuin jälkimmäinen hiukkaspari on syntynytkään. Kun ensimmäisestä parista jäljelle jäänyt hiukkanen lomitetaan uuden parin toisen hiukkasen kanssa, koko neljän hiukkasen sopasta ainoana ehjänä ulos putkahtava hiukkanen osoittautuu ihan ensimmäisenä mitatun hiukkasen lomittumiskaveriksi – vaikka nämä hiukkaset eivät ole olleet samaan aikaan edes olemassa.

”Käsittämätöntä soopaa?” Käsittämätöntä – kyllä. Soopaa – ei. Kvanttimekaniikkaa käytetään, koska se toimii (bitches)!

Voit laskea ja rakentaa ja värkätä ja ennustaa ja luottaa aina siihen, että kvanttimekaniikasta saat oikeat luvut älyttömän tarkasti. Pulma on vain, että ennusteet ovat tilastollisia. Yksittäistapauksista ei koskaan tiedä mitä tapahtuu. Outous on siinä, että mistä ison hiukkasjoukon ennustettavuus kumpuaa, kun yksittäistapaukset ovat ennustamattomia.

Tässä jutussa käsitellyillä kvanttimekaniikan uusilla ihmeellisyyksilläkin voi olla käytännön sovellutuksia.

”Hyötyä? Käytännössä? Kuinka viehättävän vanhanaikaista!” – oikea asenne tieteelliseen perustutkimukseen. Kuva: Gonick ja Willis 1983

Odotapa vain, ehkä tulevaisuudessa läppärisi onkin kvanttitietokone, jonka toiminta perustuu näihin kvanttikummitusten aaveyhteyksiin ja yhteyksien pomppimiseen yli avaruuden ja ajan. Tai kaikki salausjärjestelmät murretaan kvanttien kummittelun avulla. Tai teleportaatio lakkaa olemasta pelkkää tieteiskirjallisuutta. Ihan totta, näistä jutuista puhutaan oikeissa tieteellisissä artikkeleissa.

* En käyttänyt tässä jutussa sellaisia sanoja kuin polarisaatiotaso tai spin. Piirtelin sen sijaan värikkäitä palloja. Alkeishiukkaset ovat tietysti ihan liian pieniä ollakseen minkään värisiä. Eivätkä ne ole pallojakaan. Toisaalta polarisaatio ja spin vievät mielikuvat hiukkasten heilumiseen ja pyörimiseen ja ne mielikuvat voivat olla yhtä harhaanjohtavia kuin värikkäät pallot.

** Richard Feynman sanoi, tai mahdollisesti ei sanonut, mutta ainakin Feynmanin tyyliin olisi hyvin sopinut sanoa: ”jos luulet ymmärtäväsi kvanttimekaniikkaa et ymmärrä kvanttimekaniikkaa”.

Lähteet:

Megidish, E., Halevy, A., Shacham, T., Dvir, T., Dovrat, L. ja Eisenberg, H. S. 2013:  Entanglement swapping between photons that have never coexisted. Phys. Rev. Lett. 110: 210403 (pdf)

Pan, J.-W., Bouwmeester, D., Weinfurter, H.  ja Zeilinger, A. 1998: Experimental entanglement swapping: Entangling photons that never interacted. Phys. Rev. Lett. 80: 3891-3894 (pdf)

Wiegner, R., Thiel, C., Zanthier, J. von ja Agarwal, G. S. 2011: Quantum interference and entanglement of photons that do not overlap in time. Opt. Lett. 36: 1512-1514 (pdf)

”How quaint!” -kuva:

Gonick, L. ja Wheelis, M. 1983: Cartoon guide to genetics. Barnes & Noble. 215 s. Vanha, mutta edelleen aivan mahtava sarjakuva perinnöllisyystieteestä.

Advertisement