Jsme neskutečně lokální nebo skutečně nelokální?

"Bůh nehraje v kostky," prohlásil kdysi Albert Einstein. Předtím už stihnul zformuloval obecnou teorii relativity (OTR), podle níž je ve vesmíru limitní rychlost světla, nic se nemůže pohybovat rychleji. Nicméně mýlil se, v obou případech. Kvantová fyzika dokazuje, že Bůh nejenže hraje v kostky, ale nenechá nás ani podívat, co padlo a že s omezením na rychlost světla to zase nebude tak horké.

Einstein kontra kvantová mechanika

Byl to právě tento geniální fyzik, který vypustil do světa myšlenku kvantování elektromagnetického pole, díky čemuž vysvětlil podstatu fotoelektrického jevu a obdržel za to Nobelovu cenu.

Poznámka na okraj - správně ji měl dostat za teorii relativity, ale tento objev byl příliš průlomový a hlavně tomu tehdy skoro nikdo nerozuměl, proto komise raději sáhla po jiném zdůvodnění. Co kdyby se nakonec ukázala teorie relativity jako zcela zcestná?

Albert stál, i když víceméně mimoděk, u kolébky kvantové mechaniky. Nebyl to však dobrý otec, spíše ekvivalent zlé macechy, po zbytek života se totiž snažil tuto oblast fyziky zadupat do země. Možná proto, že v kvantovém měřítku nefunguje OTR a též proto, jak mnohem později prohlásil Steven Hawking: "Nejenže Bůh zcela jistě hraje v kostky, ale dokonce nás často i mate tím, že tyto kostky hodí někam, kde je ani On sám nedokáže pozorovat."

EPR paradox

Nejznámějším Einsteinovým pokusem o důkaz, že kvantová teorie je mylná je Einstein-Podolského-Rosenův paradox (EPR paradox) z roku 1935. Tahle parta fyziků si vzala na mušku jednu ze základních vlastností kvantové mechaniky: nelokálnost. EPR paradox tvrdí následující:

Seženeme nějaký kvantový systém - může to být třeba dvojice fotonů z jednoho zdroje. Fotony necháme letět každý opačným směrem až na konec vesmíru. A protože kvantová mechanika tvrdí, že polarizace jednoho i druhé fotonu jsou na sobě závislé (kvantově korelované) a že polarizace nejsou určené v okamžiku kdy oba fotony opuštějí zdroj, nýbrž až v momentu, kdy ji fotonům tuto vlastnost změříme, pak lze provést následující. Změřením polarizace fotonu na jednom konci vesmíru nastavíme polarizaci fotonu na druhém konci. Pokud k tomu nedojde v okamžiku měření přes celý vesmír, jsi nahraná, kvantová fyziko.

Bellova nerovnost

EPR paradox a vůbec spor Einsten versur Bohr byl celá léta oblíbeným tématem rozhovorů za dlouhých zimních večerů, při dobrém doutníku a nějaké té skotské. Ta méně šťastná část fyziků vedla tyto debaty při svíčce a drkotání zubů v sibiřském gulagu, kam Stalin posílal každého, kdo byl chytřejší než on a odvážil se to dát najevo. Ale vraťme se zpět k té šťastnější části světa, do klubu gentlemanů, ke skleničce skotské.

Abychom mohli dokázat, že EPR paradox popisuje, jak funguje kvantový svět, je kvantová korelace. A zde vstupuje do hry pan John Bella jeho slavný teorém, Bellova nerovnost. Pokud si pod pojmem Bellova nerovnost představíte rozdíl mezi skutečně provolanými minutami a výší účtu od mobilního operátora, tak to je špatně, to je jiný Bell, Graham Bell, ten co vynalezl telefon. Bellova nerovnost funguje jinak, ale konec konců, když si o ní budeme povídat, můžeme zůstat u toho telefonování.

Jana a Jana, telefonický pokus

Mějme Janu a Janu, dvě free cool a in teenegerky, které toho provolají opravdu hodně. Obě mají mobily od dvou různých operátorů. A teď to začne být zajímavé, dostanou totiž těžký úkol - každá z nich si po dobu jednoho měsíce musí vždy ráno zvolit operátora, jehož služby bude daný den využívat a druhý mobil nechat doma. Musí to udělat náhodně, proto jsme jim přichystali minci s logy operátorů na jednotlivých stranách mince, ráno si jí právě jednou hodí a co padne, ten mobil si vezme. Na konci měsíce potom porovnáme celkovou útratu obou Jan.

Nyní do hry vstupuje věc, které se říká skryté proměnné. Jana i Jana jsou spolužačky a kamarádky, často si volají, mají podobný okruh přátel, ale jiné lásky a trochu jiné zájmy - to všechno ovlivňuje, zčásti společně pro obě, zčásti u každé zvlášť jejich potřebu telefonování nebo esemeskování. Pokud by se podařilo vysvětlit vztah mezi výší účtů Jany a Jany, třeba že první Jana bude mít účet vždy o něco menší, tedy pokud tento vztah dokážeme plně vysvětlit jenom díky skrytým proměnným bez ohledu na zvoleného operátora, je to špatně a kvantová fyzika má problém. Bellova nerovnost ale říká, že tento vztah závisí i na volbě operátora a to u obou dívek naráz.

Uvědomuji si, že jsem jako příměr nezvolil tu nejvhodnější oblast (vzhledem k věku obou Jan je obtížné vysvětlit z jejich chování naprosto cokoliv a jen málokterý rodič či jiný výzkumník sebere tolik odvahy a tolik finančních prostředků, aby jim dal do ruky neomezené volání). Zůstaňme raději u myšlenkové stránky tohoto pokusu, podobně jako se slavnou Schroedingerovou kočkou v krabici.

Schroedingerovy koťata a pokus pana Aspecta

Nelokálnost kvantové fyziky lze ostatně ukázat na potomcích této slavné kočky, která přežila pokus s krabicí, kvantovým jevem, kvantovým detektorem a smrtícím plynem. Poté se dožila vysokého věku, šťastně se vdala a přivedla na svět dvě koťata. Bohužel se jich ale zmocnili kvantoví mechanizátoři, zavřeli každé z nich do rakety, těsně před startem poslali do každé rakety po jednom kvantově korelovaném fotonu a potom odpálili každou z raket na jiný konec vesmíru.

Ještě je důležité dodat, že v raketě je obvyklé příslušenství kvantového pokusu: podpora života, zábavní modul her pro kočku a též nezbytný pekelný stroj, který pokud naměří například polarizaci P1, koťátko zabije. Kvantová fyzika předpovídá, že pokud najdou mimozemšťani někde na konci vesmíru jednu raketu, otevřením kabiny a zjištěním, jak je na tom kočka vevnitř, okamžitě přes celý vesmír ovlivní stav druhé kočky. Tedy pokud budou mít štěstí, nevyletí na ně dlouhou cestou k smrti naštvaná kočka. Toto je další důkaz celistvosti kvantové mechaniky, protože EPR paradox lze aplikovat na kočku.

Do roku 1982 byl podobný pokus možný pouze jako myšlenkový. V tomto roce na univerzitě v Paříží tým vědců vedený Alainem Aspectem pomocí měření právě polarizace fotonů, vysílaných z jednoho zdroje do dvou různých směrů potvrdil, že i v reálné přírodě dochází k narušení Bellových nerovností a tudíž že kvantové jevy jsou skutečně nelokální.

Jsme lokálně neskuteční nebo skutečně nelokální?

Od roku 1982 se i nadále experimentovalo, Aspectův pokus byl proveden i s elektrony a potom s atomy. Dokonce byl proveden tento pokus tak, že místo sledování souvztažností v prostoru je sleduje v čase a výsledek nám dává na výběr - buďto jsme skuteční a přijmeme tento výsledek jako reálný, anebo jsme nelokální.

Odtud plyne název článku, někteří fyzikové se dodnes nesmířili s nelokálním působením (nazývají to strašidelné působení na dálku) a raději tvrdí, že vše je přelud, že jsme neskuteční, hlavně když jsme lokální.

Já osobně budu mnohem radši skutečný, i když nelokální. A jak jste na tom vy, drazí čtenáři?

Pokud se Vám tyto články líbí, jejich pokračování můžete už dnést nalézt na emag.cz