O echipă internaţională de cercetători din Elveţia, Belgia, Spania şi Singapore a propus un experiment care ne-ar putea obliga să facem o alegere între două extreme, nonlocalitatea şi încălcarea teoriei relativităţii a lui Einstein, pentru a descrie Universul.
Propunerea este publicată în revista Nature Physics şi are la bază ceea ce oamenii de ştiinţă numesc „inegalitatea influenţei ascunse” (hidden influence inequality). Această inegalitate scoate în evidenţă felul în care predicţiile cuantice pun la încercare cea mai bună descriere a naturii spaţiului şi timpului pe care o avem la dispoziţie în prezent, teoria relativităţii a lui Einstein.
Încercarea de a explica corelativitatea (inseparabilitatea) cuantică folosind orice fel de semnal contrapune teoria relativităţii a lui Einstein concepţiei noastre de spaţiu-timp omogen. Credit: Timothy Yeo/CQT, National University of Singapore.
„Suntem curioşi dacă putem explica ciudatele fenomene pe care le observăm fără a sacrifica intuiţia noastră cu privire la caracterul continuu al evenimentelor în spaţiu şi timp”, spune Jean-Daniel Bancal, unul dintre cercetătorii din spatele noului rezultat, care a realizat studiul la Universitatea din Geneva, Elveţia. El se află acum la Centrul pentru Tehnologii Cuantice la Universitatea Naţională din Singapore.
Entuziasmant e că există o posibilitate de a face acest test.
Implicaţiile teoriei cuantice au dat de furcă fizicienilor încă de când teoria a fost inventată, la începutul secolului 20. Problema este că teoria cuantică prezice comportamente bizare ale particulelor, ca în cazul a două particule „corelate” care se comportă de o manieră unitară, chiar şi când sunt la mare distanţă una faţă de cealaltă. Acest fapt pare să contravină simţului nostru obişnuit cu privire la cauză şi efect în spaţiu şi timp. Fizicienii numesc acest comportament „nonlocalitate”.
Einstein a fost cel care a atras primul atenţia asupra implicaţiilor îngrijorătoare ale fenomenului pe care l-a numit „acţiune ciudată la distanţă”, implicaţii prezise de mecanica cuantică. Dacă efectuăm măsurători asupra unuia dintre atomii din cadrul unei perechi de atomi corelaţi cuantic pentru a-i descoperi orientarea „spinului” magnetic, celălalt este, conform mecanicii cuantice, descoperit a se fi orientat instantaneu în direcţie opusă, oriunde se află şi chiar şi atunci când nu se poate prezice dinainte ce va face oricare din particule. Bunul simţ ne spune că orice astfel de comportament corelat trebuie să rezulte din unul din următoarele două cazuri. În primul caz poate fi vorba de un aranjament prealabil. În al doilea caz, sincronizarea ar putea avea loc ca urmare a trimiterii unui semnal între cele două particule.
În anii 1960, John Bell a venit cu primul test care să arate dacă particulele corelate cuantic se supun regulilor intuite de noi. Concret, un test al unei „inegalităţi Bell” verifică dacă ar putea fi vorba de aranjamente preliminare în ceea ce priveşte comportamentul celor două particule. Dacă măsurătorile contravin inegalităţii, perechile de particule fac ceea ce teoria cuantică spune: se comportă fără niciun fel de „variabile locale ascunse” care să le dicteze soarta. Începând cu anii 1980, experimentele au descoperit violări ale inegalităţilor Bell în repetate rânduri.
Teoria cuantică a fost câştigătoare, se părea. Totuşi, testele convenţionale ale inegalităţilor Bell nu pot distruge complet speranţa unui scenariu de bun simţ care să implice semnale care nu încalcă principiile relativităţii. De aceea cercetătorii au început să conceapă o nouă inegalitate care să sondeze în mod direct rolul semnalelor.
Experimentele au arătat deja că dacă vrei să invoci existenţa unor semnale pentru a explica fenomenele, acestea ar trebui să călătorească mai rapid decât lumina, de peste 10.000 de ori mai repede decât lumina, de fapt. Pentru cei care ştiu că teoria relativităţii a lui Einstein stabileşte viteza luminii ca limită universală de viteză, ideea unor semnale care se deplasează de 10.000 de ori mai repede decât lumina deja trage un semnal de alarmă. Totuşi, fizicienii au un mod de a scăpa de această limitare; astfel de semnale s-ar putea comporta ca „influenţe ascunse”, folositoare la nimic şi deci neîmpotrivindu-se relativităţii. Doar semnalele care pot fi folosite pentru comunicaţii mai rapide decât lumina contrazic deschis relativitatea.
Noua inegalitate arată că acest artificiu nu va funcţiona în cazul predicţiilor cuantice. Pentru a deriva inegalitatea, care stabileşte o măsurătoare de corelare între patru particule, cercetătorii au luat în considerare ce comportamente sunt posibile pentru cele patru particule care sunt conectate prin influenţe ascunse şi care se deplasează cu o viteză finită arbitrară.
Matematic (deşi de necrezut), aceste constrângeri definesc un obiect cu 80 de dimensiuni. Inegalitatea defineşte conturul proiecţiei acestui obiect 80-dimensional în 44 de dimensiuni. Cercetătorii au arătat că predicţiile cuantice se pot afla în afara limitei definite de acest contur, ceea ce înseamnă că ele contravin uneia dintre presupuneri. În afara limitei, fie influenţele nu pot rămâne ascunse, fie ele trebuie să aibă o viteză infinită.
Grupurile care fac experimente pot deja să aducă patru particule în stare de corelare cuantică, aşa că un experiment este realizabil în viitorul apropiat (deşi precizia experimentelor va trebui să se îmbunătăţească pentru a face diferenţa măsurabilă). Un astfel de test se va reduce la măsurarea unui singur număr. Într-un univers care se supune legilor standard relativiste cu care suntem obişnuiţi, 7 este limita. Dacă natura se comportă aşa cum prezice fizica cuantică, rezultatul poate să urce până la 7,3.
Dacă rezultatul va fi mai mare decât 7, cu alte cuvinte, dacă natura cuantică a Universului este confirmată, ce va însemna acest lucru?
În acest caz există două alegeri. În primul rând avem opţiunea de a sfida relativitatea şi de a „dezvălui” influenţele, ceea ce înseamnă acceptarea comunicaţiilor mai rapide decât lumina. Relativitatea este o teorie de succes, pe care cercetătorii nu o vor pune sub semnul întrebării cu uşurinţă, aşa că pentru mulţi fizicieni aceasta este văzută ca posibilitatea cel mai greu de luat în calcul.
Opţiunea rămasă este acceptarea faptului că influenţele trebuie să fie infinit de rapide sau că există un proces care are are un efect echivalent atunci când este observat din spaţiu-timpul nostru. Testul actual nu a putut să facă diferenţa. În orice caz, ar însemna că Universul este în mod fundamental nonlocal, în sensul în care fiecare parte din Univers poate fi conectată cu oricare altă parte de oriunde, instantaneu. Faptul că astfel de conexiuni sunt posibile sfidează intuiţia noastră bazată pe experienţele cotidiene şi reprezintă o altă soluţie extremă, dar probabil de preferat comunicării mai rapide decât lumina.
„Rezultatul nostru dă importanţă ideii conform căreia corelările cuantice se nasc cumva din afara spaţiu-timpului, în sensul în care niciun scenariu din spaţiu-timp nu le poate descrie”, spune Nicolas Gisin, Profesor la Universitatea din Geneva, Elveţia şi membru al echipei.
Traducere realizată de Răzvan Gavrilă după Researchers look beyond space and time to cope with quantum theory, cu acordul Phys.org.
