Sadan vuoden yhtenäisyys

29.1.2025 klo 11.59, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kvanttimekaniikka täyttää sata vuotta. Vuonna 1925 Werner Heisenberg, Max Born, ja Pascual Jordan löysivät kvanttimekaniikan koko teorian. Seuraavana vuonna Erwin Schrödinger löysi nykyään hänen nimeään kantavan yhtälön, joka kertoo miten kvanttimekaaniset systeemit kehittyvät. Schrödinger osoitti nopeasti, että hänen yhtälönsä on vain toinen tapa kuvata samaa teoriaa kuin Heisenbergin ja kumpp. muotoilu.

Kvanttimekaniikasta kehittynyt kvanttikenttäteoria on yksi kahdesta tällä hetkellä perustavanlaatuisesta teoriasta. Se kuvaa ainetta ja vuorovaikutuksia, gravitaatiota lukuun ottamatta. Toinen perustavanlaatuinen teoria, yleinen suhteellisuusteoria, kuvaa aika-avaruutta ja gravitaatiota.

Kvanttifysiikka ja suhteellisuusteoria molemmat löydettiin ratkaisuina klassisen fysiikan sisäisiin ongelmiin ja ristiriitoihin havaintojen kanssa, joita kertyi 1800-loppupuolelta alkaen yhä enemmän.

Yleinen suhteellisuusteoria, ja sen edeltäjä suppea suhteellisuusteoria, löydettiin pääasiassa matemaattisen päättelyn kautta: havainnoilla oli vain pieni osuus. Suppea ja yleinen suhteellisuusteoria saatiin myös jokseenkin valmiiksi kerralla, niiden sisältöä ei ole nykypäivään mennessä juuri muutettu. Kvanttimekaniikka ja kvanttikenttäteoria (joka yhdistää kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian) sen sijaan löydettiin pala palalta tiiviissä vuorovaikutuksessa havaintojen kanssa.

Ja siinä missä yleisen suhteellisuusteorian ainoa sovellus on GPS-paikannus, lähes kaikki nykyteknologia pohjaa kvanttifysiikkaan. Klassisesta fysiikasta ponnistava höyrykone oli keskeinen teollisessa vallankumouksessa, joka mullisti maailmaa 1700-luvulta alkaen, ja sähkö määritteli 1800-lukua ja 1900-luvun alkupuolta; samalla tapaa kvanttifysiikka määritti suurimman osan 1900-luvusta.

Teknologinen kehitys on yhteiskunnallisten muutosten veturi, ja on vaikea yliarvioida elektroniikan, digitalisaation, tietokoneiden, tietoverkkojen, ja muiden kvanttimekaniikan hedelmien merkitystä yhteiskunnalle. Yhtä lailla kvanttimekaniikka on mullistanut käsityksemme todellisuudesta. Itse asiassa kvanttimekaniikan paljastama kuva maailmasta on niin vieras arkiajattelullemme, että ilman matematiikkaa on vaikea selittää mistä siinä on kyse.

Kvanttimekaniikan ytimessä on se, että maailmankaikkeus on epämääräinen ja epädeterministinen.

Epämääräisyys tarkoittaa sitä, että yleensä maailman tila ei ole määrätty: hiukkasilla ei ole yhtä tiettyä paikkaa, vain todennäköisyys olla tietyssä paikassa, eivätkä kissat ole elossa tai kuolleita, vaan sekoituksessa näitä mahdollisuuksia.

Epädeterminismi tarkoittaa sitä, että kun tila muuttuu epämääräisestä määrätyksi, niin on sattumanvaraista mikä vaihtoehto valikoituu. Tulevaisuutta ei voi ennustaa, ainoastaan eri vaihtoehtojen todennäköisyydet. Sitä miten tila määräytyy ei tiedetä, ja tämä on kvanttifysiikan suuri ratkaisematon ongelma.

Lisäksi kvanttimekaniikalle keskeistä on se, että maailma on epälokaali. Tämä tarkoittaa sitä, että yleisesti ottaen systeemin yhtä palaa ei voi kuvata erillisenä, vaan systeemiä pitää tarkastella yhtenä kokonaisuutta. Ehkä selvemmin sanoen, paikallisten havaintojen todennäköisyydet voivat riippua siitä, mitä hyvin kaukana tapahtuu.

Klassisessa fysiikassa (ja arkiajattelussa) kappaleilla on aina määrätyt ominaisuudet, eivätkä mittausten tulokset riipu siitä mitä tapahtuu hyvin kaukana. Tätä kutsutaan klassiseksi realismiksi.

John Bell esitti vuonna 1964 tavan kokeellisesti tarkistaa, onko maailma klassisen realistinen. Vuoden 2022 Nobelin palkinto fysiikasta myönnettiin sen osoittamisesta, että maailma rikkoo klassista realismia kvanttimekaniikan ennustamalla tavalla, sekä tämän seikan hyödyntämisestä kvantti-informaatioteoriassa, mihin esimerkiksi suuressa huudossa oleva kvanttilaskenta perustuu.

Nobelilla palkittu työ perustui matalan energian laboratoriokokeisiin, missä on tutkittu esimerkiksi valon polarisaatiota. Viime viikolla Emidio Gabrielli Triesten yliopistosta ja INFN-tutkimusinstituutista Italiasta sekä NICPB-instituutista Tallinnasta puhui Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarisarjassa siitä, miten klassista realismia on alettu testata myös valtavan paljon korkeammilla energioilla hiukkaskiihdyttimillä.

Kvanttikenttäteoriaan pohjaavan hiukkasfysiikan lait ovat kaukana klassisesta fysiikasta, mutta kiihdytinkokeissa ei pitkään juuri mietitty epälokaalisuutta, vaan keskityttiin uusien hiukkasten ja vuorovaikutusten etsimiseen. Viime vuosina on kuitenkin muodostunut noin sadan tutkijan yhteisö, joka soveltaa kvantti-informaatioteorian menetelmiä hiukkastörmäyksiin.

Kun vaikkapa Higgsin hiukkanen hajoaa kahdeksi fotoniksi, niin fotonien tilat ovat kvanttifysiikan mukaan sidoksissa toisiinsa, ja yhden mittaaminen vaikuttaa toisen tilaan. Kvanttimekaniikan mukaan fotonin värähtely on kahden eri tilan sekoituksessa, mikä on malliesimerkki kvantti-informaatioteorian peruspalikasta, qubitista, joka yleistää klassisen fysiikan kyllä-tai-ei-vaihtoehdot kvanttimekaanisen epämääräisiksi.

Hiukkaskiihdyttimissä on paljon eri mahdollisuuksia: esimerkiksi Z-bosonien polarisaatiolla on kahden sijaan kolme mahdollisuutta: tällainen kolmen mahdollisuuden kvanttimekaaninen sekoitus tunnetaan nimellä qutrit.

Klassisen realismin testaaminen hiukkaskiihdyttimillä on ilmaista mitä kokeisiin tulee. Analyysejä varten ei tarvitse tehdä erillisiä mittauksia, kaiken voi lukea datasta, jota kerätään joka tapauksessa muihin tarkoituksiin. Kiihdyttimissä kvanttimekaniikan periaatteita on nyt luodattu energioilla, jotka ovat miljardeja kertoja korkeampia kuin laboratoriokokeissa, ja joissa on mukana sellaisia vuorovaikutuksia (kuten värivuorovaikutus), joiden vaikutusta ei voi nähdä perinteisissä laboratoriolaitteissa. Vähän samaan tapaan viime aikoina on ruvettu testaamaan klassista realismia kosmologiassa, kosmisella mikroaaltotaustalla.

Kokeet jatkuvat, mutta toistaiseksi teoria ja havainnot ovat pitäneet yhtä. Vaikka kvanttimekaniikka on arkijärjelle vieras, se on ennustanut kaiken (mikä ei kuulu yleisen suhteellisuusteorian tontille) tarkalleen oikein jo sata vuotta.

13 kommenttia “Sadan vuoden yhtenäisyys”

  1. robert ekman sanoo:

    hieno puhe!
    toivomus; puhuisitteko joskus gravitonista ja takyonista ja krononi-hiukkasista myöskin?

    kiitos!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Gravitonista alla. Takyoneista tuskin kirjoitan, ne ovat sen verta tekninen aihe, että en usko sillä olevan tarpeeksi yleistä mielenkiintoa. Krononihiukkasista en ole kuullutkaan.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/painon-valittajasta/

  2. robert ekman sanoo:

    äh öh kiitos
    krononit ovat aikaa välittävä hiukkanen.

  3. Cargo sanoo:

    Eikö se ole hieman kummallista, ettei Pascual Jordan voittanut Nobelin palkintoa, vaikka työsti kanonisen kommutaatiosäännön yhdessä Bornin kanssa, sekä kvantisoi ensimmäisenä sähkömagneettisen kentän? Reilua olisi ollut jakaa myöhempi palkinto Bornin ja Jordanin kesken, tai olla myöntämättä kummallekaan.

    ”Hiukkasilla ei ole yhtä tiettyä paikkaa, vain todennäköisyys olla tietyssä paikassa.”

    Liekö pilkun viilausta, mutta jotkut haluavat painottaa, että hiukkasella on vain todennäköisyys löytyä tietystä paikasta, jos riittävän voimakas mittaus suoritetaan. Hiukkasen sijainnille ei siis oleteta mitään realismia ennen kuin siitä on havainnoiden kerätty informaatiota. Tiedä sitten, miten usein tätä asiaa painotetaan alan oppikirjoissa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En tunne noiden Nobelien yksityiskohtia.

      Ilmaisu ”oleminen” ei oleta realismia.

  4. Martti V sanoo:

    Onkohan teoriassa mahdollista tehdä koe, jossa lomittumisella muutetaan menneisyyttä tyylin, että kissan kuolema riippuu hiukkasen tilasta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei. Lomittumisella ei voi välittää tietoa menneisyyteen.

      1. Eusa sanoo:

        Ei kai tulevaisuuteenkaan? Eikö lomittuminen ole yhteinen ominaisuus, jossa ei siirry informaatiota? Vähän samaan tapaan kuin kahden toisistaan erilleen ponnahtaneen kappaleen liikemäärät – kun mittaamme toisen liiketilaa lähtökoordinaatistoon, tiedämme toisenkin liiketilan olettaen, etteivät kappaleet ole kokeneet häiriötä muista vuorovaikutuksista…

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Lomittuminen on erilainen asia kuin klassisen fysiikan liikemäärän säilyminen. Lomittuneilla ominaisuuksilla ei ole määrättyä arvoa, toisin kuin liikemäärällä, ja niiden todennäköisyysjakaumat riippuvat toisistaan.

          Lomittuminen ei varsinaisesti siirrä informaatiota, mutta lomittumista voi käyttää informaation kopioimiseen ja siten siirtämiseen.

          Lomittumisesta:

          https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/lomittuneilla-fotoneilla/

      2. Martti V sanoo:

        Tietoa ei voi välttää mutta lomittuneet hiukkaset voivat olla kahdessa eri ajassa. Tässä viitata tutkimukseen https://www.livescience.com/19975-spooky-quantum-entanglement.html

        1. Eusa sanoo:

          Linkkisi johtaa mielestäni erittäin kehnoon artikkeliin. Retrokausaalisuus ja kvanttipyyhintä on todettu tulkintaerehdyksiksi noista koejärjestelyistä.

          Tässä hyvä aiheartikkeli: https://backreaction.blogspot.com/2021/10/the-delayed-choice-quantum-eraser.html?m=1.

  5. Lentotaidoton sanoo:

    Itse kommentoin tuolloin 2020: Mielestäni monilla ihmisillä on (jokin pakonomainen) käsitys että lomittumisessa olisi kyse kahdesta eri systeemistä (jotka olisivat ”kietoutuneet”). Lomittunut tilahan on yksi kokonaisuus, mikä sitten dekoherenssissä randomisti romahtaa yhdellä kertaa. Silloin on selvää ettei informaationsiirtoa hiukkaselta toiselle tarvita, ei lokaalia eikä ei-lokaalia (vaikka etäisyys hiukkasten välillä olisi suurikin).

    Vastaa

    1. Eusa sanoo:

      Juuri näin. Syksy ei jostain syystä julkaissut kommenttiani, jossa viittaan yhteiseen suljettuun systeemin. Mutta tässähän se tuli.

      Erityisesti kvanttitietokoneyritelmissä haasteena on saavuttaa riittävä häiriöttömyys, jotta kvanttisysteemit säilyvät suljettuina.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *