U kvantnoj fizici, koja objašnjava subatomski svijet, vjerovatnoća zapovijeda na temeljnom nivou: poručuje nam da nikad, ma koliko se trudili i ma kako dobar bio naš mjerni uređaj, nećemo biti u stanju da saznamo vrijednost neke varijable ispod minimalne razine nesigurnosti.
Za Alberta Einsteina to je bilo neprihvatljivo. Za njega je priroda morala biti jasno definisana, a to da kvantna mehanika govori o inherentnim vjerovatnoćama opomena je da se radi o nepotpunoj teoriji, da moraju postojati “skrivene varijable” čijim upoznavanjem ćemo moći otkloniti tu nesigurnost. Tako se tridesetih i četrdesetih godina prošlog vijeka Einstein posvetio tome da minira kvantni put, s namjerom da pokaže kako je to pogrešan pravac. Ipak, te mine je raščišćavao – ne bez velikog napora – drugi gigant fizike, Danac Niels Bohr.
Ali Einstein nije popuštao i u broju 15 časopisa Physical Review od 15. maja 1935. supotpisuje sa fizičarima Borisom Podolskym i Nathanom Rosenom članak pod naslovom Može li se kvantnomehanički opis fizikalne stvarnosti smatrati potpunim? U njemu su dali do znanja da je kvantna teorija nepotpuna, te zbog toga nikada neće moći biti opis stvarnosti: otad je to poznato kao EPR paradoks.
Einstein protiv kvantne teorije
Udar je bio žestok. Wolfgang Pauli, jedan od utemeljitelja kvantne fizike, kiptio je od bijesa: “Einstein se opet javno očitovao o kvantnoj teoriji… svaki put kad to učini, rezultat je katastrofalan.” Erwin Schrödinger, još jedan od velikana, napisao je Einsteinu: “Dogmatsku kvantnu mehaniku zgrabio si za šiju.” Udar je najsnažnije pogodio Nielsa Bohra. Pročitavši članak, vratio se skrhan kući. Napustio je sve svoje projekte kako bi se dušom i tijelom posvetio tome da ospori Einsteinov članak, koji se, uzgred budi rečeno, zasluženo uzdigao u jedan od najznačajnijih tekstova iz oblasti fizike u XX vijeku.
Prijedlog je bio briljantan i iz njega je iznikao koncept koji je danas temelj teleportacije i kvantnih računara: sprezanje. Prema njemu, ako su dvije čestice bile “povezane” na neki način u prošlosti, ostaće to zauvijek, nezavisno od toga koliko će vremena proći i koliko je jedna udaljena od druge. Da bismo razumjeli doseg EPR paradoksa, valja nam se prisjetiti da kvantna mehanika tvrdi da bez mjerenja ne možemo znati tačnu vrijednost svojstava čestice i da, tek kad se obavi mjerenje, sistem “kolabira”, prilikom čega dolazimo do utvrđene vrijednosti.
Međutim, uzmimo, kaže Einstein, dvije spregnute čestice koje ćemo poslati na dva vrlo udaljena mjesta. Sada zamislimo da želimo izmjeriti smjer u kojem se te čestice vrte, ulijevo ili udesno. Ukoliko mjerenje još nije izvršeno, kvantna mehanika nam govori da će to svojstvo biti u stanju superpozicije, mješavina “vrtnje udesno” i “vrtnje ulijevo”.
Ali ako izmjerimo kako se vrti jedna od njih, znaćemo istog trena, zahvaljujući njihovoj spregnutosti, smjer vrtnje one druge: biće upravo suprotan. Tu se krila zamka! Kako je moguće, rezonirao je Einstein, da možemo znati smjer vrtnje neke čestice a da nismo obavili mjerenje? Zar time nije prekršen neprikosnoveni kvantnomehanički princip? Einstein je naveo da, ako stvari stoje tako, onda je to zato što čestice uistinu posjeduju definirana svojstva. Problem je što kvantna mehanika to ne može izračunati budući da je kao teorija nepotpuna.
No, u pozadini Einsteinovog pristupa počivaju dvije pretpostavke koje je genijalni fizičar uzimao zdravo za gotovo. Prva je realizam: objekti imaju definirana svojstva koja su postojana posmatrali ih mi ili ne (moja kola idu 100 km/h imala ili nemala brzinomjer). Druga je lokalnost: nema načina da utičemo na nekoga ko se nalazi jako daleko osim da mu pošaljemo signal koji će morati da putuje, u skladu sa zahtjevima specijalne teorije relativnosti, brzinom ne većom od svjetlosne.
Stoga, ako su obje pretpostavke tačne, sprezanje dovodi do paradoksa, a kvantna teorija onda pati od golemog konceptualnog nedostatka. Bohr je dobro pretresao taj problem i na kraju došao do zaključka: paradoksa nema zato što se priroda ponaša baš onako kako je predviđeno misaonim EPR eksperimentom. Ova tvrdnja je dubinska bomba upućena našem načinu razumijevanja svemira; sve u svemu, Bohr je tvrdio da je svijet ne-lokalan i ne-realističan.
Bellove nejednakosti
Pitanje je ostalo da visi u zraku sve dok 1960-ih nije ušao u igru riđi i pjegavi irski fizičar po imenu John Bell, koji je dokučio da Einstein, Podolsky i Rosen nisu otkrili paradoks, nego nešto ključno u našem poimanju svemira. Kvantna teorija nije nepotpuna, već je bit u tome da pretpostavke o realizmu i lokalnosti proturječe duhu kvantne teorije. No, kako eksperimentalno dokazati da je u pravu? U tu svrhu, morao je osmisliti matematičku formulaciju koja bi omogućila razlučivanje tih dviju situacija. Tako je nastala njegova čuvena teorema, koja sadrži izvjesne nejednakosti, otad poznate kao Bellove nejednakosti. Pomoću njih se može postaviti eksperiment koji nam dopušta da se opredijelimo za jednu ili drugu situaciju: ili živimo u klasičnom svijetu i Einsteinove skrivene varijable stvaraju iluziju kvantnog sprezanja ili je sprezanje stvarno, subatomski svijet čudan kako se i čini, a nelokalnost je osnovna karakteristika našeg svijeta.
Prvi koji su koncipirali i proveli ovakav eksperiment bili su Abner Shimony i Mike Horne u Bostonu, John F. Clauser u Njujorku i Richard Holt na Harvardu 1969. Ideja je bila da se upotrijebe spregnuti fotoni pa da se izmjeri njihova polarizacija. Clauser, koji je vjerovao u Einsteinov lokalni realizam, opkladio se s Izraelcem Jakirom Aaaronovim: dva naprema jedan protiv kvantne mehanike. Prvi rezultat dao je za pravo kvantnoj mehanici: svijet je inherentno nelokalan.
Fizika iz Afrike
Ako izuzmemo Clausera i ekipu, Bellov članak je prošao totalno nezapaženo kod fizičara. Jako malo njih se zanimalo za filozofske aspekte kvantne teorije; bilo im je dovoljno znati da savršeno funkcioniše. Istini za volju, najbolja razmatranja ove teme u godini 1979. svela su se na neobjavljeni memorandum CIA-e i kolumnu u časopisu Oui, Playboyevom odgovoru na erotski eksplicitniji Penthouse.
Ali šakom o kvantni sto udario je jedan Francuz koji je 1971. otišao u Kamerun da pomogne ljudima da ne žive u teškim uvjetima: Alain Aspect. Daleko od akademskog upliva, posvećivao je slobodno vrijeme izučavanju jedne od najdubljih i najkompletnijih knjiga o kvantnoj mehanici, čiji su autori Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu i Franck Laloë. Tamo, u srcu Afrike, otkrio je EPR paradoks i pročitao osebujan članak jednog slabo poznatog fizičara koji je radio u CERN-u, Johna Bella.
Po povratku u Francusku, odlučio je da jednom zasvagda rasvijetli ko je u pravu (a Aspect je bio ubijeđen je to kvantna mehanika), te je u tu namjenu osmislio tri pokusa. Konačni rezultat je bio taj da je kvantna teorija do nogu potukla koncept skrivenih varijabli. Ali trebalo je zabiti posljednji klin u kovčeg realizma. To su, između ostalog, učinili 2017. Johannes Handsteiner i Anton Zeilinger sa Bečkog univerziteta: iskoristili su svjetlost dviju različitih zvijezda, pri čemu su svaku posmatrali teleskopima međusobno udaljenim dva kilometra, da bi dokazali stvarnost sprezanja. I desilo se: Einstein je izgubio.