Nagroda Nobla z fizyki 2022 właśnie została przyznana za badania, w dziedzinie której większość ludzi nie rozumie. Oczywiście, fizyka klasyczna, a zwłaszcza Newtonowska wydaje się nam bardzo prosta, ponieważ jest intuicyjna. Nawet absolwenci Wyższej Szkoły Chłopskiego Rozumu po kursach Wszyscy Wiedzą i Przecież to Rozsądne, bez większych problemów odgadną co się stanie kiedy coś spadnie, coś podrzucimy, czy czymś w coś uderzymy. Za to fizyka kwantowa zdaje się działać wbrew temu, co nazywamy zdrowym rozsądkiem, więc nie wszyscy w pełni docenią przyznanie tej nagrody, chociaż na pewno każdy przyzna, że te badania są skomplikowane.
Nagroda Nobla 2022 z fizyki — laureaci
Zanim jednak przejdę do nagrody, to warto coś rozrysować. Otóż nazwy stosowane w fizyce kwantowej są… śmieszne. Mogłoby się wydawać, że nazwy takie jak dziwny, powabny, prawdziwy i piękny to coś, co spotykamy raczej w literaturze i nijak się one mają do twardej, opartej na matematyce dziedzinie, jaką jest fizyka. No cóż, nic bardziej mylnego. W fizyce występują właśnie kwarki powabny, dziwny, prawdziwy i piękny – a także górny i dolny.
Oczywiście prawdziwy jest równie prawdziwy jak cała reszta, piękny nie zachwyca urodą bardziej od innych, tak jak i powabny, a dziwny wcale nie jest dziwniejszy od pozostałych. Natomiast górny i dolny niekoniecznie są odpowiednio na górze i na dole. To nie wynika jednak z tego, że fizyka kwantowa jest sama w sobie… dziwna, a z dość… dziwacznego poczucia humoru naukowców zajmujących się tą dziedziną. To w końcu oni nadali te nazwy.
Natomiast Nagroda nobla z fizyki 2022 została przyznana właśnie za badania nad kwantowymi dziwactwami i – co nieczęsto w tej dziedzinie się zdarza – ich potencjalnymi zastosowaniami w świecie, który my określamy jako rzeczywisty. Chociaż tak naprawdę jest on równie rzeczywisty jak kwantowy – to tylko kwestia skali. No dobrze, ale jakie to zastosowania może mieć fizyka kwantowa w skali makro? No cóż, całkiem spore, chociaż pierwszą odpowiedzią, która ciśnie się na usta, są komputery kwantowe. I w sumie to strzał w 10.
Dokładniej rzecz biorąc, nagrodzone badania dotyczą sposobu wykorzystywania cech kwantowych w większych skalach. Może to pozwolić na opracowanie komputerów, które wykonają w krótkim czasie zadania, których klasyczne komputery nie wykonałyby nawet w trakcie trwania wszechświata, czy na bezpieczną komunikację, której szyfru nie da się złamać – a przynajmniej klasycznymi metodami.
Skoro jednak już przy komputerach kwantowych jesteśmy, to warto dodać, że to nie oznacza, że są one szybsze. Po prostu świetnie się sprawdzają w obliczeniach, z którymi klasyczne komputery sobie nie radzą. Jednak tu, gdzie zwykły PC czuje się jak ryba w wodzie, to najbardziej zaawansowany komputer kwantowy jest równie ogarnięty, co niezbyt bystry dwulatek, któremu każe się rozwiązywać zadania z matematyki na poziomie akademickim i zwiąże dłonie z tyłu, aby nie mógł nic policzyć na palcach.
Nagroda Nobla 2022 z fizyki – do kogo trafiła?
No dobrze, skoro więc wstęp mamy za sobą, to przejdźmy do tego, kto dostał nagrodę. Ta trafiła do trzech fizyków jak trzy pary kwantowe: Alain Aspect i John Clauser swoimi badaniami potwierdzili, że fizyka kwantowa rządzi światem rzeczywistym, chociaż nawet nie zdajemy sobie z tego sprawy. I ten cały, dość przewidywalny grajdołek funkcjonuje tylko dzięki zasadom i zdarzeniom, którego na chłopski rozum ogarnąć się nie da.
Natomiast Anton Zeilinger wykorzystał dziwne zachowanie kwantów (w sensie taka nazwa, a nie, że kwanty zachowują się inaczej, niż powinny. W skali kwantowej są to zupełnie normalne kwanty i nawet dzień dobry na klatce mówią) do opracowania rudymentarnych aplikacji. Zaraz… jakich? No cóż, wedle definicji słownikowej chodzi tu o niezbyt złożone, niedokończone, pierwotne, ale zarazem elementarne rzeczy. No ale potem sobie wyjaśnimy to dokładniej.
Oczywiście wiedziony przeczuciem sprawdziłem, czy słowo to nie znaczy czegoś innego w kontekście fizyki kwantowej. I jak często to bywa albo przeczucie mnie zawiodło, albo nie jestem zbyt dobry w wyszukiwaniu informacji w dziedzinach nauki, których zbyt dobrze nie rozumiem. Za to świetnie rozumiem, że każdy z laureatów Nagrody Nobla zgarnął do domu ⅓ z puli 10 milionów koron szwedzkich, co daje 1 334 749 złotych i 72 grosze na głowę wedle kursu sprawdzonego podczas pisania tego tekstu. Co ciekawe, po sieci krąży informacja, że dostali po 915 tysięcy dolarów, ale niestety dla nich, przelicznik walutowy jest tu bezlitosny i ktoś po prostu popełnił błąd przy liczeniu. Oczywiście nie zabrakło także pochwał dla ich dokonań:
Dziś honorujemy trzech fizyków, których pionierskie eksperymenty pokazały nam, że dziwny świat splątania (…) nie jest tylko mikroświatem atomów, a już na pewno niewirtualnym światem science fiction czy mistycyzmu, ale jest to prawdziwy świat, w którym wszyscy żyjemy.
– Powiedział Thors Hans Hansson, członek Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki, na konferencji prasowej ogłaszającej przyznanie nagrody 4 października w Szwedzkiej Królewskiej Akademii Nauk.
Nagroda Nobla z fizyki 2022 – za co dokładnie?
Czy po lekturze tego tekstu czujecie się usatysfakcjonowani? Pewnie nie. Sam bym się nie czuł, a go przecież napisałem. Ot, jest w nim długi wstęp, który zaledwie skrobie wierzchołek góry lodowej o nazwie Czym do jasnej Anielki jest fizyka kwantowa? Imiona i nazwiska laureatów, wysokość nagrody i nic niemówiące wzmianki o tym, czego dokonali. To tak zaspakaja głód wiedzy, jak szklanka wody przed obiadem. Przyjrzyjmy się nieco dokładniej temu, czego dokonali wyżej wymienieni fizycy, chociaż rzecz jasna nie aż tak dokładnie, bo nie chcę Wam opisywać czegoś, czego nie do końca rozumiem. Podobnie jak 99,99% ludzi.
Anton Zeilinger
Zacznijmy od końca, czyli od Antona Zeilingera. Nie dlatego, że jego odkrycie jest łatwe, co to, to nie. Jest za to najbardziej przystępne ze wszystkich. Otóż zademonstrował on między innymi zjawisko zwane teleportacją kwantową. Nie chodzi tu jednak o przenoszenie jednej cząsteczki z punktu A do punktu Z z pominięciem pozostałych liter alfabetu, co powszechnie kojarzone jest z teleportacją.
Oczywiście teleportacja kwantowa polegająca na wykorzystanie stanów kwantowych, to nie to samo, co teleportacja materii. W tym drugim przypadku – oczywiście teoretycznie, bo nigdy nie udało się tego dokonać – materia jest niszczona i przetwarzana na energię w jednym miejscu i odtwarzania z energii (nie tej pozyskanej, może być inna) w innym miejscu. Więc kiedyś, w odległej przyszłości będziecie mieć wybór: schody, lub teleporter, to wybierzcie schody. Teleporter Was zabije, a z uzyskanych w ten sposób informacji stworzy Waszą kopię na miejscu docelowym.
Teleportacja kwantowa jest o wiele… mniej brutalna. Otóż wykorzystuje ona cząsteczki splątane, czyli takie, które zmieniają swój stan kwantowy pod wpływem drugiej cząstki, niezależnie od odległości, która je dzieli i ustawiają zupełnie przeciwny, do pierwszego. To trochę tak, jakbyśmy mogli pierwszą cząsteczkę połaskotać, a druga, znajdująca się w innym miejscu zaczęłaby z tego powodu płakać (stany kwantowe są odwrotne, pamiętajcie!). Natomiast po kopnięciu tej drugiej, to ta pierwsza zaczęłaby się śmiać. Nie, nie z sadyzmu. Po prostu połączenie kwantowe działa w obydwie strony. Chociaż to duże uproszczenie, ponieważ stany kwantowe nie mogą być nośnikami informacji.
Zeilingerowi, a raczej jemu i jego zespołowi, bo sam tego by nie ogarnął – udało się dokonać teleportacji kwantowej między kontynentami. To natomiast znacznie pomoże w szyfrowaniu danych. No dobrze, ale jak zaszyfrować dane, skoro stany kwantowe nie mogą nieść informacji? To bardzo trudne, ale proste w opisie: otóż w dużym skrócie teleportacja kwantowa działa tylko wtedy, kiedy… nikt nie patrzy. Obserwacje niszczą stany kwantowe i efekt splątania.
Jeśli więc ktoś chce podejrzeć informację, to przy okazji podgląda również stan kwantowy, niszcząc go, co automatycznie blokuje dalszą transmisję i nasz mały podglądacz dostaje figę z makiem, a nie informacje. Oczywiście to o wiele bardziej skomplikowane, ale na potrzeby tego tekstu w pełni wystarczające.
Alain Aspect i John Clauser
Zacznijmy więc od tego, od czego leniwi ludzie zwykli zaczynać: od najłatwiejszego. Otóż jak już pisałem wyżej, wszelkie próby podglądania splątanych kwantów niszczą ich splątanie. Problem w tym, że podglądacz nie musi być istotą świadomą, ani nawet istotą. Aktem obserwacji jest interakcja z dowolnym nośnikiem informacji, chociażby zwykłym fotonem. Przez to naprawdę trudno to dziadostwo zbadać. W końcu jak przeprowadzać eksperymenty nad czymś, co… znika, kiedy tylko zaczynami to obserwować?
Mimo to wyżej wspomnieni panowie nie tylko się tego podjęli, ale również udowodnili, że splątanie kwantowe nie wynika z oddziaływania fizyki fizycznej. Niby to było wiadome od dawna, ale dowodów na to nie było, a i wielu naukowców miało mocne podstawy, żeby to podważać. Tu szczególnie należy wyróżnić prace Aspecta. Można więc powiedzieć, że w tym przypadku mowa jest o odkryciach, które w ogóle potwierdzają istnienie fizyki kwantowej.
Czyżby więc Nagroda Nobla z Fizyki 2022 oznaczała, że dopiero w tym roku ta została potwierdzona? W żadnym wypadku. Komitet noblowski działa baaaardzo powoli. Tak naprawdę ta nagroda została przyznana za odkrycia, z których większość ma 50 – 40 lat. Mają zapłon, co?
Przeczytaj także: Mity na temat ładowania smartfona – wyjaśniam, jak jest naprawdę
Źródło: sciencenews.org, Twitter