მრავალმა ექსპერიმენტმა აჩვენა, რომ კვანტური მექანიკის ერთ-ერთი უჩვეულო მოვლენა სამყაროს ფუნქციონირების შემადგენელი ნაწილია. ამ ექსპერიმენტების შემოქმედ მეცნიერებს გადაეცათ 2022 წლის ნობელის პრემია ფიზიკის დარგში.

ნობელის კომიტეტმა აღიარა იმ მეცნიერთა ღვაწლი,  რომლებმაც გარდამტეხი წვლილი შეიტანეს ბუნების ერთ-ერთი ყველაზე იდუმალი მოვლენის, კვანტური გადაჯაჭვულობის, გაგებაში.

მარტივად რომ ავხსნათ, კვანტური გადაჯაჭვულობა გულისხმობს შემდეგს: გადაჯაჭვული ნაწილაკების წყვილის შემთხვევაში ერთი ნაწილაკის თვისებები  დამოკიდებულია მეორისაზე, მიუხედავად იმისა, რამდენად არიან ერთმანეთისგან დაშორებული ან რა მდებარეობს მათ შორის. ეს ნაწილაკები შეიძლება იყოს მაგალითად ელექტრონები ან ფოტონები, ხოლო თვისება – მათი მდგომარეობა, როგორიცაა სპინის მიმართულება.

კვანტური გადაჯაჭვულობის უცნაურობა ის არის, რომ როცა ასეთი წყვილის ერთ-ერთი ნაწილაკის რომელიმე თვისებას გაზომავთ, მაშინვე გეცოდინებათ რაღაც მეორე ნაწილაკზე, თუნდაც ის მილიონობით სინათლის წლის მოშორებით იყოს. ნაწილაკებს შორის მყარდება უჩვეულო მყისიერი კავშირი, რაც ერთი შეხედვით სამყაროს ფუნდამენტურ კანონებს არღვევს. ალბერტ აინშტაინმა ამ ფენომენს უწოდა „მოჩვენებითი დისტანციური ქმედება“.

ფიზიკის დარგის წლევანდელი ლაურეატების – ალენ ასპეს, ჯონ კლაუზერისა და ანტონ ცაილინგერის – მიერ ზუსტი და სანდო ხელსაწყოებით ჩატარებული ექსპერიმენტების წყალობით ფიზიკოსებმა კვანტური მოვლენები სამყაროს შესახებ თავიანთი ცოდნის ნაწილად აქციეს.

თუმცა 1970-იან წლებამდე მკვლევართა აზრი იყოფოდა იმასთან დაკავშირებით, კვანტური გადაჯაჭვულობა რამდენად რეალური ფენომენი იყო. ამისთვის სათანადო მიზეზიც ჰქონდათ – ვინ დაუპირისპირდებოდა დიდ აინშტაინს, რომელსაც მასში ეჭვი ეპარებოდა? მხოლოდ ახალი ექსპერიმენტული ტექნოლოგიის განვითარებისა და გაბედული მეცნიერების წყალობით გახდა შესაძლებელი ამ პრობლემისთვის წერტილის დასმა.

 

 

 

ერთდროულად რამდენიმე მდგომარეობაში არსებობა

კვანტური გადაჯაჭვულობის ბუნების გასაგებად საჭიროა ჯერ კვანტური სუპერპოზიციის არსი გავიგოთ. კვანტური სუპერპოზიცია არის იდეა, რომ ნაწილაკები ერთდროულად რამდენიმე მდგომარეობაში არსებობენ. გაზომვის ჩატარებისას ნაწილაკი ამ სუპერპოზიციაში თითქოს ერთ-ერთ მდგომარეობას ირჩევს.

მაგალითად, ბევრ ნაწილაკს აქვს თვისება, რომელსაც სპინს უწოდებენ და ორიენტაციის მიხედვით არის „ზედა“ ან „ქვედა“. თუმცა სანამ სპინს გაზომავთ, ის ერთდროულად არსებობს ზედა და ქვედა სპინების სუპერპოზიციაში.

თითოეულ მდგომარეობას შეესაბამება გარკვეული ალბათობა და მრავალი გაზომვის ჩატარების შემდეგ შესაძლებელი ხდება საშუალო შედეგის წინასწარმეტყველება. ცალკეული გაზომვისას სპინი ზედა იქნება თუ ქვედა, ამ ალბათობებზეა დამოკიდებული, მაგრამ თავისთავად არაპროგნოზირებადია.

უცნაური თავისებურებების მიუხედავად, მათემატიკურმა გამოთვლებმა და მრავალმა ექსპერიმენტმა აჩვენა, რომ კვანტური მექანიკა სწორად აღწერს ფიზიკურ რეალობას.

 

 

ორი გადაჯაჭვული ნაწილაკი

კვანტური გადაჯაჭვულობის უჩვეულო ბუნება კვანტური სუპერპოზიციიდან გამომდინარეობს და ეს კარგად ესმოდათ კვანტური მექანიკის დამფუძნებელ მამებს, რომლებმაც კვანტური ფიზიკის თეორია 1920-იან და 1930-იან წლებში განავითარეს.

გადაჯაჭვული ნაწილაკების წყვილის შესაქმნელად საჭიროა სისტემა ორად გაყოთ, სადაც ცალკეული ნაწილების ჯამია ცნობილი. მაგალითად, შესაძლებელია ნულოვანი სპინის მქონე ნაწილაკი გახლიჩოთ ორ ნაწილაკად, რომლებსაც აუცილებლად ექნებათ ნიშნით საპირისპირო სპინები, რათა მათი ჯამი ნულს შეადგენდეს.

1935 წელს ალბერტ აინშტაინმა, ბორის პოდოლსკიმ და ნათან როზენმა გამოაქვეყნეს სამეცნიერო ნაშრომი, რომელშიც წარმოსახვითი ექსპერიმენტი აღწერეს. მათი მიზანი იყო კვანტური გადაჯაჭვულობის აბსურდულობის დემონსტრირება, რადგან ეს ფენომენი სამყაროს ფუნდამენტურ კანონთან მოდიოდა წინააღმდეგობაში.

ამ წარმოსახვითი ექსპერიმენტის გამარტივებულ ვერსიაში, რომელიც დევიდ ბომს ეკუთვნის, განხილულია ნაწილაკ პი-მეზონის დაშლა. ამ დროს წარმოიქმნება ელექტრონი და პოზიტრონი, რომლებსაც ერთმანეთის საწინააღმდეგო სპინი აქვთ და ერთმანეთს შორდებიან. ამიტომ თუკი გაზომვა აჩვენებს, რომ ელექტრონს ზემოთ მიმართული სპინი აქვს, მაშინ პოზიტრონს მხოლოდ ქვედა სპინი შეიძლება ჰქონდეს და პირიქით. ეს დასკვნა მართებულია მაშინაც, თუკი ნაწილაკებს მილიარდობით კმ აშორებთ ერთმანეთისგან.

ყველაფერი რიგზე იქნებოდა, ელექტრონის სპინი ყოველთვის ზედა მიმართულებით რომ იყოს და პოზიტრონისა – ქვემოთ. მაგრამ კვანტური მექანიკის კანონების გამო თითოეული ნაწილაკის სპინი ნაწილობრივ ზემოთაც არის და ქვემოთაც, ვიდრე არ გაიზომება. გაზომვის შემდეგ სპინის კვანტური მდგომარეობა „კოლაფსირდება“ ან ზედა ან ქვედა მიმართულებაზე და ანალოგიური პროცესი ხდება მყისიერად მეორე ნაწილაკშიც, ოღონდ მისი სპინი საპირისპირო მიმართულებას იღებს. ეს თითქოს მიგვანიშნებს, რომ ნაწილაკებს შორის ინფორმაციის გაცვლა ხდება რაღაც ისეთი მეთოდით, რომელიც სინათლის სიჩქარეზე სწრაფია. მაგრამ ფიზიკის კანონები სინათლის სიჩქარეზე სწრაფად გადაადგილებას გამორიცხავს. როგორ შეიძლება, ერთი ნაწილაკის მდგომარეობის გაზომვა დაუყოვნებლივ საზღვრავდეს სამყაროს შორეულ კიდეში მდებარე სხვა ნაწილაკის მდგომარეობას?

1930-იან წლებში ფიზიკოსებმა, მათ შორის აინშტაინმა, კვანტური გადაჯაჭვულობის რამდენიმე ალტერნატიული ინტერპრეტაცია წარმოადგინეს. მათ ივარაუდეს, რომ არსებობდა უცნობი პარამეტრები – სახელად „ფარული ცვლადები“ – რომლებიც ნაწილაკის მდგომარეობას საზღვრავდნენ გაზომვამდე. მაგრამ ამ პერიოდში ფიზიკოსებს არც სათანადო ტექნოლოგია ჰქონდათ და არც გაზომვის თეორიული მოდელი, რათა გამოეცადათ, კვანტურ თეორიას ნამდვილად ჭირდებოდა თუ არა განახლება და ფარული ცვლადების გათვალისწინება.

 

 

 

თეორიის სიმცდარის დამტკიცება
პასუხის მინიშნებები მხოლოდ 1960-იან წლებში გაჩნდა. შესანიშნავმა ირლანდიელმა ფიზიკოსმა ჯონ ბელმა, რომელიც 62 წლის ასაკში გარდაიცვალა ნობელის პრემიის აღების გარეშე, შეიმუშავა სქემა იმის შესამოწმებლად, რამდენად გონივრული იყო ფარული ცვლადების შესახებ მოსაზრება.

ბელმა ჩამოაყალიბა განტოლება, რომელიც ამჟამად ცნობილია, როგორც ბელის უტოლობა. ის ყოველთვის სწორია მხოლოდ ფარული ცვლადებისთვის, ხოლო სტანდარტული კვანტური მექანიკის შემთხვევაში შეიძლება ზოგჯერ მცდარი იყოს. ამგვარად, თუკი აღმოჩნდებოდა, რომ ბელის განტოლება ექსპერიმენტში არ კმაყოფილდება, კვანტური გადაჯაჭვულობის ასახსნელად ფარული ცვლადების თეორიების გამორიცხვა შესაძლებელი ხდებოდა.

2022 წლის ნობელის ლაურეატების, განსაკუთრებით ალან ასპეს მიერ ჩატარებული ექსპერიმენტები ბელის უტოლობის შემოწმების პირველი მცდელობა გახლდათ. ექსპერიმენტებში ელექტრონ-პოზიტრონის წყვილის ნაცვლად გამოიყენეს გადაჯაჭვული ფოტონები. შედეგებმა დამაჯერებლად გამორიცხა ფარული ცვლადების არსებობა. ამ და მრავალმა მომდევნო ექსპერიმენტმა კვანტური მექანიკა გაამყარა და განამტკიცა. კვანტური გადაჯაჭვულობა ისეთი მოვლენაა, რაც კვანტური მექანიკის ჩამოყალიბებამდე ვერ აიხსნებოდა.

მნიშვნელოვანია, რომ ეს წინააღმდეგობაში არ მოდის ფარდობითობის სპეციალურ თეორიასთან, რომელიც სინათლეზე სწრაფ კომუნიკაციას გამორიცხავს. ის, რომ შორ მანძილზე გაზომვები ერთმანეთთან კორელაციაშია, არ გულისხმობს, რომ ნაწილაკებს შორის ინფორმაციის გაცვლა ხდება. მეცნიერთა ორი ჯგუფი, რომელიც ერთმანეთისგან შორსაა და გადაჯაჭვულ ნაწილაკებზე დაკვირვებას აწარმოებს, კვანტური გადაჯაჭვულობის ფენომენს ვერ გამოიყენებს ინფორმაციის სინათლეზე სწრაფად გადასაცემად.

ფიზიკოსები ისევ აგრძელებენ კვანტური გადაჯაჭვულობის კვლევას და შესაძლო პრაქტიკულ გამოყენებებს ეძებენ. მიუხედავად იმისა, რომ კვანტური მექანიკა გაზომვის შედეგის ალბათობას საოცარი სიზუსტით წინასწარმეტყველებს, ბევრი მეცნიერი ისევ სკეპტიციზმს იჩენს იმასთან მიმართებაში, თუ რეალობის რამდენად სრული აღწერაა ეს დარგი. თუმცა ერთი რამ აშკარაა: კვანტური მექანიკის იდუმალ სამყაროზე ჯერ კიდევ ბევრი რამ გვაქვს გასაგები.

 

წყარო: Astronomy Magazine