 |
| Av National Science Foundation. | Lisens: Falt i det fri (Public domain) |
Kvanttifysiikan ja Albert Einsteinin välinen ristiriita on yksi modernin fysiikan kiehtovimmista luvuista. Vaikka Einstein oli itse mukana perustamassa kvanttimekaniikkaa (hän sai Nobel-palkintonsa valosähköisen ilmiön selittämisestä), hän ei koskaan täysin hyväksynyt teorian myöhempää kehitystä ja sen tuomaa maailmankuvaa [1].
Suurin ristiriita kiteytyy siihen, miten kaksi eri fysiikan teoriaa kuvaa todellisuutta: Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria kuvaa maailmaa jatkuvana, ennustettavana ja deterministisenä, kun taas kvanttimekaniikka kuvaa mikromaailmaa satunnaisena, epävarmana ja hiukkasten välisinä hyppyinä.
Kvanttifysiikan näkemys: Mikromaailmassa asioita ei voi ennustaa varmasti, vaan ainoastaan todennäköisyyksillä. Esimerkiksi hiukkasen paikkaa ei ole tarkasti määritetty ennen kuin se mitataan (Heisenbergin epätarkkuusperiaate).
Einstein puolestaan uskoi vankasti, että luonto on pohjimmiltaan ennustettava (deterministinen). Jos emme pysty ennustamaan jotain, kyse on vain tietomme puutteesta, ei luonnon todellisesta satunnaisuudesta. Tästä suuttuneena hän lausui kuuluisan lentävän lauseensa: "Jumala ei heitä noppaa."
Kvanttifysiikan näkemyksen mukaan kaksi hiukkasta voivat kietoutua toisiinsa siten, että toisen hiukkasen mittaaminen määrittää välittömästi toisen hiukkasen tilan – vaikka ne olisivat maailmankaikkeuden eri laidoilla [4].
 |
| https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EPR_illustration.svg |
Einstein piti tätä mahdottomana, koska mikään informaatio ei hänen suhteellisuusteoriansa mukaan voi kulkea valoa nopeammin. Hän kutsui ilmiötä pilkallisesti nimellä "spooky action at a distance" (kaukovaikutusta aavemaisesti) ja yritti kumota sen vuonna 1935 niin sanotulla EPR-paradoksilla. (Myöhemmät kokeet ovat osoittaneet Einsteinin olleen tässä väärässä: kvanttikietoutuminen on todellinen ilmiö).
EPR paradoksi [3]. Bellin teoreema on pohjoisirlantilaisen fyysikon John Stewart Bellin vuonna 1964 esittämä lause, joka osoitti, että teoreema tarjosi tavan testata kokeellisesti, onko luonto pohjimmiltaan "paikallinen ja todellinen" (kuten Einstein uskoi) vai "ei-paikallinen" (kuten kvanttimekaniikka väittää).
• Realismi (Todellisuus): Hiukkasilla on olemassa olevat, tarkat ominaisuudet (kuten spin tai paikka) jo ennen
• Paikallisuus: Mikään vaikutus tai informaatio ei voi kulkea valoa nopeammin. Siksi kaukana tehty mittaus ei voi välittömästi muuttaa toisen hiukkasen tilaa.
Einstein uskoi, että nämä kaksi asiaa muodostavat paikallisen realismin. Bell osoitti matemaattisesti, että jos tämä oletus pitäisi paikkansa, tietyillä mittauksilla olisi tiukat ylärajat.
Bell kehitti matemaattisia kaavoja, joita kutsutaan Bellin epäyhtälöiksi.
Jos maailma toimisi Einsteinin toivomalla tavalla (paikallisen realismin mukaan), kahden toisistaan erotetun
• Paikallinen realismi: Korrelaatioiden määrä on ≤ Bellin raja [8].
• Kvanttimekaniikka: Ennustaa, että tietyissä tilanteissa hiukkasten välinen korrelaatio ylittää tämän rajan (rikkoo epäyhtälön).
Bellin teoreema siirsi EPR-paradoksin filosofisesta väittelystä konkreettiseksi laboratoriotestiksi. 1970-luvulta lähtien fyysikot alkoivat testata epäyhtälöitä käytännössä takoutuneiden fotonien avulla.
• Tulos: Kokeet rikkoivat Bellin epäyhtälöitä toistuvasti ja tarkasti. Kvanttimekaniikan ennusteet osoittautuivat oikeiksi.
Mitä tämä tarkoittaa? Koska Bellin epäyhtälöt rikkoutuvat, luonto ei voi olla samanaikaisesti sekä paikallinen että reaalinen. Nykyfysiikan valtavirran tulkinnan mukaan maailma on ei-paikallinen: kahden takoutuneen hiukkasen välillä vallitsee yhteys, joka ei välitä etäisyydestä, vaikka tämä yhteys ei sallikaan valoa nopeampaa tiedonsiirtoa (informaatiota ei voida lähettää tällä tavalla).
Kvanttifysiikka esittää, että hiukkanen voi olla monessa tilassa samanaikaisesti (superpositio), kunnes havaitsija tai mittaus pakottaa sen valitsemaan yhden tilan [5].
Einsteinin vastalause: Einstein uskoi objektiiviseen todellisuuteen, joka on olemassa meistä riippumatta. Hän kysyi kerran turhautuneena kollegaltaan: "Uskotko todella, että Kuu on siellä vain silloin, kun katsot sitä?"
Tämä ristiriita ei ole vain historian havinaa, vaan se on modernin fysiikan suurin ratkaisematon ongelma. Meillä on kaksi erittäin tarkkaa työkalua, mutta ne eivät sovi yhteen:
Kun nämä kaksi yritetään yhdistää – esimerkiksi tutkittaessa mustien aukkojen keskustoja tai alkuräjähdyksen ensimmäistä hetkeä, joissa suuri massa on pakkautunut äärimmäisen pieneen tilaan – matematiikka menee rikki ja tuottaa vastaukseksi äärettömyyksiä.
Fysiikka etsii yhä niin sanottua kaiken teoriaa (kuten säieteoriaa tai kvanttipainovoimaa), joka pystyisi vihdoin siltoittamaan Einsteinin maailman ja kvanttimaailman välisen kuilun.
Kvanttifysiikassa täysin tyhjää tilaa eli absoluuttista tyhjiötä ei ole olemassa, vaan tyhjiön kuvaillaan kirjaimellisesti ”kuplivan” jatkuvasti. Tätä ilmiötä kutsutaan kvanttifluktuaatioksi. Virtuaalihiukkaset muodostavat tyhjiöön kiehuvan puuron [2].
Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen vuoksi maailmankaikkeuden energian määrä ei voi missään pisteessä olla sekunnin murto-osaakaan täsmälleen nolla. Tämän seurauksena tyhjiöstä "lainataan" hetkellisesti energiaa, joka synnyttää hiukkas-antihiukkaspareja (esimerkiksi elektronin ja positronin).
Nämä niin sanotut virtuaalihiukkaset syntyvät tyhjästä, ovat olemassa vain häviävän pienen hetken ja törmäävät välittömästi toisiinsa annihiloiden eli tuhoten toisensa takaisin energiaksi.
Tämä jatkuva syntymisen ja katoamisen sykli saa aikaan sen, että mikroskooppisella tasolla tyhjiö muistuttaa kiehuvaa, kuplivaa vaahtoa.
Tyhjästä voi syntyä koko maailma. Koska kokonaisenergia on nolla, maailmankaikkeuden luominen tyhjästä ei riko energian säilytyslakia.
Vaikka hiukkaset ovat virtuaalisia ja lyhytikäisiä, niiden olemassaolo ja "kuplinta" jättävät todellisia, mitattavia jälkiä:
Casimirin ilmiö: Kun kaksi metallilevyä asetetaan äärimmäisen lähelle toisiaan tyhjiössä, niiden väliin mahtuu vähemmän näitä "kuplivia" kvanttiheilahteluja (aaltoja) kuin levyjen ulkopuolelle. Ulkopuolella oleva suurempi kvanttipaine työntää levyjä toisiaan kohti. Tämä voima on mitattu laboratoriossa [6].
Tätä tyhjiön sisältämää minimienergiaa kutsutaan nollapiste-energiaksi tai tyhjiöenergiaksi. Kosmologiassa uskotaan, että tämä sama tyhjiön energia saattaa olla mystistä pimeää energiaa, joka saa tälläkin hetkellä koko maailmankaikkeuden laajenemaan kiihtyvällä tahdilla [7].
Viitteet:
1. https://tekniikanmaailma.fi/kohtaavatko-kvanttimekaniikka-ja-suhteellisuusteoria-viimein-uusi-teoria-on-nyt-esitetty-ja-monet-fyysikot-eivat-pida-sen-ideasta/
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_fluctuation
3. https://fi.wikipedia.org/wiki/EPR-paradoksi
4. https://www.quera.com/glossary/entanglement
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Superposition_principle
6. https://fi.wikipedia.org/wiki/Casimirin_ilmi%C3%B6
7. https://fi.wikipedia.org/wiki/Pime%C3%A4_energia
8. https://fi.wikipedia.org/wiki/Bellin_teoreema
