Fizičar Serge Haroche posvetio je život istraživanju kvantne mehanike, svijetu subatomskih čestica gdje se događaju fenomeni koji prkose intuiciji.
Njegov glavni interes tiče se fotona, čestica koje prenose svjetlost i omogućuju nam da detektujemo sav vidljivi univerzum. Njegova istraživanja u ovom domenu priskrbila su mu Nobelovu nagradu za fiziku 2012, koju je primio zajedno s kolegom i prijateljem Davidom J. Winelandom.
Jedan od velikih problema u izučavanju čestica manjih od atoma, poput fotona, jeste što gube kvantna svojstva čim stupe u interakciju sa spoljnim svijetom. Drugim riječima, svaki napor da razumijemo kvantni svijet propada u času kad pokušamo da ga posmatramo. No, Haroche i Wineland pronašli su način kako da posmatraju i mjere pojedinačne kvantne čestice a da ih ne unište. Dostignuća poput ovog označila su veliki napredak u jednoj od tehnoloških grana koje najviše obećavaju: kvantnom računarstvu.
U ovom intervjuu, Haroche nam govori o značaju svjetlosti u rješavanju zagonetki kosmosa, o tajnama koje još uvijek čuvaju fotoni i o tome koliko smo blizu istinske revolucije u kvantnom računarstvu. Haroche se rodio u Casablanci, u Maroku, 1944. i ima francusko državljanstvo. Profesor je emeritus na Collège de France i autor knjige Razotkrivena svjetlost: od Galileovog teleskopa do kvantne začudnosti.
Stava ste da, želimo li odgovoriti na najdublja pitanja o univerzumu, moramo razumjeti prirodu svjetlosti. Na šta mislite?
Haroche: Prije svega, većina informacija koje imamo o vanjskom svijetu potiče od svjetlosti, radilo se o vidljivoj svjetlosti zvijezda i galaksija, ili o nevidljivoj svjetlosti poput radiotalasa, ultraljubičastih ili x zraka, ili ostatku elektromagnetnog spektra. Drugo, sav napredak koji smo postigli u modernoj nauci, kazaću od XVI i XVII vijeka, proistekao je iz razumijevanja prirodnih fenomena u koje je uključena svjetlost. I treće, dvije velike revolucije XX vijeka, kvantna revolucija i teorija relativnosti, izrastaju iz velikih pitanja koja smo sebi postavili o međudjelovanju svjetlosti i materije. I to nas je odvelo u tehnološku revoluciju, zato što svi uređaji koji su promijenili naš život poput kompjutera, lasera, interneta, GPS-a, nastaju iz znanja o mikroskopskom svijetu koje crpimo iz kvantne fizike i teorije relativnosti.
Na koja to velika pitanja o svjetlosti još nemamo odgovor?
Haroche: Kvantna teorija nam pruža dobro objašnjenje prirodnih sila: elektromagnetne, slabe i jake nuklearne sile. Ali postoji sila koja je izvan ovog modela: gravitacija (koja se opisuje u Einsteinovoj opštoj teoriji relativnosti). I stoga, ako želiš duboko shvatiti šta je svjetlost, potrebna je teorija koja objedinjuje kvantnu fiziku i Einsteinovu opštu teoriju relativnosti. To nam nedostaje.
Ne znamo tačno šta se zbiva, na primjer, kada crna rupa zarobi svjetlost. Ne znamo šta bude s fotonom kad se izloži tolikoj količini ekstremne gravitacije. Treba nam teorija koja će pomiriti gravitaciju s kvantnom fizikom. I to je interesantno, zato što je obje teorije začeo Einstein početkom XX vijeka, a još uvijek nisu usklađene. Ima ljudi koji vjeruju da treba promijeniti ponešto u obje, ili makar u jednoj od njih, kako bismo ih učinili kompatibilnim i izgradili teoriju svega. To je vrlo važna tema u kosmologiji zato što su ta pitanja povezana s prvim razvojnim etapama svemira. Time bismo bolje shvatili porijeklo svemira i njegovu evoluciju.
Vi proučavate zagonetke svjetlosti, a paradoksalno je da se od svih najvećih tajni fizike dvije kriju na drugom ekstremu: tamna materija i tamna energija. Može li nam svjetlost pomoći da otkrijemo šta su te komponente svemira?
Haroche: Zanimljivi su ti termini. Ako kažemo tamna materija i tamna energija, znači da se radi o nečemu što je lišeno svjetlosti. I zaista, tamna materija je forma materije koja ne interagira sa svjetlošću, zbog čega je još nismo detektovali. Prema tome, svjetlost igra važnu ulogu u poimanju onog što se dešava. Zasad nema odgovora na to pitanje.
Zato je tako važno pronaći vezu između opšte relativnosti i kvantne fizike, vjerujemo da bi razumijevanje toga bilo korisno u potrazi za odgovorom. Situacija jako liči na onu u XIX vijeku, kada su ljudi govorili o eteru, hipotetičkom misterioznom mediju kojim se šire valovi. Einstein je riješio misteriju, rekao je da eter ne postoji, da nam nije potreban da razumijemo svemir.
Možda se nešto slično desi sa tamnom materijom. Ako modificiramo tu teoriju, enigma tamne materije će nestati ili će je zamijeniti nešto drugo. Ali još ništa ne znamo, i to je veliki problem. Treba nam dokaz, a teško ga je naći zato što možda iziskuje mnogo moćnije ubrzivače čestica od onih koji se trenutno mogu napraviti. Ali napredak je u toku i gajimo nadu da ćemo u narednim desetljećima biti u stanju da odgovorimo na ta pitanja.
Kvantno računarstvo je jedna od uzdanica kad je u pitanju budućnost tehnologije. Svako malo neka informatička kompanija ustvrdi da je ostvarila “kvantnu nadmoć”. Ostavimo li po strani tržišno natjecanje, dokle je zaista uznapredovalo kvantno računarstvo?
Haroche: U kvantnom računarstvu ima mnogo marketinške pompe. U posljednjih 20-30 godina naučili smo da manupulišemo pojedinačnim kvantnim sistemima, da izolujemo jedan atom ili jedan foton te da ih potaknemo na interakciju pod vrlo preciznim uslovima. Sljedeći korak je da to učinimo s velikom količinom atoma ili čestica. Gledajte, svaki atom može sadržavati jedan bit informacije. Atom može biti u dva različita stanja, koja zovemo 1 i 0, ali kada ih staviš u interakciju, dobijaš kvantnu mašinu koja stvara kubite informacija.
Razlika između kvantne i klasične mašine je u tome što prva može biti istodobno u oba stanja, 1 i 0, što nazivamo superpozicijom stanja. Taj fenomen se, u principu, može koristiti za pravljenje strojeva koji bi bili mnogo moćniji od klasičnih kompjutera, koji mogu biti samo u stanju 1 ili 0, ali nikad u superpoziciji. Problem s kvantnim strojevima je da je veoma teško održati to stanje superpozicije. Kad se izgubi ta sposobnost bivanja u dva stanja istovremeno, to zovemo dekoherencija, zato što se gubi kvantna koherencija (i slijedi prelazak u klasični svijet). Ta dekoherencija je temeljni fenomen koji objašnjava zašto je makroskopski svijet klasičan. Ona objašnjava zašto je nemoguće da me vidiš na dva različita mjesta u isto vrijeme.
Kvantni kompjuter, dakle, mora biti u stanju da izvede nešto što je prilično paradoksalno: mora očuvati kvantnu koherenciju, odnosno zaštititi sistem od klasičnog svijeta. Ali, u isti mah, stroj mora biti u stanju da se poveže s klasičnim svijetom, zato što mi pripadamo makrosvijetu. Stoga, čim pokušamo da interagiramo s tim kvantnim strojem, izazivamo dosta dekoherencije u njemu. Zasad niko ne zna kako razriješiti problem.
Prave se strojevi koje bih nazvao strojevima-igračkama. Google je, na primjer, proizveo stroj od pedeset tri kubita, a današnji maksimum je nekoliko stotina, međutim da bi takvo nešto bilo korisno, potrebni su milioni kubita. S ogromnim brojem kubita usložnjava se i dekoherencija. Trenutno niko ne zna kako izaći na kraj s dekoherencijom. Moj utisak je da još uvijek tapkamo područjem bazične, a ne primijenjene nauke, i ne znamo šta je izvedivo ni koliko nam je vremena potrebno.
Ta istraživanja su fascinantna i mnogo učimo kroz proces, ali nepotrebno je dizati toliku pompu jer se može izazvati kontraefekt ako se obećanja ne ispune. Kompanije se služe visokoparnim izrazima poput “kvantne nadmoći”, koji nemaju bogzna kakvo značenje izvan definicija koje koriste kako bi pokazale da su njihovi strojevi bolji od konkurentskih.
Vidio sam da ste se na jednoj konferenciji referirali na multiverzume, termin insipirisan kvantnom fizikom, koji se često koristi u naučnoj fantastici.
Haroche: Vrlo snalažljivo od tebe kad si uspio naći diskusiju na kojoj govorim o tome, zato što mi se ta ideja ne dopada. U kvantnoj fizici, kad god dođe do interakcije između čestica, rezultat interakcije je proizvoljan. Ne možeš precizno predskazati šta će se desiti. Jedino možeš predskazati vjerovatnoće potencijalnih događaja. Znači, ako pobudiš atom, on će emitirati foton. Ali pozicija gdje će se naći taj foton u momentu detektovanja biće proizvoljna. Možeš jedino da se zadovoljiš izvjesnim vjerovatnoćama unutar određenog vremenskog raspona. Neki tvrde da je ono što detektujemo samo jedan od mogućih rezultata, te da se ostali rezultati možda pojavljuju u nekom drugom svemiru. I u tome se sastoji ideja o multiverzumima koji se razvijaju u isto vrijeme i prema kojoj mi nastanjujemo samo jedan od njih.
Naravno, nema načina da to provjerimo eksperimentalnim putem, tako da bih rekao da je to ništa drugo do interpretacija, a ne naučna činjenica. Nekima se sviđa razmišljati o tome, meni ne, zato što me zamara. To bi značilo da bi svake sekunde, svakog djelića sekunde kad se desi nešto u svemiru, svaki od tih događaja izazvao stvaranje novog paralelnog svemira. Mislim da je to tek mentalna igra koja dobro funkcioniše u književnosti i naučnoj fantastici.
Postoji druga ideja o multiverzumima, prema kojoj živimo u mjehuru, a navodno postoje i drugi mjehuri u kojima se razvijaju drugi svemiri. Ali, opet, to su samo spekulacije. Za mene kao eksperimentalnog fizičara, glavni kriterij za pronalaženje istine, ukoliko istina postoji, jeste sposobnost da provodimo oglede i opservacije.
A kad smo kod naučne fantastike, vjerujete li da će jednog dana ljudi uspjeti da putuju brzinom svjetlosti?
Haroche: Ne. Teorija relativnosti je prilično čvrsta, dokazana je s velikom preciznošću. Ona nas uči da je brzina svjetlosti maksimalna moguća brzina i takođe nam poručuje da je potrebna ogromna količina energije da se približimo toj brzini. Želiš li da neki krupni objekat dostigne 99% brzine svjetlosti, bila bi ti potrebna sva energija koju generiraju svi fizički fenomeni na Zemlji.
Postoje, dakle, fizička ograničenja, ali čak i da postignemo brzinu svjetlosti, imaj u vidu da je najbliža zvijezda udaljena od nas četiri svjetlosne godine, a zvijezde koje bi, na primjer, mogle biti naseljene nekom drugom civilizacijom možda su udaljene milione svjetlosnih godina. Otud imam utisak da je putovanje van Sunčevog sistema, a pogotovo van naše galaksije, san dostojan naučne fantastike.
Međutim, to ne znači da ne možemo imati rezultate i opservacije. Istraživanje egzoplaneta je, recimo, fantastičan način da saznamo jesmo li sami u svemiru. I to je dobar primjer onog što zovem “beskorisnom naukom”, zato što se nastojanja da putujemo brzinom svjetlosti mogu pokazati beskorisnim, međutim sami ti pokušaji mogu dovesti do stvaranja uređaja koji, naprotiv, mogu biti korisni.
Isto tako, sve primjene koje su nam promijenile život, kao što je laser, magnetna rezonancija, GPS, mobiteli, uključuju znanje o tome kako funkcioniše materija na mikroskopskoj razini. Sve to bi bilo nemoguće bez bazičnih nauka, koje se prečesto smatraju beskorisnim.