Teadlased: kvantteooria on maitseküsimus

 (88)
Süvaülevaade!
Maailma pisim, kvanttransistor. Foto Torsten Blackwood, AFP
Maailma pisim, kvanttransistor. Foto Torsten Blackwood, AFPScanpix

Kvantteooria kujutab endast teaduse tippsaavutust, ent ometi pole füüsikud seni jõudnud ühele nõule küsimuses, kuidas seda lahti mõtestada.

Tundub, et ühtse arusaama kujunemiseks ei piisa sajandistki. Tänavu sajandi eest toimus Belgias Brüsselis maailma esimene ülemaailmne füüsikute konverents. Arutluse alla tuli, mida arvata kummalisest uuest kvantteooriast ning kas seda on kuidagi võimalik paari panna meie igapäevase kogemusega, nii et senine koherentne maailmakirjeldus seejuures ei haihtuks.

See on küsimus, millega füüsikud tänase päevani rinda pistavad, vahendab New Scientist. Kvantosakestel nagu aatomeil ja molekulidel on üleloomulik võime ilmuda korraga mitmesse kohta, pöörelda korraga päri- ja vastupäeva või mõjutada silmapilkselt poole universumi kaugusel asuvat paarilist. Tekib küsimus, et kui meiegi koosneme aatomeist ja molekulidest, siis miks me midagi taolist ei tähelda. „Mis hetkest alates kaotab kvantmehaanika kehtivuse?“ küsib Oxfordi ülikooli teadusfilosoof Harvey Brown.

Ehkki seni pole näha, et vastus niipea paistma hakkaks, ei kujuta selle otsimine endast sugugi tühja tuule tagaajamist. Muu hulgas on sellest välja kasvanud uus valdkond, kvantinformaatika, mille suhtes näitavad pinevat huvi üles nii kõrgtehnoloogiatööstus kui valitsuste luureagentuurid. Kvantmehaanika võimaldab kogu füüsika olemust hõlmava ülima teooria otsingutele läheneda uue nurga alt ning võib isegi anda aimu meie universumi päritolust. Polegi nii paha teadussuuna kohta, mida kuulus kvantküünik — keegi Albert Einstein — nimetas halvustavalt „pehmeks padjaks“, mis häid füüsikuid sügavale unele äiutab.

Seotud lood:

Einsteini kiuste on kvantteooria läbilöök osutunud üleüldiseks. Mitte ükski katse pole veel selle prognoosidega vastuollu sattunud, ning võime olla üsna kindlad, et tegemist universumi töö põhimõtete õnnestunud kirjeldusega selles osas, mis puudutab selle kõige väiksemaid suurusjärke. Ometi jääb püsima küsimus: mida see kõik tähendab?

Füüsikud on vastusena välja pakkunud nn tõlgendusi (interpretatsioone) — katsetega täiel määral kooskõlalisi filosoofilisi spekulatsioone teemal, mis võiks peituda kvantteooria taga. „Tõlgendusi on terve loomaaiatäis,“ nendib oma aega Oxfordi ülikooli ning Singapuri kvanttehnoloogiate instituudi vahel jagav Vlatko Vedral.

Pole ühtki teist reaalteaduslikku teooriat, mida oleks võimalik nii suurel hulgal eri viisidel käsitleda. Miks nii? Ning kas mõni neist käsitlustest võiks kunagi osutuda teistest õigemaks?

Võtkem või Taani füüsiku Niels Bohri välja pakutud nn Kopenhaageni tõlgendus, mille kohaselt on iga katse viidata elektroni asukohale aatomi sees ilma seda mõõtmata tähendusetu. Alles siis, kui üritame elektroni mitte-kvanttehnoloogilise, s.o „klassikalise“ seadme abil vaadelda ning sel moel selle toimimisse sekkume, omandab see atribuudi, mida saame nimetada füüsiliseks omaduseks ja seega osaks tegelikkusest.

Selle kõrval eksisteerib nn „paljumaailmsuse“ tõlgendus (ingl many-worlds interpretation), milles kvantveidruseid selgitatakse terve müriaadi rööpsete universumite hulgi-olemasoluga. Mõned eelistavad de Broglie'-Bohmi tõlgendust, mille kohaselt pole kvantteooria täielik: puudu on mõned varjatud omadused, mille ilmnedes muutuks kogu süsteem mõistuspäraseks.

Tõlgendusi on veel hulgi, näiteks Ghirardi-Rimini-Weberi tõlgendus, transaktsionaalne tõlgendus (mis hõlmab ajas tagurpidi liikuvaid osakesi), Roger Penrose’i gravikollapsi-põhine tõlgendus, modaalne tõlgendus, jne, jne.

Kogu selle mitmekesisuse ja kirevuse juures on siiski mõned tõlgendused, millel paistab olevat füüsikute jaoks teistest rohkem tähendust.

Kahtlemata kõige populaarsem on Bohri nn Kopenhaageni tõlgendus. Tõlgenduse menus on suuresti süüdi tõsiasi, et reeglina ei soovi füüsikud endale filosoofiliste probleemidega tüli teha. Küsimusi, nagu mida ikkagi täpselt kujutab endast mõõtmistegevus või miks see võib tegelikkuse olemuses muutuseid kaasa tuua, on lihtne eirata, kui peamiseks eesmärgiks on seatud kasulike lahenduste leidmine kvantteooria abil.

Sellepärast nimetataksegi Kopenhaageni tõlgenduse küsimusi esitamata rakendamist ehk instrumentalismi mõnikord ka „pea-lõuad-ja-arvuta“-tõlgenduseks. „Kuna enamik füüsikuid ei soovi muud kui sooritada arvutusi ja rakendada nende tulemusi, kuulubki suurem osa neist pea-lõuad-ja-arvuta-koolkonda,“ ütleb Vedral.

Sellisel lähenemisel on aga mõned miinused. Esiteks ei õpeta instrumentalism meile kunagi midagi tegelikkuse olemuse aluste kohta; sellesuunaline töö eeldab pigem soovi otsida kohti, kus kvantteooria võiks kehtivuse kaotada, mitte neid, kus seda saadab edu. „Ma arvan, et kui mõni uus teooria välja ilmuma peakski, siis ei sünni see tahkiste füüsika vallast, milles praegu töötab füüsikute enamus,“ ütleb Vedral.

Teiseks tähendab isekehtestatud kasti piirides töötamine seda, et kvantteooria uute rakenduste esilekerkimist pole loota. Mitmed perspektiivid, millest me kvantmehaanikale läheneda saame, võivad osutuda uute ideede katalüsaatoreiks. „Erilaadseid probleeme lahendades on arukas mõelda eri tõlgenduste kontekstides,“ ütleb Vedral.

Mitte kusagil pole see ilmsem kui kvantinformaatikas. „Seda teadusvaldkonda poleks isegi olemas, kui inimesed poleks hakanud kvantfüüsika aluste üle pead murdma,“ kinnitab Viini ülikooli teadlane Anton Zeilinger.

Antud uurimissuuna teljeks on nähtus, mida nimetatakse kvantpõimituseks (ingl quantum entanglement), kus informatsioon konkreetse kvantosakeste komplekti kohta jaotub kõigi osakeste vahel. Tulemuseks on toime, mida Einstein nimetas „tontlikuks kaugmõjuks“ (ingl spooky action at a distance), s.t nähtus, kus ühe osakese omaduse mõõtmine mõjutab silmapilkselt kõigi põimitud partnerite omadusi hoolimata nendevahelisest kaugusest ruumis.

Kui kvantpõimitust esmakordselt kvantteoreetilistes valemites hoomati, tundus see niivõrd pentsiku ideena, et Iiri füüsik John Bell konstrueeris koguni mõtte-eksperimendi osutamaks, et nähtus ei saa kuidagi tegelikus maailmas avalduda. Kui eksperimendi läbiviimine võimalikuks sai, selgus, et Bell eksis, ning füüsikud omandasid kvantmõõtmisprotsessi peensuste kohta hulgaliselt uusi konkreetseid teadmisi. Samuti pani taoline areng aluse kvantarvutustele, kus üksainus mõõtmine võib anda vastuse tuhandeile või koguni miljoneile rööpsetes kvantosakestes sooritatavaile tehteile, ning kvantkrüptograafiale, mis kasutab kvantmõõtmisprotsessi olemust ära teabeturbe-eesmärkidel.

Loomulikult on mõlemad tehnoloogiad tõmmanud kõige paremaid lahendusi vallata — ja nende valedesse kätesse sattumist välistada — ihkavate valitsuste ja tööstuskontsernide tähelepanu.

Füüsikuid huvitab aga hoopis rohkem see, mida räägivad taolised nähtused meile tegelikkuse olemusest. Üks kvantinformaatika-eksperimentide järelmeid paistab osutavat võimalusele, et kvantosakestes sisalduv teave kujutabki endast reaalsuse n-ö vundamenti.

Kopenhaageni tõlgenduse pooldajad nagu Zeilinger näevad kvantsüsteeme infokandjatena, ning nende jaoks pole klassikalise aparatuuriga sooritatud mõõtmistes midagi erilist: see on lihtsalt viis registreerida muudatusi süsteemi infosisus. „Mõõtmine ajakohastab informatsiooni,“ ütleb Zeilinger. Informatsioonile kui tegelikkuse aluskomponendile keskendumine on sünnitanud ka spekulatsioone, mille kohaselt võib universum ise olla üks hiiglaslik kvantraal.

Hoolimata kõigist arenguhüpetest, mille Kopenhaageni tõlgendus võimalikuks on teinud, leidub hulgaliselt füüsikuid, kes ihkaksid seda teadusajaloo prügikasti läkitada — peamiselt seetõttu, et tõlgendus nõuab pealtnäha tehislikku eristust tillukeste kvantsüsteemide ja klassikalise aparatuuri või sellega mõõtmisi sooritavate vaatlejate vahel.

Vedral on näiteks uurinud kvantmehaanika rolli bioloogias: mitmed rakusisesed protsessid ja mehhanismid on olemuselt kvantfüüsikalised, samuti fotosüntees ja kiirgusaistimis-süsteemid. „Avastame, et üha suuremat osa elusloodusest saab kirjeldada kvantmehaanikaliselt; mina ei usu, et kvant- ja klassikaliste teaduste vahel oleks mingisugust ranget piiri,“ leiab ta.

Asjade olemuse vaagimine universumi mastaapides on Kopenhaageni tõlgenduse kriitikuid samuti laskemoonaga varustanud — kui klassikalise vaatleja sooritatav mõõtmisprotsess on vaadeldava tegelikkuse loomisel kriitilise tähtsusega, siis mis oli see, mis viis läbi need mõõtmised, mis kõige universumis sisalduva eksistentsi käivitasid? „Et see tõlgendus loogiline näiks, on tõesti vaja süsteemivälist vaatlejat — ent väljaspool universumit pole juba määratluse poolest mitte midagi,“ ütleb Brown.

Sellepärast kalduvadki kosmoloogid tema sõnul tänapäeval eelistama tõlgendust, mille 1950. aastate lõpul konstrueeris Princetoni ülikooli füüsik Hugh Everett. Tema nn paljumaailmsuse-tõlgendus (ingl many-worlds interpretation) kvantmehaanikale ütleb, et tegelikkus ei ole mõõtmise kontseptsiooniga üldse seotud.

Selle asemel avaldub kvantsüsteemis sisalduvate eri võimaluste müriaad — iga potentsiaalne üksiklahendus oma eraldiseisvas universumis. Oxfordi ülikooli füüsik, esimese kvantarvuti jaoks loodud algoritmi koostaja David Deutsch ütleb, et tema ei oska vastava arvutusmasina tööst enam mõeldagi muidu kui nende paljude universumite võimalikkuse tingimustes. Tema jaoks pole muudel tõlgendustel tähendust.

Mitte, et paljumaailmsusel poleks kriitikuid — kaugel sellest. New Jersey osariigi Rutgersi ülikooli teadusfilosoof Tim Maudlin kiidab heaks selle tõlgenduse katse mõõtmiselt mingisuguse erilise protsessi oreooli röövida. Samas leiab ta, et paljumaailmsus ei paku välja head raamistikku selgitamaks, miks mõned kvanttulemused on teistest tõenäolisemad.

Kui kvantteooria ennustab, et mõõtmise üks tulemus on teisest kümme korda tõenäolisem, on korduvates katsetes vastav kalduvus ka alati avaldunud. Maudlin osutab, et ehkki paljumaailmsuse kohaselt ilmnevad piisava hulga maailmade olemasolul kõik võimalikud tulemused, ei selgita see, miks vaatlejad näevad ikka vaid kõige tõenäolisemat tulemust. „Siin peitub väga sügav sisuline probleem,“ rõhutab ta.

Deutschi kinnitusel on Maudlini viidatud probleemidele umbes viimase aasta jooksul lahendus leitud. „Everetti tõenäosustekäsitlus oli puudulik, ent paljmaailmsuse-teoreetikud on selle kallal aastaid pead murdnud — ja me oleme selle lahendanud,“ teatab ta.

Deutschi selgitus on aga raskestimõistetav ning tema väited ei veena esialgu veel kaugeltki kõiki. Veelgi keerulisem on leida vastust sellele, mida paljumaailmsuse pooldajad nimetavad „umbuskliku põrnitsuse vastuväiteks“. Paljumaailmsuse-tõlgenduse kõige ilmsemaid järelmeid on, et näiteks Sinust, kallis lugeja, leidub hulgaliselt koopiaid — ning ühes teises universumis esineb Elvis endiselt Las Vegases. Midagi sellist on nõus uskuma väga vähesed.

Teha pole muud kui jääda kannatlikuks, arvab Brown. „Iseenda ja teiste seesugust paljusust kiputakse omaks võtmast keelduma,“ möönab ta. „Ent lõppude lõpuks nõuab see lihtsalt harjumist.“

Deutschi arvates leiab see aset siis, kui tehnoloogia hakkab kvantmaailma pentsikumaid tahke praktilistes rakendustes ära kasutama. Kui samaaegselt mitmes olekus viibides tehteid sooritavad kvantarvutid kättesaadavaks muutuvad, ei jää meil muud üle kui leppida vastavate maailmade range füüsilise reaalsusega. „Väga raskeks läheb säilitada seisukohta, nagu oleks tegu lihtsalt protsesside kirjeldamise ühe viisiga,“ arvab Deutsch.

Nii Deutsch kui Brown väidavad, et paljumaailmsuse idee leiab kosmoloogide seas üha laiemat kõlapinda. Stringiteooriale, kosmoloogiale ja astronoomilistele vaatlustele rajanevad arutlused on viinud mõned kosmoloogid mõttele, et me elame ühes universumis paljudest. Mullu vormistasid Anthony Aguirre California Santa Cruzi ülikoolist, Max Tegmark Massachusettsi tehnoloogiainstituudist ning David Layzer Harvardi ülikoolist kosmoloogiat ja paljumaailmsus-tõlgendusest pärinevaid ideid lõimiva teoreetilise mudeli.

Ometi pole paljumaailmsus ainus kosmoloogide tähelepanule pretendeeriv tõlgendus. 2008. aastal pakkus Imperial College Londoni teadlane Anthony Valentini, et kosmiline mikrolaine-taustkiirgus CMB, mis laotust suurema osa Suure Paugu järgsest ajast täitnud on, võib kinnitada de Broglie'-Bohmi tõlgendust, mille kohaselt esineb kvantosakestel seniavastamata omadusi, nn peidetud muutujaid.

See tõlgendus rajaneb eeldusel, et kõiki pentsikuid kvantnähtuseid potentsiaalselt selgitavad peidetud muutujad on jätnud taustkiirgusse ülitäpsel CMB-kaardil hoomatava jälje. Valentini arvab, et peidetud muutujad võivad vaadeldud CMB-struktuuriga standardsest kvantmehaanikast paremini sobituda.

Ehkki ideel on jumet, puuduvad esialgu tõendid, mis seda vastuvaidlematult kinnitaksid. Pealegi ei tõesta ootamatuste ilmnemine CMB-s veel Valentini hüpoteesi, arvab Vedral: nimelt võimaldab iga tõlgendus väita, et ürguniversumis valitsenud tingimused võisid kaasa tuua ootamatuid tulemusi.

„Oleme takerdunud olukorda, kus meil pole tõenäoliselt kunagi võimalik eksperimentaalselt kinnitada kas Everetti või de Broglie'-Bohmi versiooni,“ nendib Brown, lisades, et norutamiseks pole siiski põhjust. „Leian, et edasiminek on olnud märkimisväärne. Palju on neid, kelle hinnangul ei saa me kriitilise eristava katse puudumisel mitte midagi ära teha, ent samas pole kahtlustki, et mõned tõlgendused on teistest paremad.“

Praegu ei ole kvantmehaanika osas oma meelisvaadetest nõus loobuma ei Brown, Deutsch ega Zeilinger. Zeilinger on ometi rõõmus, et vaidlused kvantteooria tegeliku tähenduse üle ei ilmuta vähimatki märki vaibumisest.

Vedral nõustub temaga. Ehkki ennast arvab ta kuuluvat „mitmemaailmsuse klubisse“, on see, millist tõlgendust keegi järgida otsustab, suuresti maitseküsimus. „Enamikul juhtudest puudub katse, mis võimaldaks tõlgendusi eristada, nii et juhinduda polegi muust kui oma sisetundest.“

Kujutluspilt füüsikutest, kes kvantloomaaias ringi uitavad ja lihtsalt uiu ajel lemmikloomi välja valivad, võib paista üsna ebateaduslik, ent seni pole taoline lähenemine meid veel rappa juhatanud.

Kvantteooria on maailma juba muutnud selliste kõrvalsaaduste kaudu nagu transistorid ja laserid — ja neid on arvatavasti veelgi lisandumas. Tõlgenduslikult erinevad lähteplatvormid annavad füüsikutele ideid teistsuguste katsete konstrueerimiseks. Kui senise ajaloo põhjal midagi järeldada saab, tähendab kvantteooria osas ettepanekutele avatud suhtumise säilitamine füüsikute jaoks uute valdkondade võrsumise võimalust, arvab Vedral. „Vaat’ see oleks juba midagi tõeliselt põnevat.“

Jälgi Forte uudiseid ka Twitteris!