Werner Heisenberg er kjent for flere banebrytende oppdagelser innen kvantefysikk. I 1925 utviklet ham forløperen for kvantemekanikk, en ny type mekanikk basert på matriser (matrix mechanics). Kort forklart går denne teorien ut på at fysiske egenskaper utvikler seg over tid, i motsetning til for eksempel de klassiske "banene" til elektroner i Bohrs velkjente skallmodell. Heisenbergs innføring av matriser var den gang et virkelig radikalt avvik fra den klassiske fysikken og la grunnlaget for moderne kvantemekanikk. To år senere, i 1927, introduserte Heisenberg det berømte usikkerhetsprinsippet, som sier at det er umulig å måle både posisjonen og hastigheten til en partikkel med ubegrenset presisjon samtidig.
I perspektivtegning så tegner man ikke veien og husene på hver side slik de egentlig ser ut. Den klassiske feilen når man tegner en hånd, er at man går ut i fra hva man vet om hånden og ikke tegner det øynene faktisk ser fra tegnerens eget perspektiv. Det er vanskelig for mange å oppfatte at også fysikk dreier seg om perspektiv. Einsteins spesielle relativitetsteori viste at avstander i universet og beregninger av tid avhenger av posisjonen og farten til den som gjør målingene. Dermed ble rom og tid ble smeltet sammen i en firedimensjonal forening kjent som rom-tid.
Da Einstein utviklet relativitetsteorien på begynnelsen av 1920-tallet, jobbet han ut fra en grunnleggende antakelse: Fysikkens lover skulle være de samme for alle. Problemet var at lovene om elektromagnetisme krever at lys alltid beveger seg med 299 792 kilometer i sekundet, og Einstein innså at dette skaper et problem. Dersom du fløy ved siden av en lysstråle i et romskip nesten i lysets hastighet, skulle det vel forventes å se strålen bevege seg langt saktere enn vanlig – akkurat som nabobiler ikke ser ut til å kjøre så fort når du suser langs motorveien? Men om du så lys som langsomt kjørte deg forbi, så ville fysikkens lover bli brutt i ditt perspektiv. Loven er lik for alle.
Einstein var overbevist om at dette ikke kunne skje, og ble dermed tvunget til å foreslå at lysets hastighet er konstant for alle, uavhengig av hvor raskt de beveger seg. For å kompensere måtte rom og tid i seg selv endre seg fra ett perspektiv til det neste. Relativitetsligningene tillot ham å oversette fra en observatørs perspektiv, eller referanseramme, til et annet perspektiv, og på den måte lage en ideell hel verden, basert på alt som ble sett og observert fra samtlige perspektiver. Men er denne samleverdenen reell? Eller var dette som en ordliste som fortsatt ikke var komplett?
Det som senere ble oppdaget, gjorde at til og med Einstein ble forvirret. Kvanteteori så ut til å vise at ved å måle ting, spiller vi en rolle i å bestemme egenskapene deres. Tenk på Schrödingers katt, tankeeksperimentet der en uheldig katt er i en boks med en radioaktiv partikkel. Hvis partikkelen spaltes, utløser den en hammer som knuser et hetteglass som frigjør en gift som dreper katten. Hvis den ikke gjør det, lever katten. Du er utenfor boksen. Fra ditt perspektiv er innholdet sammenfiltret og i en superposisjon. Partikkelen både har og har ikke blitt spaltet, dermed er katten både død og levende på en gang. Jevnført med relativitetsteorien, burde det ikke da være mulig å beskrive situasjonen fra kattens perspektiv?
I kvanteverdenen, i motsetning til relativitetsteorien, har det aldri vært et direkte mål å forene forskjellige perspektiver. På en måte har man akseptert at det ikke finnes en underliggende, objektiv virkelighet, i hvert fall ikke som det går an å måle. Et århundre senere tviler mange fysikere, muligens de fleste, på om det i det hele tatt eksisterer en enkelt objektiv virkelighet som deles av alle observatører.
Kvanteteori omhandler materie og energi og er enda mer vellykket enn relativitetsteorien. Men det tegner et dypt ukjent bilde av virkeligheten, et der partikler ikke har bestemte egenskaper før vi måler dem, men eksisterer i en superposisjon av flere tilstander. Den viser også at partikler kan bli sammenfiltret, og at egenskapene deres er nært knyttet sammen selv over store avstander. Alt dette setter definisjonen av en referanseramme på gyngende grunn.
Og er målingene til observatøren objektive? Tenk om du måler du tid med en klokke som er viklet inn, eller avstand med en linjal som er flere steder samtidig? Časlav Brukner ved Institutt for kvanteoptikk og kvanteinformasjon i Wien, Østerrike ønsket å forstå hvordan man kan se ting fra flere synsvinkler i kvanteteori. Etter Einsteins ledelse tok han utgangspunkt i antakelsen om at fysikkens lover må være de samme for alle, og utviklet deretter en måte å matematisk bytte mellom kvantereferanserammer. Hvis vi kunne beskrive en situasjon fra begge sider av Heisenberg-snittet samtidig, mistenkte Brukner at en viss sannhet om en felles kvanteverden kunne dukke opp.
Nå er nye ideer og ny teknologi i utvikling. For første gang kan vi hoppe fra ett kvanteperspektiv til et annet. Dette hjelper oss allerede med å løse vanskelige praktiske problemer med høyhastighetskommunikasjon. Det kaster også lys over om det eksisterer noen delt virkelighet på kvantenivå. Interessant nok ser svaret ut til å være nei – før vi begynner å snakke med hverandre!
"Hva som er kvante og hva som er klassisk avhenger av valget av kvantereferanserammer," sier Brukner. Når du hopper inn i kattens synspunkt, viser det seg at – akkurat som i relativitetsteorien – må ting forvrenges for å bevare fysikkens lover. Kvantumheten som tidligere ble tilskrevet katten blir stokket over Heisenberg-snittet. Fra dette perspektivet er katten i en bestemt tilstand – det er observatøren utenfor boksen som er i en superposisjon, viklet inn i laboratoriet utenfor. Sammenfiltring ble lenge antatt å være en absolutt egenskap ved virkeligheten. Men i dette nye bildet er det hele et spørsmål om perspektiv.
Ta så det velkjente dobbeltspalteeksperimentet, som viste at en kvantepartikkel kan bevege seg gjennom to spalter i et gitter samtidig. "Vi ser at i forhold til elektronet, er det spaltene i seg selv som er i en superposisjon," sier Pienaar ved Universitetet i Massachusetts. «For meg er dette fantastisk.» Selv om alt dette kan høres ut som ren teoretisering, er en ting som gir Brukners ideer troverdighet at de allerede har bidratt til å løse et uløselig problem knyttet til qubits i kvantekommunikasjon.
Kvantereferanserammer har imidlertid en akilleshæl, om enn en som til slutt kan peke oss til en dypere forståelse av virkeligheten. Den kommer i form av "Wigners venn", et tankeeksperiment drømt opp på 1950-tallet av fysikeren Eugene Wigner. Det gir en tankevekkende vri på Schrödingers puslespill: La oss si at har en venn Wigners som åpner esken og oppdager om katten lever eller ikke. Men sett at Wigner selv står utenfor laboratoriedøren? Innenfor hans referanserammen, er katten fortsatt i en superposisjon av levende og død, men nå er den viklet inn i vennen, som er i en superposisjon av å ha-sett-en-levende-katt og ha-sett-en-død-katt. Wigners beskrivelse av katten og vennens beskrivelse av den utelukker hverandre, men ifølge kvanteteorien har de begge rett. Det er et dypt paradoks som ser ut til å avsløre en splittet virkelighet.
Man kan ikke hoppe fra den ene siden av Heisenberg-kuttet til den andre, fordi de to personene bruker forskjellige kutt. Venninnen har kuttet mellom seg selv og boksen; Wigner har det mellom seg selv og laboratoriet. De stirrer ikke på hverandre fra den andre siden av det klassiske kvanteskillet. De ser ikke på hverandre i det hele tatt. «Kollegene mine og jeg håpet at Wigners vennesituasjon kunne omformuleres i kvantereferanserammer», sier Brukner. Men så langt har det ikke vært mulig. «Jeg vet ikke,» sukker han. «Det mangler et element.»
Hint om hva det kan være kommer fra arbeid av Flavio Mercati ved Universitetet i Burgos i Spania og Giovanni Amelino-Camelia ved Universitetet i Napoli Federico II i Italia. Forskningen deres ser ut til å antyde at ved å utveksle kvanteinformasjon kan observatører skape en delt virkelighet, selv om den ikke er der fra starten.
Duoen ble inspirert av forskning utført i 2016 av Markus Müller og Philipp Höhn, begge da ved Perimeter Institute i Waterloo, Canada, som forestilte seg et scenario der to personer, Alice og Bob, sender hverandre kvantepartikler i en bestemt tilstand av "spinn". Spinn er en kvanteegenskap som kan sammenlignes med en pil som kan peke opp eller ned langs hver av de tre romlige aksene. Alice sender Bob en partikkel og Bob må finne ut av spinn; så forbereder Bob en ny partikkel med samme spinn og sender den tilbake til Alice, som bekrefter at han fikk det riktig. Vrien er at Alice og Bob ikke kjenner den relative orienteringen til deres referanserammer: den enes x-akse kan være den andres y-akse.
Hvis Alice sender Bob bare én partikkel, vil han aldri kunne dekode spinnet. Noen ganger i fysikk henger to variabler sammen på en slik måte at hvis du måler den ene nøyaktig, eksisterer ikke den andre lenger i en bestemt tilstand. Dette vanskelige problemet, kjent som Heisenberg-usikkerhetsprinsippet, gjelder partiklers spinn langs forskjellige akser. Så hvis Bob ønsker å måle spinn langs det han tror er Alices x-akse, må han gjette vill på hvilken akse det egentlig er – hvis han tar feil, sletter han all informasjonen. Paret kan imidlertid komme seg rundt dette hvis de utveksler mange partikler. Alice kan fortelle Bob: "Jeg sender deg 100 partikler som alle spinner 'opp' langs x-aksen." Etter hvert som Bob måler flere og flere av dem, kan han begynne å regne ut den relative orienteringen til referanserammene deres.
Her blir det interessant. Müller og Höhn innså at ved å gjøre alt dette, utleder Alice og Bob automatisk ligningene som gjør deg i stand til å oversette utsikten fra ett perspektiv til et annet i Einsteins spesielle relativitetsteori. Vi har en tendens til å tenke på rom-tid som den eksisterende strukturen som observatører kommuniserer gjennom. Men Müller og Höhn snudde historien. Start med observatører som sender meldinger, og du kan utlede rom-tid.
For Mercati og Amelino-Camelia, som først kom over verket for noen år siden, var den vendingen et lyspære-øyeblikk. Det reiste et nøkkelspørsmål som viser seg å ha en avgjørende betydning for Brukners arbeid: Lærer Alice og Bob om en allerede eksisterende rom-tid, eller dukker rom-tiden opp mens de kommuniserer?
Det er to måter sistnevnte kan spille ut på. Den første har å gjøre med avveiningen i kvantemekanikk mellom informasjon og energi. "For å få informasjon om et kvantesystem må du betale energi," sier Mercati. Hver gang Bob velger riktig akse, mister han litt energi; når han velger feil og sletter Alices informasjon, får han noe. Fordi krumningen av rom-tid avhenger av energien som er tilstede, når Bob måler sin relative orientering, ender han også opp med å endre orienteringen litt.
Det kan være en dypere betydning der kvantekommunikasjon skaper rom-tid. Dette spiller inn hvis plass er det som kalles "ikke-kommutativt". Hvis du ønsker å komme til et punkt på et vanlig kart, spiller det ingen rolle i hvilken rekkefølge du angir koordinatene. Du kan gå over fem og opp to; eller opp to og over fem – uansett vil du lande på samme sted. Men hvis kvantemekanikkens lover gjelder rom-tid selv, er dette kanskje ikke sant. På samme måte som å kjenne en partikkels posisjon hindrer deg i å måle momentumet, kan det å gå over fem hindre deg i å gå opp to.
Mercati og Amelino-Camelia sier at hvis rom-tid fungerer på denne måten, ville Alice og Bobs forsøk på å finne ut deres relative orientering ikke bare avdekke strukturen til rom-tid, de ville aktivt forfalske den. Valgene de tar med hensyn til hvilke akser de skal måle, ville endre selve det kommunikasjonen deres var ment å avsløre. Paret har også utviklet en måte å teste om dette virkelig er tilfelle (se "Pendler rom-tid?").
Alt dette arbeidet peker mot en oppsiktsvekkende konklusjon: at når mennesker utveksler kvanteinformasjon, samarbeider de for å konstruere sin gjensidige virkelighet. Det betyr at hvis vi bare ser på rom og tid fra ett perspektiv, savner vi ikke bare dens fulle skjønnhet, men det er kanskje ikke noen dypere delt virkelighet. For Mercati og Amelino-Camelia, en observatør gjør ikke en rom-tid.
Det fører oss tilbake til Wigners venneparadokset som gjorde Brukner urolig. I hans arbeid kan observatører behandles som å ha perspektiver på den samme virkeligheten bare når de stirrer på hverandre fra den andre siden av Heisenberg-snittet. Eller sagt på en annen måte, bare når det er mulig for dem å kommunisere, noe som er nettopp det Wigner og vennen hans ikke kan gjøre. Kanskje dette forteller oss at inntil to mennesker samhandler, deler de ikke den samme virkeligheten - fordi det er kommunikasjonen i seg selv som skaper den.
Nettverk av kabler som bærer kvanteinformasjon, blir allerede satt opp rundt om i verden som en prototype av et kommende kvanteinternett. Disse nettverkene transporterer informasjon i form av qubits, eller kvantebiter, som kan kodes inn i egenskapene til partikler - typisk i en kvanteegenskap kalt spinn. En person sender en strøm av partikler til en annen, som deretter måler spinn for å dekode meldingen.
Bortsett fra, ikke så fort. For å være et nyttig kommunikasjonsmiddel må disse partiklene reise nærme lysets hastighet. Ved slike hastigheter blir en partikkels spinn "kvanteviklet" med momentumet på en slik måte at hvis mottakeren bare måler spinnet, vil informasjon gå tapt. "Dette er alvorlig," sier Flaminia Giacomini ved Perimeter Institute i Canada. "Qubiten er grunnlaget for kvanteinformasjon, men for en partikkel som beveger seg med svært høye hastigheter, kan vi ikke lenger identifisere en qubit." Som om det ikke var et problem nok, beveger ikke hver qubit seg med en bestemt hastighet: takket være kvantemekanikken er den i det som er kjent som en superposisjon av hastigheter.
Reglene for kvantereferanserammer utviklet av Časlav Brukner (se hovedhistorien) kan være svaret. Giacomini har vist hvordan reglene kan brukes til å hoppe inn i partikkelens referanseramme, selv når partikkelen er i en superposisjon. Fra det perspektivet er det resten av virkeligheten som suser forbi i en uskarp superposisjon. Bevæpnet med kunnskap om hvordan qubiten ser verden, kan du deretter bestemme den matematiske transformasjonen som skal utføres på partikkelen for å gjenopprette informasjonen i den originale qubiten.
I verdensrommet betyr ikke reiseruten som like mye som destinasjonen. Hvis du prøver å komme til et gitt sted, spiller det ingen rolle om du drar 5 kilometer sørover og deretter 3 kilometer vestover, eller omvendt. Det er fordi koordinatene "pendler"; de får deg til samme sted uansett rekkefølge.
I svært små skalaer, som kvanteteorien gjelder for, er dette kanskje ikke sant. I kvanteteori sletter måling av en partikkels posisjon informasjon om dens momentum. Tilsvarende kan det være at rekkefølgen bevegelsene gjøres i kan påvirke rommets struktur. Hvis dette er tilfelle, gir det ingen mening å snakke om romtid som en fast arena.
Fysikerne Flavio Mercati og Giovanni Amelino-Camelia tror de har en måte å finne ut om rom-tid "pendler". De var inspirert av forskning som forestilte seg to personer som utvekslet kvantepartikler og målte egenskapene deres for å utlede deres relative orientering (se hovedhistorien). Hva ville skje, spurte Mercati og Amelino-Camelia, hvis dette spillet ble spilt på ekte?
Etter hvert som folk utveksler flere og flere partikler, bør usikkerheten deres om orienteringen avta. Men kommer det noen gang til null? I vanlig rom-tid vil det gjøre det. Men hvis rom-tid er ikke-kommutativ, vil det alltid forbli noe usikkerhet, siden deres orientering er aldri så litt omskrevet med hver måling. Paret må nok utveksle billioner av partikler før vi får et svar – men Mercati mener det er verdt et forsøk...!
Comentários