Od fizičke realnosti do kvantne zapletenosti

Još je Galileo Galilej uočio da je kretanje stvar referentnog sistema, odnosno da nema razlike između mirovanja i kretanja ravnomernom brzinom. Zbog toga i ne primećujemo kruženje Zemlje oko Sunca ili njeno kretanje oko sopstvene ose. Ovaj relativizam ubrajamo u klasični svet fizike gde u skladu sa zdravim razumom obitava objektivan, vidljiv svet, koji funkcioniše na jasan i logički način sa precizno formulisanim matematičkim jednačinama.

Ovakva fizička realnost postoji nezavisno od nas. Naša tela su i sama deo tog sveta pa shodno tome se razvijaju po isti principima. Sve radnje su u skladu sa ovim jednačinama bez obzira kako se mi osećamo ili mislimo da svesna volja utiče na naše ponašanje. Izgleda da takva slika leži u pozadini najozbiljnijih filozofskih argumenata u vezi sa prirodom stvarnosti, naših svesnih percepcija i naše očigledne slobodne volje.

Za mnoge je pojam kvantne fizike, koja se uspostavlja negde u prvoj četvrtini XX veka, značila stvaranje nejasnih principa na nivoima subatomskih čestica. Počeci kvantne fizike se vezuju za probleme koje klasična fizika nije mogla da objasni zadirući do pitanja same suštine materije. Jedan od prvih eksperimenata koji su ukazali na neophodnost novog ,,neklasičnog" pristupa proučavanju subatomskih čestica bio je onaj gde foton ispaljen iz laserskog topa na neki čudan način istovremeno prolazi kroz dva vertikalna proreza ostavljajući na zaslonu (displeju) umesto očekivane vertikalne linije odraz tzv. interferencione slike. To je dovelo do zaključka da se foton nakon prolaska kroz procepe ne ponaša dalje kao čestica već kao talas. Naučnici iznenađeni ovim rezultatima nastavili su ispitivanja postavivši detektore tako da mogu evidentirati trenutak kada foton prolazi kroz prorez. Međutim, dok je detektor bio prisutan foton se ponašao kao čestica, a čim su uklonili (isključili) detektor svi ispaljeni fotoni su ostavljali otisak na zaslonu kao da su talasi.

Dakle, svetlosni foton se ponaša kao da ima čestičnu prirodu, ali se ujedno ponaša i kao talas. To dokazuje postojanje dualne prirode ovih subatomskih čestica. Ova dualnost materije važi samo za subatomski svet. Eksperiment je po prvi put dokazao da svetlost istovremeno poseduje čestičnu i talasnu prirodu, sugerišući da se fotoni nalaze u neodređenom stanju, sve dok ih mi ne posmatramo i detektujemo. Sličan eksperiment je kasnije dokazan sa elektronima, atomima pa čak i pojedinim molekulima. Ovo dualističko stanje naziva se kvantna superpozicija.

Možemo reći da eksperiment daje jedan rezultat koji predstavlja jedinstveno stvarno stanje, ali je tranzicija neodređena tj. bilo koja mogućnost može postati stvarna. Pošto se ovde radi o talasnoj funkciji, ona može u trenutku da kolabira (talasni kolaps) i to u momentu kada stanje superpozicije biva narušeno opservacijom eksperimenta koju izaziva posmatrač.

Kvantna fizika ne predviđa jedinstven i određen rezultat nekog posmatranja, već naprotiv, veći broj različitih rezultata čime se uvodi neizbežan elemenat nepredvidljivosti ili nasumičnosti. Ajnštajn se ovome usprotivio uprkos važnoj ulozi koju je sam odigrao u razvoju ove zamisli. On je dobio Nobelovu nagradu upravo za doprinos postavljanju kvantne teorije, ali nikada nije prihvatio ideju da Univerzumom vlada slučajnost. Njegov pogled na ovaj problem sažeto je iskazan u rečenici ,,Bog se ne igra kockicama!"

Većina drugih naučnika bila je spremna da prihvati kvantnu mehaniku, zato što se savršeno slagala sa nalazima eksperimenata, tako da je danas postavljena u temelju gotovo celokupne moderne nauke i tehnologije.

U svetu koji postoji nezavisno od posmatrača, materija i energija se sastoje od talasa koji su logički određeni Šredingerovom jednačinom. Oni su nedvosmisleno fizička realnost zbog efekata interferencije. Kvadrat talasne funkcije daje raspodelu verovatnoća konačnog ishoda posmatranja, odnosno sadrži sumu svih mogućih stanja sistema koji nije posmatran. 

Ovaj zaključak dovodi do objašnjenja poznatog paradoksa pod nazivom ,,Šredingerova mačka" koji predstavlja misaoni eksperiment i pokušaj spajanja kvantnog i klasičnog sveta gde važe različita pravila. Ukratko, eksperiment se temelji na činjenici da atomi i subatomske čestice mogu biti u više stanja istovremeno, te da bi se taj zaključak iz kvantnog sveta mogao misaono preneti u klasičan (makro) svet. U jednu neprozirnu kutiju stavljamo živu mačku sa jednim radioaktivnim atomom, ako se atom raspadne, a za to su šanse 50% detektor će aktivirati mehanizam koji će otrovati i usmrtiti mačku, a ako se atom ne raspadne (drugih 50%), mačka će ostati živa. Prema interpretaciji kvantne mehanike, mačka se nalazi u stanju superpozicije, odnosno u oba stanja istovremeno, sve dok kutija ne bude otvorena i stanje opaženo. Tada dolazi do ,,urušavanja" (talasni kolaps) jednog stanja stvarnosti i ostaje ono drugo, a to može biti da je mačka živa ili mrtva. Dakle, stanje superpozije iz neodređenog stanja, koje postoji u kvantnom svetu uslovljeno raspadom radioaktivnog atoma (čija je verovatnoća 50%), pod uticajem posmatrača prelazi u stabilno jednoznačno stanje klasičnog sveta.

Međutim, kvantni fizičari su otišli korak dalje otkrivši još jednu paradoksalnu situaciju nazvavši je ,,kvantnom isprepletanošću" (kvantno sprezanje ili kvantna zapletenost). Ona predstavlja fenomen koji prikazuje da su dve subatomske čestice međusobno povezane, čak i kada se nalaze razdvojene na velikim udaljenostima. To znači da promena neke kvantne osobine jedne čestice utiče na to da se dogodi istovremena promena, suprotnog predznaka, kod druge kvantno isprepletene čestice. Kao da jedna čestica ,,zna" kakvo stanje smo opazili kod one druge kvantno spregnute čestice. Ajnštajn je ovaj fenomen smatrao nemogućim jer je kršio teoriju relativnosti, te ga je imenovao kao ,,sablasno delovanje na daljinu".

Ako ovo primenimo na misaoni eksperiment sa Šredingerovom mačkom i zamislimo dve identične kutije sa istim pomenutim sadržajem, koje bi međusobno razdvojili na velike udaljenosti, rezultat bi bio šokantan; umesto četiri mogućnosti, kvantna isprepletanost atomske čestice koja utiče na događaj u kutiji nam daje samo dva moguća ishoda, a to su: ako posmatrač utvrdi da je mačka u prvoj kutiji živa, istovremeno znači da je u onoj udaljenoj kutiji mrtva i obrnuto. Dakle, nestaje mogućnost da su mačke istovremeno u obe kutije žive ili mrtve. Sve je to zbog kvantne isprepletenosti čestice radioaktivnog atoma koja stvara stanje superpozicije svojim talasnim karakteristikama i verovatnoćom raspada od 50%. Jednostavno, ako se u jednoj kutiji radioaktivni atom raspao i time detektor aktivirao otrov koji ubija mačku, u drugoj kutiji se istovremeno dešava suprotno stanje i zato je mačka u njoj živa. 

Fizičari nemaju konačno objašnjenje kako jedna čestica koja je kvantno spregnuta sa drugom, istovremeno ima suprotno stanje od posmatrane. To bi bilo moguće da postoji brzina veća od svetlosne ili da je u pitanju trenutni misaoni prenos informacija kroz Univerzum ili (što je najverovatnije) da postoji neka skrivena varijabla koju trenutno ne možemo dokučiti.

Pojedini fizičari smatraju da prilikom opservacije kvantnog eksperimenta dolazi do cepanja Univerzuma u dva ili više delova gde svaki egzistira u nekoj ogromnoj superpoziciji, poput paralelnih svetova sa alternativnim istorijama. Ovaj realistički pristup podrazumeva da se istorija sveta neprestano deli - svaki put kada je makroskopsko telo upleteno u izbor kvantnih stanja. 

Kvantna fizika je nastala da bi rešila određene paradokse, što donekle i uspeva, ali se uvek pojavljuju novi, te se čini da je realnost koju izražava moderna fizika u osnovi strana ljudskom umu. Shvatanje da naš um ne može ovladati time, deluje fascinirajuće, pa čak i oslobađajuće, jer se postavlja pitanje kako će u takvoj situaciji ,,pravo razumevanje" svih tajni Univerzuma ikada biti moguće i da li će to zapravo biti potrebno.

Borivoj Vujić