Nobel z fizyki. Nagroda za „eksperymenty, które wbijają gwóźdź do trumny klasycznej wizji świata”

Komitet Noblowski w uzasadnieniu wskazał, że Nagroda Nobla trafiła w ręce naukowców „za eksperymenty ze splątanymi fotonami naruszające nierówności Bella i pionierską informatykę kwantową”. Laureaci przeprowadzili przełomowe eksperymenty z wykorzystaniem splątanych stanów kwantowych, w których dwie cząstki zachowują się jak pojedyncza, nawet gdy są rozdzielone. Wyniki ich prac utorowały drogę dla nowej technologii opartej na informacji kwantowej.

- Aby pomóc zrozumieć przedmiot badań wyobraźmy sobie sytuację, że zapraszamy dwójkę gości, częstujemy ich herbatą i umawiamy się, że – aby nie dyskryminować żadnego z nich – zawsze podajemy im tę samą herbatę. Oni nie wiedzą, jaką herbatę dostaną. Wiedzą tyle tylko, że zawsze częstuję ich obu taką samą herbatą – zieloną albo czerwoną. Dopiero w momencie, w którym jeden z gości sprawdzi, jaką herbatę otrzymał, będzie wiedział, którą dostał też drugi gość. W ten sposób objawiają się tzw. korelacje, ale w tym przypadku są to korelacje klasyczne. Mechanika kwantowa w pewien sposób podważyła ten sposób widzenia, mówiąc, że można wręczyć herbatę nieokreśloną, która dopiero w momencie, gdy jeden z gości sprawdza tę herbatę, ona przyjmuje własność bycia zieloną lub czerwoną. Czyli materializuje się w momencie pomiaru. Fizykom spędzało sen z powiek, że brakuje obiektywnych, ustalonych z góry wartości fizycznych. Przez wiele lat toczyły się dyskusje filozoficzne, czy mechanika kwantowa stanowi pełen obraz świata. Dopiero w latach 60. John Bell sformułował matematyczne kryterium pozwalające rozróżnić przypadek z góry ustalonych obiektów, od tych, które dopiero się stają konkretnymi obiektami w momencie pomiaru. Zaproponował pewne nierówności, które przez nagrodzonych noblistów zostały doświadczalnie zmierzone. Pierwsze eksperymenty były prowadzone już w latach 70. przez Johna Clausera, później w latach 80. przez Alaina Aspecta, a eksperymenty, które, można powiedzieć, wbijają gwóźdź do trumny klasycznej wizji świata przeprowadzono w 2015 roku i między innymi Anton Zeilinger był autorem tych badań – mówi w rozmowie z centrum informacyjnym Tygodnia Noblowskiego Centrum Współpracy i Dialogu Uniwersytetu Warszawskiego dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański z Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

- Tegoroczna Nagroda jest także uhonorowaniem osiągnięć w dziedzinie technologii kwantowych, bo te eksperymenty mogą być używane jako eksperymenty do zadań czysto technologicznych, takich jak np. kryptografia kwantowa, czyli bezpieczne rozsyłanie klucza kryptograficznego, którego bezpieczeństwo jest gwarantowane prawami fizyki kwantowej. To są już dość dojrzałe technologie, można je już kupić i używać – na przykład można do 100 kilometrów wysłać klucz kryptograficzny zabezpieczony kwantowo – podkreśla Demkowicz-Dobrzański.

- Według np. Einsteina funkcja falowa jest niby nieokreślona, ale w środku są poniekąd takie zegareczki, które powodują, że elektron wie, gdzie uderzy. Tylko my tego nie wiedzieliśmy, bo nie mieliśmy do tego dostępu. Do tej pory byliśmy przekonani, że w drugim tle mechanika klasyczna jest, ale my nie mieliśmy dostępu do tej wiedzy. Nierówność Bella, która potem została przekształcona do czegoś, co da się zmierzyć, w jasny sposób pokazywała: zróbcie doświadczenie – takiego wyniku nie da się otrzymać; jakiekolwiek zegareczki by w tych elektronach czy cząsteczkach nie były, one nie dadzą tego wyniku. Niesamowite jest, że nie mając dostępu do drugiego dna, jakikolwiek by ono nie było, prawa mechaniki kwantowej są na tyle różne, że wykonując doświadczenia Johna Clausera, Alaina Aspecta czy potem Antona Zeilingera, my potrafimy rozstrzygnąć, nie wiedząc, jakie są w środku zegarki.

- Warto również wspomnieć o teleportacji, która jest obecna w wielu powieściach science-fiction, a która już została zrealizowana. Tylko należy ją dobrze zrozumieć. My myślimy o teleportacji, która przenosi ciało do innego miejsca. Tutaj teleportacja rozumiana jest jako drugi istniejący układ identyczny i przenosimy stan, niszcząc ten poprzedni, na układ istniejący niezależnie. I to zostało zrealizowane między innymi przez Zeilingera – mówi prof. dr hab. Krzysztof Meissner z Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

– Z puntu widzenia eksperymentatora zapytałbym, jak ważne jest, jak wytwarza te zegareczki, o których nie wiemy, i jak jest to ważne dla kryptografii kwantowej, czyli nowoczesnych technologii będących nadzieją dla świata – komentuje prof. dr hab. Andrzej Wysmołek z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Nagrody Nobla z fizyki

Fizyka była pierwszą z dyscyplin, którą Alfred Nobel wymienił w swoim testamencie. Zdaniem wielu specjalistów potwierdza to jej ówczesny status – najważniejszej dyscypliny naukowej. Nagroda w tej dziedzinie jest przyznawana od początku trwania konkursu, czyli od 1901 roku. Pierwszym jej laureatem został Wilhelm Conrad Röntgen za odkrycie promieni X, które obecnie stanowią jedno z głównych narzędzi diagnostycznych w medycynie.

Regulamin Nagrody Nobla mówi, że można nią uhonorować maksymalnie trzy osoby. W ostatnim czasie Fundacja Noblowska podwyższyła wysokość nagrody do 10 milionów koron szwedzkich. To w przeliczeniu daje około 920 tys. euro. Laureaci otrzymają także medal oraz dyplom.

Do tej pory przyznano 115 Nagród Nobla z fizyki. Otrzymało je łącznie 218 naukowców. Wśród nich były tylko cztery kobiety, a jedna z nich to Maria Curie-Skłodowska, która oprócz Nobla z fizyki otrzymała także Nobla z chemii. Jako jedyny dwukrotnie Nagrodę Nobla z fizyki otrzymał John Bardeen. Pierwsze wyróżnienie otrzymał w 1956 roku za badania nad półprzewodnikami i opracowanie tranzystora. Drugi raz nagrodzony został w 1972 r. za "sformułowanie teorii nadprzewodnictwa".

Do tej pory najmłodszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki jest Lawrence Bragg, który miał 25 lat, kiedy w 1915 roku wraz z ojcem otrzymał nagrodę Nobla. Panowie wyróżnieni zostali za wkład w badanie struktury krystalicznej za pomocą promieniowania rentgenowskiego.

Z kolei najstarszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki jest Raymond Davis Jr., który miał 88 lat, kiedy otrzymał nagrodę Nobla w 2002 roku. Nagrodzono jego prace nad detekcją neutrin.

Źródło: Centrum Informacyjne Tygodnia Noblowskiego UW, fot. Osama Shukir Muhammed Amin FRCP(Glasg), CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons