Százezer önkéntes gamer segített bebizonyítani, hogy Einstein tévedett

Tucatnyi tudományos kutatóintézet és százezer önkéntes részvételével nagyszabású kvantummechanikai kísérlet zajlott 2016. november 30-án. Az egyenlőtlenségi tételeiről ismert ír fizikusról, John Stewart Bellről elnevezett Big Bell Test (BBT) célja a kvantum-összefonódás jelenségének kísérleti vizsgálata, illetve bizonyítása volt. A kísérlet eredményeinek elemzését publikálta május 9-én a Nature. A cikket jegyző kutatók szerint az einsteini „lokális realizmus” kvantumszinten nem létezik.

Kvantumösszefonódás, ahogy azt egy tudomány-illusztrátor elképzeliFotó: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRA/Science Photo Library

A kísérteties távolhatás és a helyi valóság

A tudományos definíció szerint „a kvantum-összefonódás egy olyan jelenség amiben kvantumállapotban levő objektumok együtt alkotnak egy kvantumrendszert. Ez az a jelenség a kvantummechanikában, amikor két részecske (spinje vagy momentuma) összefonódott állapotban van, és az egyikkel végzett művelet a másikra is kihat, és az is változik a művelet hatására. Ennek megfelelően az egyik mérésével a másik is beáll sajátállapotba (ezek azok az állapotok, amikben egy objektum szuperpozíció nélkül is lehet), amivel egyébként az összefonódás meg is szűnik. Ilyen összefonódott esetben két objektum (kvantum)állapota kölcsönösen meghatározza egymást annak ellenére, hogy szuperpozíció állapotában is lehetnek. Ilyenkor a teljes rendszer állapotát nem lehet pusztán a részrendszerek állapotának (független) megadásával leírni”. A tipikus kvantumjelenségnek nincs megfelelője a klasszikus fizikában. Albert Einstein a jelenséget „kísérteties távolhatásnak" (spooky action at a distance) aposztrofálta, és ha el nem is vetette, ellentmondónak találta a klasszikus fizikában érvényesülő lokális realizmus alapvetésével. Ez utóbbi szerint a részecskék képtelenek lennének a fénysebességnél is gyorsabban egymásra hatni nagy távolságban (lokalitás), és nem lehetséges, hogy a mérés előtt ne vennék fel a mért állapotot (realizmus). 

A kvantumjelenségekkel gyakorlatban is foglalkozók ugyanakkor régóta azon vannak, hogy bizonyítsák: a világot nem lehet helyesen leírni egy olyan elmélettel, amely a lokális realizmus talaján áll. Einsteini értelemben ugyan lehet lokális, de el kell fogadni, hogy az a fajta realizmus, ami a klasszikus fizikában elfogadott, és amely szerint egy mérendő rendszernek a mérés előtt már rendelkeznie kell az adott mértékű mennyiséggel, és a mérés csupán feltárja ezt az értéket, a kvantumok szintjén nem igaz. A realizmusnak ez a nemléte okozza azt a kvantum-nemlokalitást, amely a kvantumkorrelációk, vagyis az összefonódások hátterében áll.

Játékos véletlen és a szabad választás

A nevezetes napon, 2016. november 30-án 12 órán át Japántól Ausztrálián és Európán át Amerikáig 100 ezer játékos, vagyis „bellster” játszott a Big Bell Questtel: a játékosoknak mindössze annyi volt a dolguk, hogy véletlenszerű kattintgatással nullákból és egyesekből álló számsorokat állítsanak elő. 

A BBT-ben részvevők elhelyezkedése a Földön:

A játékosok által generált 97 millió 347 ezer 490 bitet kitevő adatmennyiségre azért volt szükség, mert a kutatók így igyekeztek bezárni a kvantummechanikai kísérlet alapjául szolgáló Bell-egyenlőtlenségek kiskapuit, és feltárni az esetleges rejtett változók által létrejövő korrelációkat. A módszer további előnye, hogy a kutatók választása sem bírhat befolyással a vizsgálandó részecskék állapotára. Az öt kontinens 12 laborjába küldött bináris számsorokkal különböző kísérleteket végeztek – atomok, atomcsoportok, fotonok és szupravezető eszközök felhasználásával. 

Ha az ember szabad, a részecske is szabad

Az eredmények nem igazolták a lokális realizmust, a kvantumösszefonódást annál inkább. „Bebizonyítottuk, hogy Einstein lokális realizmusról alkotott átfogó elmélete, amely szerint a dolgok tulajdonságai a megfigyeléstől függetlenül is léteznek, valamint az az állítása, hogy semmi sem lehet gyorsabb a fénynél, nem lehetnek igazak – a két állítás közül legalább az egyiknek hamisnak kell lennie” – nyilatkozta a Live Science-nek Morgan Mitchel, a barcelonai Institute of Photonic Sciences kvantumoptika-professzora. Ezek szerint feltételezhető egy olyan forgatókönyv, amely szerint maga a megfigyelés is változtat a világon, illetve egy olyan, miszerint a részecskék oly módon kommunikálnak egymással, amit nem láthatunk vagy befolyásolhatunk. „Akár mindkettő lehetséges” – tette hozzá Mitchel. 

A Big Bell Test játéka és a játékkal generált egyedi számsorFotó: Qubit

A kísérletek Mitchel szerint egy másik, a véletlenszerűség és a szabad választás közötti összefüggésre is rámutattak. (Einstein azért is vitázott a kvantumelmélettel, mert szerinte egy szuperpozícióban lévő elektron nem választhatja meg szabadon, hogy a mérés pillanatában milyen állapotot vesz fel, ehhez lennie kell valamiféle, az eredmény jósolhatóvá tevő előfeltételnek.) A kvantumoptika Spanyolországban dolgozó professzora szerint ugyanis, ha sikerül a méréseket valóban véletlenszerűvé tenni, akkor a részecskék viselkedése ugyanúgy véletlenszerű mintázatot mutat, mint a BBT bináris számsorait generáló önkénteseké. „Ha mi szabadok vagyunk, akkor ők is azok” – mondta a Live Science-nek Mitchel.

A témát az alábbi cikkeink érintik bővebben: