Από την περιφρόνηση στο βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2022
μετάφραση physicsgg.meΚανείς δεν έπαιρνε στα σοβαρά τα κβαντικά πειράματα του John F. Clauser – 50 χρόνια μετά, βραβεύθηκε με Νόμπελ Φυσικής
Στις 4 Οκτωβρίου 2022, ο 80χρονος John F. Clauser ξύπνησε στο σπίτι του στην Καλιφόρνια με την είδηση ότι του είχε απονεμηθεί το βραβείο Νόμπελ στη φυσική.(Image credit: Justin Sullivan via Getty Images)
Στη δεκαετία του 1960, ο Clauser ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής φυσικής στο πανεπιστήμιο Columbia. Κατά τύχη βρήκε στη βιβλιοθήκη του πανεπιστημίου ένα άρθρο που καθόρισε την καριέρα του, οδηγώντας τον στην πειραματική έρευνα που τελικά του χάρισε ένα βραβείο Νόμπελ.
Συγγραφέας του κρίσιμου άρθρου που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physics το 1964, ήταν ο Ιρλανδός φυσικός John Stewart Bell, και εξέταζε το αν η κβαντομηχανική έδινε μια πλήρη περιγραφή της πραγματικότητας ή όχι. Στο επίκεντρο του ερωτήματος βρισκόταν το φαινόμενο της κβαντικής συμπλεξης (quantum entanglement).
Η κβαντική σύμπλεξη συμβαίνει όταν δύο ή περισσότερα σωματίδια συνδέονται με συγκεκριμένο τρόπο και ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται, οι καταστάσεις τους παραμένουν συνδεδεμένες.
Για παράδειγμα, φανταστείτε το σωματίδιο Α να κινείται προς τη μία κατεύθυνση και το σωματίδιο Β προς την άλλη. Αν τα δύο σωματίδια είναι συνπλεκόμενα – που σημαίνει ότι μοιράζονται μια κοινή κβαντική κατάσταση – μια μέτρηση του σωματιδίου Α θα καθορίσει αμέσως το αποτέλεσμα της μέτρησης του σωματιδίου Β. Δεν έχει σημασία αν τα σωματίδια απέχουν λίγα μέτρα ή πολλά έτη φωτός μεταξύ τους — η κβαντική τους συσχέτιση σε μεγάλες αποστάσεις είναι ακαριαία.
Αυτή η δυνανότητα απορρίφθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και τους συνεργάτες του την δεκαετία του 1930. Αντίθετα, υποστήριξαν ότι υπάρχει ένα «στοιχείο πραγματικότητας» που δεν λαμβάνεται υπόψη στην κβαντική μηχανική.
Στο άρθρο του, το 1964, ο John Stewart Bell υποστήριξε ότι ήταν δυνατό να αποδειχθεί πειραματικά πως η κβαντομηχανική δεν μπορεί να περιγράψει τέτοιου είδους στοιχεία της πραγματικότητας. Ονόμασε αυτά τα ελλείποντα στοιχεία «κρυφές μεταβλητές». Συγκεκριμένα, ο Bell είχε στο μυαλό του τοπικές μεταβλητές. Αυτό σημαίνει ότι επηρεάζουν μόνο τη φυσική ρύθμιση στην άμεση γειτονιά τους. Όπως εξήγησε ο Clauser, ‘Αν βάλετε αντικείμενα τοπικά σε ένα κουτί και κάνετε μια μέτρηση σε ένα άλλο κουτί πολύ μακριά, οι πειραματικές επιλογές παραμέτρων που γίνονται στο ένα κουτί δεν μπορούν να επηρεάσουν τα πειραματικά αποτελέσματα στο άλλο κουτί και αντίστροφα.’
Ο Clauser αποφάσισε να ελέγξει πειραματικά την πρόταση του Bell. Όταν όμως ήθελε να κάνει το πείραμα, ο επιβλέπων καθηγητής του τον προέτρεψε να το ξανασκεφτεί.
‘Το πιο δύσκολο στην αρχή ήταν να βρω την ευκαιρία’, θυμάται ο Clauser. ‘Όλοι μου έλεγαν ότι είναι αδύνατον, μην μπαίνεις στον κόπο!’.
Το κβαντικό εργαστήριο
Το 1972, ο Clauser βρήκε επιτέλους την ευκαιρία να ελέγξει πειραματικά την πρόταση του Bell ενώ βρισκόταν σε μεταδιδακτορική θέση στο Lawrence Berkeley National Laboratory στην Καλιφόρνια. Συνεργάστηκε με τον διδακτορικό φοιτητή Stuart Freedman και δημιούργησαν την πειραματική τους διάταξη σε ένα εργαστήριο γεμάτο με οπτικό εξοπλισμό.
‘Κανείς δεν το είχε κάνει αυτό μέχρι τότε’, είπε ο Clauser. ‘Δεν είχαμε καθόλου χρήματα. Έπρεπε να φτιάξουμε τα πάντα από την αρχή. Λέρωσα τα χέρια μου, μαστόρεψα, υπήρχαν πολλά κυκλωματα και έφτιαξα πολλά ηλεκτρονικά’.
Οι Clauser και Freedman κατάφεραν να δημιουργήσουν συμπλεκόμενα φωτόνια χρησιμοποιώντας άτομα ασβεστίου. Τα φωτόνια, διέρχονταν από πολωτικά φίλτρα που οι Clauser και Freedman μπορούσαν να περιστρέψουν το ένα σχετικά με το άλλο.
Η κβαντομηχανική προέβλεπε ότι μεγαλύτερος αριθμός φωτονίων θα περνούσε ταυτόχρονα από τα φίλτρα από ό,τι θα συνέβαινε αν η πόλωση των φωτονίων καθοριζόταν από τοπικές και κρυμμένες μεταβλητές.
Το πείραμα των Clauser και Freedman έδειξε ότι οι προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής ήταν σωστές. ‘Θεωρούμε ότι αυτά τα αποτελέσματα είναι ισχυρές αποδείξεις εναντίον των τοπικών θεωρίων κρυμμένων μεταβλητών’, έγραψαν το 1972 στο Physical Review Letters.
Δύσκολη αρχή
Τα αποτελέσματα των Clauser και Freedman επιβεβαιώθηκαν σε επιπλέον πειράματα από τους Alain Aspect και Anton Zeilinger. ‘Η εργασία μου πραγματοποιήθηκε στη δεκαετία του ’70, του Aspect στη δεκαετία του ’80 και του Zeilinger ήταν στη δεκαετία του ’90’, είπε ο Clauser. ‘Δουλέψαμε διαδοχικά για τη βελτίωση του πεδίου’. Αλλά ο αντίκτυπος του πρωτοποριακού πειράματος του Clauser δεν αναγνωρίστηκε αμέσως.
Τα πράγματα ήταν δύσκολα, θυμάται ο Clauser. Όλοι μας έλεγαν: ‘Ωραίο πείραμα, αλλά μετά από αυτό καλό θα ήταν ν’ αρχίσετε πραγματικές μετρήσεις φυσικής και να σταματήσετε να χάνετε χρόνο και χρήμα’.
Χρειάστηκαν 50 χρόνια έως ότου ο Clauser τιμηθεί με το βραβείο Νόμπελ για το πειραματικό του έργο. Ο συνεργάτης του, Stuart Freedman, πέθανε το 2012. Όπως δήλωσε ο Clauser, ‘Οι συνεργάτες μου έχουν πεθάνει εδώ και καιρό. Βραβεύθηκα και έγινα διάσημος μόνο γιατί έζησα περισσότερο’.
Όταν ρωτήθηκε αν έχει κάποια συμβουλή προς τους νέους ερευνητές δεδομένης της δικής του αρχικής δυσκολίας, ο Clauser είπε: «Αν αποδείξεις κάτι που όλοι πιστεύουν ότι είναι αλήθεια, και είσαι ο πρώτος που το κάνει, πιθανότατα να μην αναγνωριστεί για 50 χρόνια. Αυτά είναι τα κακά νέα. Τα καλά νέα είναι ότι διασκέδασα πολύ κάνοντας αυτή τη δουλειά».
Κβαντικές ανακλάσεις
Το πείραμα των Clauser και Freedman άνοιξε το δρόμο για πολύπλοκες τεχνολογίες που χρησιμοποιούν κβαντική σύμπλεξη, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές και τα κρυπτογραφικά πρωτόκολλα.
Όταν ρωτήθηκε αν πιστεύει ότι η κβαντική μηχανική είναι μια πλήρης θεωρία, ο Clauser απάντησε: Υποψιάζομαι ότι υπάρχει μια πιο θεμελιώδης θεωρία κάτω από αυτήν, αλλά αυτό είναι καθαρά εικασία. Δεν ξέρω τι είναι. Ομολογώ επίσης ότι είμαι εντελώς μπερδεμένος, δεν έχω ιδέα τι σημαίνουν όλα αυτά (*).
Jonas Enander, https://www.livescience.com/john-f-clauser-nobel-prize
(*) έτσι εξηγείται γιατί κάποτε τον πέταξε έξω από το γραφείο του o Richard Feynman
Στη δεκαετία του 1960, ο Clauser ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής φυσικής στο πανεπιστήμιο Columbia. Κατά τύχη βρήκε στη βιβλιοθήκη του πανεπιστημίου ένα άρθρο που καθόρισε την καριέρα του, οδηγώντας τον στην πειραματική έρευνα που τελικά του χάρισε ένα βραβείο Νόμπελ.
Συγγραφέας του κρίσιμου άρθρου που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physics το 1964, ήταν ο Ιρλανδός φυσικός John Stewart Bell, και εξέταζε το αν η κβαντομηχανική έδινε μια πλήρη περιγραφή της πραγματικότητας ή όχι. Στο επίκεντρο του ερωτήματος βρισκόταν το φαινόμενο της κβαντικής συμπλεξης (quantum entanglement).
Η κβαντική σύμπλεξη συμβαίνει όταν δύο ή περισσότερα σωματίδια συνδέονται με συγκεκριμένο τρόπο και ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται, οι καταστάσεις τους παραμένουν συνδεδεμένες.
Για παράδειγμα, φανταστείτε το σωματίδιο Α να κινείται προς τη μία κατεύθυνση και το σωματίδιο Β προς την άλλη. Αν τα δύο σωματίδια είναι συνπλεκόμενα – που σημαίνει ότι μοιράζονται μια κοινή κβαντική κατάσταση – μια μέτρηση του σωματιδίου Α θα καθορίσει αμέσως το αποτέλεσμα της μέτρησης του σωματιδίου Β. Δεν έχει σημασία αν τα σωματίδια απέχουν λίγα μέτρα ή πολλά έτη φωτός μεταξύ τους — η κβαντική τους συσχέτιση σε μεγάλες αποστάσεις είναι ακαριαία.
Αυτή η δυνανότητα απορρίφθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και τους συνεργάτες του την δεκαετία του 1930. Αντίθετα, υποστήριξαν ότι υπάρχει ένα «στοιχείο πραγματικότητας» που δεν λαμβάνεται υπόψη στην κβαντική μηχανική.
Στο άρθρο του, το 1964, ο John Stewart Bell υποστήριξε ότι ήταν δυνατό να αποδειχθεί πειραματικά πως η κβαντομηχανική δεν μπορεί να περιγράψει τέτοιου είδους στοιχεία της πραγματικότητας. Ονόμασε αυτά τα ελλείποντα στοιχεία «κρυφές μεταβλητές». Συγκεκριμένα, ο Bell είχε στο μυαλό του τοπικές μεταβλητές. Αυτό σημαίνει ότι επηρεάζουν μόνο τη φυσική ρύθμιση στην άμεση γειτονιά τους. Όπως εξήγησε ο Clauser, ‘Αν βάλετε αντικείμενα τοπικά σε ένα κουτί και κάνετε μια μέτρηση σε ένα άλλο κουτί πολύ μακριά, οι πειραματικές επιλογές παραμέτρων που γίνονται στο ένα κουτί δεν μπορούν να επηρεάσουν τα πειραματικά αποτελέσματα στο άλλο κουτί και αντίστροφα.’
Ο Clauser αποφάσισε να ελέγξει πειραματικά την πρόταση του Bell. Όταν όμως ήθελε να κάνει το πείραμα, ο επιβλέπων καθηγητής του τον προέτρεψε να το ξανασκεφτεί.
‘Το πιο δύσκολο στην αρχή ήταν να βρω την ευκαιρία’, θυμάται ο Clauser. ‘Όλοι μου έλεγαν ότι είναι αδύνατον, μην μπαίνεις στον κόπο!’.
Το κβαντικό εργαστήριο
Το 1972, ο Clauser βρήκε επιτέλους την ευκαιρία να ελέγξει πειραματικά την πρόταση του Bell ενώ βρισκόταν σε μεταδιδακτορική θέση στο Lawrence Berkeley National Laboratory στην Καλιφόρνια. Συνεργάστηκε με τον διδακτορικό φοιτητή Stuart Freedman και δημιούργησαν την πειραματική τους διάταξη σε ένα εργαστήριο γεμάτο με οπτικό εξοπλισμό.
‘Κανείς δεν το είχε κάνει αυτό μέχρι τότε’, είπε ο Clauser. ‘Δεν είχαμε καθόλου χρήματα. Έπρεπε να φτιάξουμε τα πάντα από την αρχή. Λέρωσα τα χέρια μου, μαστόρεψα, υπήρχαν πολλά κυκλωματα και έφτιαξα πολλά ηλεκτρονικά’.
Οι Clauser και Freedman κατάφεραν να δημιουργήσουν συμπλεκόμενα φωτόνια χρησιμοποιώντας άτομα ασβεστίου. Τα φωτόνια, διέρχονταν από πολωτικά φίλτρα που οι Clauser και Freedman μπορούσαν να περιστρέψουν το ένα σχετικά με το άλλο.
Η κβαντομηχανική προέβλεπε ότι μεγαλύτερος αριθμός φωτονίων θα περνούσε ταυτόχρονα από τα φίλτρα από ό,τι θα συνέβαινε αν η πόλωση των φωτονίων καθοριζόταν από τοπικές και κρυμμένες μεταβλητές.
Το πείραμα των Clauser και Freedman έδειξε ότι οι προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής ήταν σωστές. ‘Θεωρούμε ότι αυτά τα αποτελέσματα είναι ισχυρές αποδείξεις εναντίον των τοπικών θεωρίων κρυμμένων μεταβλητών’, έγραψαν το 1972 στο Physical Review Letters.
Δύσκολη αρχή
Τα αποτελέσματα των Clauser και Freedman επιβεβαιώθηκαν σε επιπλέον πειράματα από τους Alain Aspect και Anton Zeilinger. ‘Η εργασία μου πραγματοποιήθηκε στη δεκαετία του ’70, του Aspect στη δεκαετία του ’80 και του Zeilinger ήταν στη δεκαετία του ’90’, είπε ο Clauser. ‘Δουλέψαμε διαδοχικά για τη βελτίωση του πεδίου’. Αλλά ο αντίκτυπος του πρωτοποριακού πειράματος του Clauser δεν αναγνωρίστηκε αμέσως.
Τα πράγματα ήταν δύσκολα, θυμάται ο Clauser. Όλοι μας έλεγαν: ‘Ωραίο πείραμα, αλλά μετά από αυτό καλό θα ήταν ν’ αρχίσετε πραγματικές μετρήσεις φυσικής και να σταματήσετε να χάνετε χρόνο και χρήμα’.
Χρειάστηκαν 50 χρόνια έως ότου ο Clauser τιμηθεί με το βραβείο Νόμπελ για το πειραματικό του έργο. Ο συνεργάτης του, Stuart Freedman, πέθανε το 2012. Όπως δήλωσε ο Clauser, ‘Οι συνεργάτες μου έχουν πεθάνει εδώ και καιρό. Βραβεύθηκα και έγινα διάσημος μόνο γιατί έζησα περισσότερο’.
Όταν ρωτήθηκε αν έχει κάποια συμβουλή προς τους νέους ερευνητές δεδομένης της δικής του αρχικής δυσκολίας, ο Clauser είπε: «Αν αποδείξεις κάτι που όλοι πιστεύουν ότι είναι αλήθεια, και είσαι ο πρώτος που το κάνει, πιθανότατα να μην αναγνωριστεί για 50 χρόνια. Αυτά είναι τα κακά νέα. Τα καλά νέα είναι ότι διασκέδασα πολύ κάνοντας αυτή τη δουλειά».
Κβαντικές ανακλάσεις
Το πείραμα των Clauser και Freedman άνοιξε το δρόμο για πολύπλοκες τεχνολογίες που χρησιμοποιούν κβαντική σύμπλεξη, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές και τα κρυπτογραφικά πρωτόκολλα.
Όταν ρωτήθηκε αν πιστεύει ότι η κβαντική μηχανική είναι μια πλήρης θεωρία, ο Clauser απάντησε: Υποψιάζομαι ότι υπάρχει μια πιο θεμελιώδης θεωρία κάτω από αυτήν, αλλά αυτό είναι καθαρά εικασία. Δεν ξέρω τι είναι. Ομολογώ επίσης ότι είμαι εντελώς μπερδεμένος, δεν έχω ιδέα τι σημαίνουν όλα αυτά (*).
Jonas Enander, https://www.livescience.com/john-f-clauser-nobel-prize
(*) έτσι εξηγείται γιατί κάποτε τον πέταξε έξω από το γραφείο του o Richard Feynman
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου