Život u kvantnom svetu

Prema standardnim udžbenicima fizike, kvantna mehanika je teorija mikroskopskog sveta. Ona opisuje čestice, atome i molekule, ali ustupa mesto običnoj klasičnoj fizici na makroskopskim razmerama krušaka, ljudi i planeta. Negde između molekula i krušaka leži granica gde se završava čudnovatost kvantnog ponašanja i počinje poznato stanje klasične fizike. Utisak da je kvantna mehanika ograničena na mikrokosmos prožima javno razumevanje nauke. Na primer, fizičar sa Univerziteta Kolumbija, Brajan Grin, piše na prvoj stranici svoje izuzetno uspešne (i inače odlične) knjige „Elegantni univerzum“ da kvantna mehanika „pruža teorijski okvir za razumevanje univerzuma na najmanjim razmerama“. Klasična fizika, koja obuhvata svaku teoriju koja nije kvantna, uključujući i teorije relativnosti Alberta Ajnštajna, bavi se najvećim razmerama.

Pa ipak, ova praktična podela sveta je mit. Malo je savremenih fizičara koji misle da klasična fizika ima isti status kao kvantna mehanika; ona je samo korisna aproksimacija sveta koji je kvantni na svim razmerama. Iako je kvantne efekte možda teže videti u makroskopskom svetu, razlog nema nikakve veze sa samom veličinom, već sa načinom na koji kvantni sistemi međusobno interaguju. Do poslednje decenije, eksperimentatori nisu potvrdili da kvantno ponašanje opstaje na makroskopskim razmerama. Danas, međutim, to rade rutinski. Ovi efekti su rasprostranjeniji nego što je iko ikada sumnjao. Možda deluju u ćelijama naših tela.

Čak i oni od nas koji grade karijeru proučavajući ove efekte još uvek nisu usvojili ono što nam oni govore o funkcionisanju prirode. Kvantno ponašanje prkosi vizuelizaciji i zdravom razumu. Ono nas tera da preispitamo kako posmatramo univerzum i da prihvatimo novu i nepoznatu sliku našeg sveta.

Komplikovana priča

Za kvantnog fizičara, klasična fizika je crno-bela slika sveta u boji. Naše klasične kategorije ne uspevaju da obuhvate taj svet u svom njegovom bogatstvu. U starom udžbeničkom pogledu, bogate nijanse se ispiraju kako se povećavamo u veličini. Pojedinačne čestice su kvantne; u većini su klasične. Ali prvi tragovi da veličina nije odlučujući faktor sežu do jednog od najpoznatijih misaonih eksperimenata u fizici, Šredingerove mačke.

Godine 1935, Ervin Šredinger je smislio svoj morbidni scenario kako bi ilustrovao kako su mikrosvet i makrosvet međusobno povezani, sprečavajući proizvoljno povlačenje linija između njih. Kvantna mehanika kaže da radioaktivni atom može biti u raspadu i neraspadnut u isto vreme. Ako je atom povezan sa bočicom mačjeg otrova, tako da mačka umre ako se atom raspadne, onda životinja ostaje u istom kvantnom limbu kao i atom. Čudnost jednog inficira drugo. Veličina nije bitna. Zagonetka je bila zašto vlasnici mačaka vide svoje ljubimce samo kao mrtve ili žive.

Sa modernog stanovišta, svet izgleda klasično jer složene interakcije koje objekat ima sa svojim okruženjem sakrivaju kvantne efekte od našeg pogleda. Informacije o zdravlju mačke, na primer, brzo cure u njeno okruženje u obliku fotona i razmene toplote. Karakteristični kvantni fenomeni uključuju kombinacije različitih klasičnih stanja (kao što su i mrtvo i živo), a ove kombinacije imaju tendenciju da se rasipaju. Curenje informacija je suština procesa poznatog kao dekoherencija [videti „100 godina kvantnih misterija“, autora Maksa Tegmarka i Džona Arčibalda Vilera; Scientific American, februar 2001].

Prema standardnim udžbenicima fizike, kvantna mehanika je teorija mikroskopskog sveta. Ona opisuje čestice, atome i molekule, ali ustupa mesto običnoj klasičnoj fizici na makroskopskoj skali krušaka, ljudi i planeta. Negde između molekula i krušaka leži granica gde se završava čudnovatost kvantnog ponašanja i počinje poznato stanje klasične fizike. Utisak da je kvantna mehanika ograničena na mikrokosmos prožima javno razumevanje nauke. Na primer, fizičar sa Univerziteta Kolumbija, Brajan Grin, piše na prvoj stranici svoje izuzetno uspešne (i inače odlične) knjige „Elegantni univerzum“ da kvantna mehanika „pruža teorijski okvir za razumevanje univerzuma na najmanjim razmerama“. Klasična fizika, koja obuhvata svaku teoriju koja nije kvantna, uključujući i teorije relativnosti Alberta Ajnštajna, bavi se najvećim razmerama.

Pa ipak, ova praktična podela sveta je mit. Malo je savremenih fizičara koji misle da klasična fizika ima isti status kao kvantna mehanika; ona je samo korisna aproksimacija sveta, koji je kvantni na svim razmerama. Iako je kvantne efekte možda teže videti u makroskopskom svetu, razlog nema nikakve veze sa samom veličinom, već sa načinom na koji kvantni sistemi međusobno interaguju. Do prošle decenije, eksperimentatori nisu potvrdili da kvantno ponašanje opstaje na makroskopskim razmerama. Danas, međutim, to rade rutinski. Ovi efekti su rasprostranjeniji nego što je iko ikada sumnjao. Možda deluju u ćelijama naših tela.

Čak ni oni od nas koji grade karijeru proučavajući ove efekte još uvek nisu apsorbovali ono što nam govore o funkcionisanju prirode. Kvantno ponašanje prkosi vizuelizaciji i zdravom razumu. Ono nas tera da preispitamo kako posmatramo univerzum i da prihvatimo novu i nepoznatu sliku našeg sveta.

Komplikovana priča

Za kvantnog fizičara, klasična fizika je crno-bela slika sveta u boji. Naše klasične kategorije ne uspevaju da obuhvate taj svet u svom njegovom bogatstvu. U starom udžbeničkom pogledu, bogate nijanse se ispiraju kako se povećavamo. Pojedinačne čestice su kvantne; većina njih je klasična. Ali prvi tragovi da veličina nije odlučujući faktor sežu do jednog od najpoznatijih misaonih eksperimenata u fizici, Šredingerove mačke.

Godine 1935, Ervin Šredinger je smislio svoj morbidni scenario kako bi ilustrovao kako su mikrosvet i makrosvet međusobno povezani, sprečavajući proizvoljno crtanje linija između njih. Kvantna mehanika kaže da radioaktivni atom može istovremeno da se raspada i da se ne raspada. Ako je atom povezan sa bočicom mačjeg otrova, tako da mačka umre ako se atom raspadne, onda životinja ostaje u istom kvantnom limbu kao i atom. Čudnost jednog inficira drugo. Veličina nije bitna. Zagonetka je bila zašto vlasnici mačaka vide svoje ljubimce samo kao mrtve ili žive.

Sa moderne tačke gledišta, svet izgleda klasično jer složene interakcije koje objekat ima sa svojim okruženjem skrivaju kvantne efekte od našeg pogleda. Informacije o zdravlju mačke, na primer, brzo cure u njeno okruženje u obliku fotona i razmene toplote. Karakteristični kvantni fenomeni uključuju kombinacije različitih klasičnih stanja (kao što su i mrtvo i živo), a ove kombinacije imaju tendenciju da se rasipaju. Curenje informacija je suština procesa poznatog kao dekoherencija [videti „100 godina kvantnih misterija“, autora Maksa Tegmarka i Džona Arčibalda Vilera; Scientific American, februar 2001].

Delujući kao jedno

Većina demonstracija isprepletanosti uključuje najviše nekoliko čestica. Veće grupe je teže izolovati iz okoline. Čestice u njima se verovatnije prepliću sa zalutalim česticama, zamagljujući njihove originalne međusobne veze. Prema jeziku dekoherencije, previše informacija curi u okolinu, što uzrokuje da se sistem ponaša klasično. Teškoća očuvanja isprepletanosti je veliki izazov za one od nas koji žele da iskoriste ove nove efekte za praktičnu upotrebu, kao što su kvantni računari.

Jedan uredan eksperiment iz 2003. godine dokazao je da čak i veći sistemi mogu ostati isprepleteni kada se curenje smanji ili nekako neutrališe. Gabrijel Epli sa Univerzitetskog koledža u Londonu i njegove kolege uzeli su komad litijum fluoridne soli i stavili ga u spoljašnje magnetno polje. Možete zamisliti atome u soli kao male rotirajuće magnete koji pokušavaju da se poravnaju sa spoljašnjim poljem, odgovor poznat kao magnetna susceptibilnost. Sile koje atomi vrše jedni na druge deluju kao vrsta vršnjačkog pritiska da ih brže dovedu u red. Kako su istraživači menjali jačinu magnetnog polja, merili su koliko brzo su se atomi poravnali. Otkrili su da atomi reaguju mnogo brže nego što bi sugerisala snaga njihovih međusobnih interakcija. Bilo je jasno da neki dodatni efekat pomaže atomima da deluju usklađeno, a istraživači su tvrdili da je krivac isprepletenost. Ako je tako, 1020 atoma soli formiralo je izuzetno isprepleteno stanje.

Da bi izbegli zbunjujuće efekte slučajnih kretanja povezanih sa toplotnom energijom, Eplijev tim je sproveo svoje eksperimente na izuzetno niskim temperaturama - nekoliko milikelvina. Međutim, od tada, Aleksandar Martins de Souza iz Brazilskog centra za istraživanje fizike u Rio de Žaneiru i kolege otkrili su makroskopsko isprepletanje u materijalima kao što je bakar karboksilat na sobnoj temperaturi i višoj. U ovim sistemima, interakcija između spinova čestica je dovoljno jaka da se odupre toplotnom haosu. U drugim slučajevima, spoljašnja sila deluje protiv toplotnih efekata [videti „Lako ide, lako dolazi“, Džordža Musera; News Scan, Scientific American, novembar 2009]. Fizičari su videli isprepletanje u sistemima sve veće veličine i temperature, od jona zarobljenih elektromagnetnim poljima do ultrahladnih atoma u rešetkama do superprovodnih kvantnih bitova.

Ovi sistemi su analogni Šredingerovoj mački. Razmotrite atom ili jon. Njegovi elektroni mogu postojati blizu jezgra ili dalje - ili oba istovremeno. Takav elektron se ponaša kao radioaktivni atom koji se raspao ili ne u Šredingerovom misaonom eksperimentu. Bez obzira na to šta elektron radi, ceo atom može da se pomera, recimo, levo ili desno. Ovo kretanje igra ulogu mrtve ili žive mačke. Koristeći lasere za manipulaciju atomom, fizičari mogu da kombinuju ova dva svojstva. Ako je elektron blizu jezgra, možemo da nateramo atom da se pomera ulevo, dok ako je elektron dalje, atom se pomera udesno. Dakle, stanje elektrona je isprepleteno sa kretanjem atoma, na isti način na koji je radioaktivni raspad isprepleten sa stanjem mačke. Mačka koja je i živa i mrtva oponaša se atomom koji se kreće i levo i desno.

Drugi eksperimenti proširuju ovu osnovnu ideju, tako da se ogroman broj atoma ispreplete i ulazi u stanja koja bi klasična fizika smatrala nemogućim. A ako čvrsta tela mogu biti isprepletena čak i kada su velika i vruća, potreban je samo mali skok mašte da se zapitamo da li bi isto moglo biti tačno i za veoma posebnu vrstu velikog, vrućeg sistema: život.

Šredingerove ptice

Evropski crvendaći su lukave male ptice. Svake godine migriraju iz Skandinavije u tople ravnice ekvatorijalne Afrike, vraćajući se u proleće kada vreme na severu postane podnošljivije. Crvendaći prelaze ovo kružno putovanje od oko 13.000 kilometara sa prirodnom lakoćom.

Ljudi su se dugo pitali da li ptice i druge životinje možda imaju neku vrstu ugrađenog kompasa. Sedamdesetih godina prošlog veka, bračni par po imenu Volfgang i Rozvita Vilčko sa Univerziteta u Frankfurtu u Nemačkoj uhvatio je crvendaće koji su migrirali u Afriku i smestio ih u veštačka magnetna polja. Čudno, otkrili su da crvendaći nisu bili svesni promene pravca magnetnog polja, što ukazuje na to da nisu mogli da razlikuju sever od juga. Međutim, ptice su reagovale na nagib Zemljinog magnetnog polja - to jest, ugao pod kojim linije polja seku površinu. To je sve što im je potrebno za navigaciju. Zanimljivo je da crvendaći sa povezom na očima uopšte nisu reagovali na magnetno polje, što ukazuje na to da nekako osećaju polje očima.

Godine 2000, Torsten Ric, fizičar tada na Univerzitetu Južne Floride koji je strastveno proučavao ptice selice, i njegove kolege sugerisali su da je ključ isprepletanost. U njihovom scenariju, koji se nadovezuje na prethodni rad Klausa Šultena sa Univerziteta u Ilinoisu, ptičje oko ima vrstu molekula u kojem dva elektrona formiraju isprepleteni par sa nultim ukupnim spinom. Takva situacija jednostavno ne može biti imitirana klasičnom fizikom. Kada ovaj molekul apsorbuje vidljivu svetlost, elektroni dobijaju dovoljno energije da se razdvoje i postanu podložni spoljnim uticajima, uključujući Zemljino magnetno polje. Ako je magnetno polje nagnuto, ono različito utiče na dva elektrona, stvarajući neravnotežu koja menja hemijsku reakciju kroz koju molekul prolazi. Hemijski putevi u oku pretvaraju ovu razliku u neurološke impulse, koji na kraju stvaraju sliku magnetnog polja u mozgu ptice.

Iako dokazi za Ricov mehanizam počivaju na indirektnim podacima, Kristofer T. Rodžers i Kiminori Maeda sa Univerziteta u Oksfordu proučavali su molekule slične Ricu u laboratoriji (za razliku od onih unutar živih životinja) i pokazali da su ovi molekuli zaista osetljivi na magnetna polja zbog elektronskog isprepletanja. Prema proračunima koje smo moje kolege i ja napravili, kvantni efekti traju u ptičjoj perspektivi oko 100 mikrosekundi - što je, u ovom kontekstu, dugo vreme. Rekord za veštački konstruisan sistem elektronskog spina je oko 50 mikrosekundi. Još uvek ne znamo kako bi prirodni sistem mogao da sačuva kvantne efekte toliko dugo, ali odgovor bi nam mogao dati ideje o tome kako da zaštitimo kvantne računare od dekoherencije.

Još jedan biološki proces u kome može doći do preplitanja je fotosinteza, proces u kojem biljke pretvaraju sunčevu svetlost u hemijsku energiju. Upadna svetlost izbacuje elektrone unutar biljnih ćelija, i svi ovi elektroni moraju pronaći put do istog mesta: centra za hemijske reakcije gde mogu da deponuju svoju energiju i pokrenu reakcije koje pokreću biljne ćelije. Klasična fizika ne uspeva da objasni gotovo savršenu efikasnost kojom to rade.

Eksperimenti nekoliko grupa, kao što su Grejam R. Fleming, Mohan Sarovar i njihove kolege sa Univerziteta Kalifornije u Berkliju i Gregori D. Skouls sa Univerziteta u Torontu, sugerišu da kvantna mehanika objašnjava visoku efikasnost procesa. U kvantnom svetu, čestica ne mora samo da prati jednu putanju; može ići sve odjednom. Elektromagnetna polja unutar biljnih ćelija mogu prouzrokovati da se neke od ovih putanja međusobno ponište, a druge da se međusobno pojačavaju, smanjujući šansu da elektron krene uzaludnim putem i povećavajući šansu da će biti usmeren direktno ka reakcionom centru.

Preplitanje bi trajalo samo delić sekunde i uključivalo bi molekule od ne više od oko 100.000 atoma. Da li postoje slučajevi većeg i trajnijeg preplitanja u prirodi? Ne znamo, ali pitanje je dovoljno uzbudljivo da stimuliše novu disciplinu: kvantnu biologiju.

Značenje svega toga

Za Šredingera, mogućnost da mačke budu i žive i mrtve bila je apsurdna; svaka teorija koja je dala takvo predviđanje mora biti pogrešna. Generacije fizičara delili su ovu nelagodu i mislili su da će kvantna mehanika prestati da se primenjuje na sve većim razmerama. Osamdesetih godina prošlog veka, Rodžer Penrouz iz Oksforda sugerisao je da bi gravitacija mogla da dovede do toga da kvantna mehanika ustupi mesto klasičnoj fizici za objekte masivnije od 20 mikrograma, a trio italijanskih fizičara - Đankarlo Đirardi i Tomazo Veber sa Univerziteta u Trstu i Alberto Rimini sa Univerziteta u Paviji - predložili su da se veliki broj čestica spontano ponaša klasično. Ali eksperimenti sada ostavljaju vrlo malo prostora za delovanje takvih procesa. Podela između kvantnog i klasičnog sveta ne deluje fundamentalno. To je samo pitanje eksperimentalne domišljatosti, i malo fizičara sada misli da će se klasična fizika ikada zaista vratiti na bilo kojoj skali. Ako ništa drugo, široko je rasprostranjeno verovanje da ako ikada dublja teorija nadmaši kvantnu fiziku, pokazaće da je svet još kontraintuitivniji od svega što smo do sada videli.

Dakle, činjenica da se kvantna mehanika primenjuje na svim razmerama primorava nas da se suočimo sa najdubljim misterijama teorije. Ne možemo ih jednostavno otpisati kao puke detalje koji su važni samo na najmanjim razmerama. Na primer, prostor i vreme su dva najosnovnija klasična koncepta, ali prema kvantnoj mehanici oni su sekundarni. Isprepletenosti su primarne. One povezuju kvantne sisteme jedne sa drugima bez pozivanja na prostor i vreme. Kada bi postojala linija razdvajanja između kvantnog i klasičnog sveta, mogli bismo da koristimo prostor i vreme klasičnog sveta da bismo pružili okvir za opisivanje kvantnih procesa. Ali bez takve linije razdvajanja – i, zapravo, bez istinski klasičnog sveta – gubimo ovaj okvir. Moramo objasniti prostor i vreme kao nešto što nekako proizilazi iz fundamentalno bezprostorne i bezvremenske fizike.

Taj uvid, zauzvrat, može nam pomoći da pomirimo kvantnu fiziku sa tim drugim velikim stubom fizike, Ajnštajnovom opštom teorijom relativnosti, koja opisuje silu gravitacije u smislu geometrije prostor-vremena. Opšta relativnost pretpostavlja da objekti imaju dobro definisane položaje i da se nikada ne nalaze na više od jednog mesta u isto vreme – što je u direktnoj suprotnosti sa kvantnom fizikom. Mnogi fizičari, poput Stivena Hokinga sa Univerziteta u Kembridžu, smatraju da teorija relativnosti mora ustupiti mesto dubljoj teoriji u kojoj prostor i vreme ne postoje. Klasično prostor-vreme nastaje iz kvantnih isprepletanosti kroz proces dekoherencije.

VLATKO VEDRAL je profesor na Univerzitetu u Oxfordu i Nacionalnom univerzitetu u Singapuru, koji se bavi proučavanjem prepletenosti. Njegov glavni doprinos kvantnoj fizici bio je novi način kvantifikacije prepletenosti i njene primene na makroskopske fizičke sisteme.Izvor