Våre klassiske forestillinger om kausalitet viser seg mest å bygge på hverdagslige forestillinger - rett og slett på en overtro på at en årsak forårsaker en virkning senere i tid. Hva om en virkning en fremtiden forårsaker en årsak i fortiden? Det først vi vil må gjøre, er da å bytte navn på de to begrepene, for nå er virkningen årsak til årsaken, som har gitt en virkning som skjer før årsaken. Umulig i vår bevisshets klokke, som tikker av gårde i en illusjon om jevn bevegelse i enveiskjøring mot fremtiden, et sted vi aldri når fram til.
Det er kjent for mange at sammenfiltring av kvantepartikler skjer i rom, men det samme skjer også i tid. Fysikeren Vlatko Vedra har arbeidet mye med problemstillinger rundt denne tematikken. Flere eksperimenter har bekreftet at partikler fra et senere tidspunkt er sammenfiltret med partikler fra et tidligere tidspunkt.
Ett av dem er kvante-forsinket valg-eksperimentet, som viser at kvantetilstanden til et foton kan vikles inn med et annet foton som eksisterte i fortiden. Et annet er kvante-utviskelses-eksperimentet, som viser at interferensmønsteret til et foton kan være slettes eller gjenopprettes ved å måle eller ikke måle den sammenfiltrede partneren, selv etter at fotonet har blitt oppdaget. En tredje er den eksperimentelle sammenfiltringsbyttingen, som viser at to fotoner som aldri interagerte kan bli viklet inn ved å bruke et par sammenfiltrede fotoner som interagerte med dem til forskjellige tider. Disse eksperimentene utfordrer altså i høyeste grad våre klassiske forestillinger om kausalitet og antyder at kvanteforviklinger kan koble fortid og nåtid på en ikke-lokal måte.
Det første av disse tre eksperimentene fungerer som følger:
En laser sender ut et par sammenfiltrede fotoner, hvorav den ene (foton 1) går til den dobbeltspaltede enheten, og den andre (foton 2) går til den kvantestyrte strålesplitteren.
Foton 1 passerer gjennom spaltene og når den kvantestyrte stråledeleren, som enten kan rette den til detektor D0 eller reflektere den til detektor D1 eller D2, avhengig av tilstanden til foton 2.
Foton 2 sendes til en enhet som kan måle polarisasjonstilstanden, enten horisontalt eller vertikalt. Denne målingen bestemmer tilstanden til den kvantestyrte stråledeleren for foton 1.
Hvis foton 2 måles i horisontal tilstand, fungerer den kvantestyrte stråledeleren som en normal stråledeler, og foton 1 kan nå enten detektor D0 eller D1. I dette tilfellet blir interferensmønsteret til foton 1 slettet, og det oppfører seg som en partikkel.
Hvis foton 2 måles i vertikal tilstand, fungerer den kvantestyrte stråledeleren som et speil, og foton 1 kan bare nå detektor D2. I dette tilfellet blir interferensmønsteret til foton 1 gjenopprettet, og det oppfører seg som en bølge.
Målingen av foton 2 kan forsinkes til etter at foton 1 har nådd den kvantestyrte stråledeleren, så valget om å observere partikkel- eller bølgeoppførselen til foton 1 tas etter at det har passert gjennom spaltene.
Kvanteforsinket valg-eksperimentet viser at kvantetilstanden til et foton kan vikles sammen med et annet foton som eksisterte i fortiden, og at valget av måling kan påvirke resultatet av eksperimentet, selv om det er gjort etter at fotonet allerede har samhandlet med apparatet.
Disse eksperimentene innebærer imidlertid ikke at kausalitet bare er et produkt av fantasien vår. De viser bare at kausalitet i kvantemekanikk er forskjellig fra kausalitet i klassisk fysikk, og at vi trenger å revidere vår forståelse av virkelighetens natur. Det er fortsatt noen prinsipper som begrenser mulige årsakssammenhenger i kvantemekanikk, for eksempel "the no-signaling theorem", som sier at kvanteforviklinger ikke kan brukes til å overføre informasjon raskere enn lys. Kvantemekanikk bryter derfor ikke med den relativistiske forestillingen om kausalitet, som er basert på lyskjeglen.
Kvantemekanikken tillater heller ikke paradoksale situasjoner, som bestefar-paradokset, hvor man reiser tilbake i tid og dreper sin egen bestefar, og hindrer sin egen eksistens. Det er forskjellige måter å løse slike paradokser på, for eksempel tolkningen av mange verdener, som sier at alle mulige utfall av en kvantemåling skjer i en egen gren av virkeligheten, eller selvkonsistensprinsippet, som sier at sannsynligheten for enhver hendelse som ville forårsake et paradoks er null.
Kvanteeksperimenter motbeviser derfor ikke kausalitet, men avslører snarere dens skjulte ikke-klassiske natur. Kausalitet er fortsatt et nyttig begrep for å beskrive naturens regelmessigheter og mønstre, men det må forstås på en mer generell og fleksibel måte. Kvantemekanikk gir oss et nytt perspektiv på virkelighetens årsaksstruktur, som er rikere og mer kompleks enn den klassiske.
Vlatko Vedral utvikler videre våre forestillinger om hvordan fysikk oppfører seg under de mest ekstreme forhold som vi kan tenke oss. Dermed glir vi nok en gang inn i einsteinske tankeeksperimenter om hva som skjer når vi nærmer oss et svart hull. Jeg minner om at det fortsatt ikke er entydig bevist at svarte hull finnes, selv om det finnes god grunner nettopp for dette.
Vi sysler selvopptatt med våre saker i et romskip, ser stjernene og galaksene gli forbi, når plutselig en usynlig kraft trekker oss inn. Jo nærmere vi kommer kilden bak denne kraften, jo raskere beveger vi oss. Til slutt beveger vi oss så raskt at tiden går langsommere. Vi blir ekstremt tunge og ingenting kan stoppe oss – vi suser mot et svart hull.
Når vi nærmer oss, begynner vi å se striper av lys som bøyer seg rundt et mørkt sentrum. Dette er hendelseshorisonten, punktet utenfor hvilket tyngdekraften er så stor at ingenting, ikke engang lys, kan unnslippe. Men reisen vår slutter brått her, i hvert fall i dette universet. Bak denne horisonten kan vi ikke engang forestille oss hva som ligger. I sentrum av et svart hull vil vår beskrivelse av tyngdekraften, den generelle relativitetsteorien, bryte helt sammen, mens vår andre store naturteori, kvantemekanikk er upåvirket. Tyngdekraft er ikke et kvantemekanisk fenomen. Vi forstår ikke hva som skjer når relativitet bryter sammen.
Imidlertid er det nå glimt av håp. Vedrak har nylig tviklet en idé som kan bringe oss et sted ved å gjøre kvantemekanikk mer lik generell relativitetsteori. Albert Einsteins beskrev med den generelle relativitetsteorien ligninger som beskriver hvordan klassiske objekter påvirkes av tyngdekraften. Den angir de tre dimensjonene av rom og den fjerde dimensjonen av tid som en del av den samme enheten, vevd sammen i stoffet av rom-tid. Det fungerer veldig bra, til et visst punkt. Den er utmerket til å beskrive måten rom-tid bøyer seg rundt store masser, måten tiden bremser ned når objekter beveger seg nær lysets hastighet, og alt som angår dynamikken til ting som er større enn en individuell partikkel.
Men den grunnleggende naturkraften tyngdekraften er den av de fire som ikke passer inn i kvantemekanikken, vår beste beskrivelse av universets mikronivå. Atomer og subatomære partikler ser ut til å følge en annen regelbok. De styres av de tre andre grunnleggende naturkreftene, den elektromagnetiske kraften og de sterke og svake kjernekreftene. Partikler kan se ut til å være på to steder samtidig. De kan bli viklet inn, med informasjon som tilsynelatende passerer mellom dem øyeblikkelig, selv når de er langt unna hverandre. Kvanteverdenen er også preget av en merkelig uklarhet – usikkerhetsprinsippet som sier at jo mer vi vet om en partikkels posisjon, desto mindre kan vi være sikre på dens fremdrift. Hvis dette var tilfelle i generell relativitetsteori, ville du bare kunne vite hvor bilen din er eller hvor fort den kjører, aldri begge deler.
De to teoriene om det aller største og det aller minste har vært bemerkelsesverdig vellykkede på sine egne domener. Men problemene oppstår når de brukes samtidig, i en situasjon der begge burde ha en betydning, som i midten av et sort hull. Siden de involverer et enormt gravitasjonsfelt som murer inne et kvanteområde i rommet (kjernen i det svaret hullet), har vi ingen måte å beskrive hva som skjer der.
Dette etterlater et stort spørsmål: hvordan kombinere fysikken til de helt store og de helt små til én sammenhengende teori om alt? Dette spørsmålet er kjernen i søket etter et enkelt matematisk rammeverk som beskriver hele universet, og det er ingen mangel på folk som prøver å finne svaret...
Det er veldig populært med ideen om at tyngdekraften skal behandles som ethvert annet felt, for eksempel det elektromagnetiske feltet. I denne teorien må tyngdekraften antas å være mediert av en hypotetisk partikkel kalt graviton, på samme måten som at fotonene medierer de elektromagnetiske interaksjonene. Gravitoner ville imidlertid samhandle så svakt at direkte oppdagelse av dem ikke vil være mulig på lenge (dersom de eksisterer).
Andre ønsker å blåse i kvantefysikken, eller underordne den i makroverdenen. På 1970- og 80-tallet spekulerte Lajos DiÓsi og Roger Penrose om at kvantefysikk ikke vil vare når vi beveger oss fra det minste og over på større obsjekter (klassiske objekter). Da kollapser den såkalte kvantebølgefunksjonen som innkapsler kvanteegenskapene. Klassisk tyngdekraft vinner til slutt. Kvantefysikk må forstår som noe rent geometrisk, det er støpt i bitte små former som matematisk er nærmere generell relativitet enn man tror. Det blir som å tenke på kvantesuperposisjoner som analog med krumningen av rom-tid i relativitetsteorien.
Til slutt er de som ser generell relativitet og kvantemekanikk som to sider av en vektstang, der en mer grunnleggende teori finnes i midten og styrer over begge disse. Strengeteori, som søker å omskrive vår forståelse av hva alt er laget av, er den mest fremtredende av disse. I stedet for at elektroner og kvarker er grunnleggende, hevder strengteori at alt er laget av utrolig små, vibrerende "strenger", og at disse vibrasjonene produserer effekter som vi tolker som partiklene vi ser. Dessverre krever strengteori også en rekke andre enheter – for eksempel flere ekstra dimensjoner – som er langt utenfor vår eksperimentelle rekkevidde per i dag.
Det er rimelig å si at alle våre tilnærminger for å forene kvantefysikk, tid og gravitasjon har mislyktes så langt, på grunn av både mangelen på matematisk konsistente beskrivelser og fraværet av eksperimentelle tester. Dette er et problem.
Hva om vi, for å gjøre kvantemekanikken mer kompatibel med generell relativitet, behandler rom og tid i kvanteverdenen slik vi gjør i rom-tid – nemlig på lik linje? I relativitetsteori er tid sammenvevd med rom. Den kan bøye og strekke seg, avhengig av hastigheten eller tyngdekraften. Dette er langt unna måten de fleste fysikere snakker om tid i kvantemekanikk, hvor det er en fast, separat enhet, en rekke trinn der interaksjoner utvikler seg og ikke noe mer. I tradisjonell kvantemekanikk er tid bare utledet fra å se på andre observerbare størrelser, for eksempel viserne til en klokke.
Dette gjenspeiles i måten vi takler ligninger i kvantemekanikk – hvordan vi for eksempel beskriver posisjonen i rommet til en qubit, et kvantemekanisk alternativ til den klassiske biten i databehandling, som kan eksistere i superposisjoner av flere tilstander samtidig. Vi beskriver qubit over tid ved å bruke en bit av matematikk kalt Schrödinger-ligningen, som beskriver den merkelige og tvetydige oppførselen til kvanteobjekter og lar deg pålitelig beregne oddsen for hvilke av objektets egenskaper, for eksempel plasseringen, du vil se når vi tar en måling av det.
I stedet for å beskrive oppførselen til et kvanteobjekt i rommet på et spesifikt tidspunkt, kan vi beskrive oppførselen til kvanteobjekter på tvers av all rom-tid samtidig. Når man foretar beregninger om hvordan en partikkel skal samhandle, kan man skrive ned for eksempel alle mulige utfall på alle mulige punkter i rommet og hvert forekomst av tid, i stedet for bare på ett tidspunkt som normalt gjøres med Schrödinger-ligningen. Den grunnleggende dynamikken er den samme - partikler styres fortsatt av de tre grunnleggende kreftene. Men i stedet for for eksempel å beskrive en partikkels posisjon over rommet på et tidspunkt, beskriver vi den over rom-tid. Marco Genovese ved National Institute of Metrology Research in Turin, Italia, arbeider med slike eksperimenter.
Akkurat som tid er relativ i generell relativitet, noe som betyr at den avhenger av observatøren, blir tiden også relativ i denne beskrivelsen av kvantemekanikk. Det er ikke lenger en fast, separat enhet. Det avhenger av observatøren. Hva dette betyr er at når du for eksempel ser på to beskrivelser av en posisjon i rom-tid, er det ikke alltid mulig å si om den ene skjedde før den andre. Denne tvetydigheten eksisterer ikke i standard kvantemekanikk, der hver av to hendelser er i et klart forhold til hverandre når det gjelder enhver observatør.
I stedet for å beskrive oppførselen til et kvanteobjekt i rommet på et spesifikt tidspunkt, beskriver vi oppførselen til kvanteobjekter på tvers av all rom-tid samtidig. Når vi foretar beregninger om hvordan en partikkel skal samhandle, skriver vi for eksempel ned alle mulige utfall på alle mulige punkter i rommet og hvert forekomst av tid, i stedet for bare på ett tidspunkt som normalt gjøres med Schrödinger-ligningen. Den grunnleggende dynamikken er den samme - partikler styres fortsatt av de tre grunnleggende kreftene. Men i stedet for for eksempel å beskrive en partikkels posisjon over rommet på et tidspunkt, beskriver vi den over rom-tid.
Akkurat som tid er relativ i generell relativitet, noe som betyr at den avhenger av observatøren, blir tiden også relativ i denne beskrivelsen av kvantemekanikk. Det er ikke lenger en fast, separat enhet. Det avhenger av observatøren. Hva dette betyr er at når du for eksempel ser på to beskrivelser av en posisjon i rom-tid, er det ikke alltid mulig å si om den ene skjedde før den andre. Denne tvetydigheten eksisterer ikke i standard kvantemekanikk, der hver av to hendelser er i et klart forhold til hverandre når det gjelder enhver observatør.
Alt som kan beregnes ved hjelp av standardtilnærmingen til kvantefysikk, kan like enkelt beregnes ved å bruke en rom-tid-versjon. En slik beskrivelse av kvantetilstander kan være et perfekt gyldig alternativ til standard kvantemekanikk. En beskrivelse der man bruker tid og generell relativitet vil være et skritt mot en samlende teori - teorien om alt, DEN ene, grunnleggende naturkraften.
Kommentare