"Ta slika kaže, kako se obnaša curek svetlobe pod posebnimi pogoji, ki smo jih ustvarili z lečami in s prepletenostjo svetlobnih delcev," je rekel. Dejal je, da opazujemo "nova stanja svetlobe", takšna, do kakršnih so bili še pred nekaj desetletji največji fiziki, med njimi tudi Albert Einstein, močno skeptični, saj presegajo vsakdanje predstave o svetu in jih postavljajo na glavo.

Robert Fickler na Inštitutu za kvantno optiko in kvantne informacije (IQOQI) avstrijske znanstvene akademije opravlja raziskave, iz katerih bo sestavil doktorat. Stoji torej pred prihodnostjo. Odkritja, ki jih pričakuje, bodo čez nekaj desetletij temelj novih tehnoloških postopkov - teleportacije, kvantne kriptografije, kvantnega računalništva -, ki so danes sicer že izvedljivi, vendar še vedno na robu znanstvene fantastike.

Obenem Fickler stoji pred preteklostjo. Ne gre za potovanje v času nazaj, četudi se s fenomeni, ki jih sproža na laboratorijski mizi - denimo s prepletenostjo delcev - pojavlja prenos informacij hitreje od hitrosti svetlobe, kar na svojstven način odpira filozofsko možnost za to, da bi govorili o potovanju v preteklost. Vendar se Fickler s tem trenutno ne ukvarja. Njegov namen je povsem praktičen.

"Curek svetlobe, v katerem je trenutno veliko fotonov, bomo v prihodnjih tednih postopno zmanjševali," je rekel. Ob njem so stali študijska kolega Christoph Schaeff in Kitajec Peizhe Li ter znanstveni direktor IQOQI Anton Zeilinger, ki je prišel tisto popoldne preverit, kako napreduje delo.

"Ko bomo zmanjševali curek svetlobe, bo v njem vedno manj delcev. Na koncu bomo imeli samo še po en foton naenkrat," je nadaljeval Fickler. Postaven, oblečen in ostrižen po modnih zapovedih povsem običajne avstrijske mladine, ki ob večerih polni zabavišča in klube, je bil precejšnje nasprotje predstave o introvertiranem mladem izumitelju, ki se ukvarja z redko komu razumljivimi rečmi.

"Četudi boste opazovali samo po en foton naenkrat, pa bo risba na zaslonu ostala enaka?" sem iskal bistvo.

"Tako je. Slika bi morala ostati enaka."

Bistvo je skrito v skrivnosti, ki buri duhove znanosti že vsaj vsaj dvesto let. Gre namreč za vprašanje, kaj sestavlja svetlobo, oziroma za večno dilemo - ali je svetloba sestavljena iz točkastih delcev ali pa gre za valovanje. Namreč: že v sedemnajstem stoletju se je začela razprava, ki jo Ficklerjev profesor Zeilinger v svojih knjigah (v slovenščini je dostopna knjiga Einsteinova tančica) opisuje kot "razpravo med dvema nazoroma oziroma zornima kotoma". "Po prepričanju zdravega človeškega razuma in pravilih klasične fizike en in isti predmet ne more biti delec in valovanje hkrati," pravi Zeilinger.

Valovanje ali delci?

Starodaven svetlobni problem danes ni več obravnavan kot posebno problematičen, je pa temeljni za razumevanje dogajanja v Ficklerjevem kletnem laboratoriju. Isaac Newton je bil prvi, ki se je konec sedemnajstega oziroma v začetku osemnajstega stoletja, predvsem sledeč intuiciji, odločil, da svetlobo sestavljajo delci, torej fotoni. Ker je v očeh sodobnikov užival velik ugled, je njegova teorija sprva prevladala.

Omajal jo je Thomas Young, ki je leta 1802 s poskusom z dvema režama, spodnjo in zgornjo, skozi kateri je svetila svetloba, pokazal, da se ta širi kot valovanje. Na zaslonu za režama so se namreč kot interferenca pojavile temne in svetle proge, kar je spominjalo na valovanje vode: tam, kjer se vodna vala srečata, se okrepita v še višji val (pri svetlobi so bile to svetlejše proge), kjer se vodni val sreča z dolino drugega vala, pa se valovanje izniči (temne proge). Dobro stoletje je potem kazalo, da svetlobo sestavlja zvezno valovanje. Vendar so nekateri drugi poskusi kasneje nakazovali, da bi lahko bila svetloba vendarle sestavljena iz točkastih delcev, fotonov.

Leta 1915 je Geoffrey Ingram Taylor na tej podlagi izvedel naslednji presenetljiv poskus. Jakost svetlobe, ki je prehajala skozi reži, je toliko zmanjšal, da je skozi napravo - seveda je bila ta svetlobno izolirana - potoval le še po en foton naenkrat. Za reži je namestil fotografski film in čakal. Ko je po dolgem času napravo odprl, je bil rezultat pravzaprav osupljiv: na filmu so bile zabeležene svetle in temne proge, kot da bi skozi reže potovali valovi in ne zgolj delci. Videti je bilo torej, kot da je vsak posamezni foton "vedel", skozi katero režo in pod kakšnim kotom mora potovati in kje na fotografskem filmu mora na koncu pristati. Videti je bilo, kot da je "vedel" tudi, kako so potovali fotoni pred njim. Namreč, za vsak delec, ki je recimo potoval skozi spodnjo režo, je moral eden od naslednjih delcev potovati skozi zgornjo režo. Polovica jih je morala torej potovati skozi spodnjo in polovica skozi zgornjo, da so postopoma na fotografskem filmu izrisali temne in svetle proge. To je bilo nenavadno, saj kasnejši delci niso mogli "vedeti", kaj se je dogajalo z delci pred njimi. Izkazalo se je, da ima svetloba obe lastnosti hkrati - je točkasta in obenem zvezna kot valovanje.

"Povprašal sem po več fotografskih studiih v mestu in povedali so mi, da je najbolj občutljiv film, ki ga je pri njih mogoče kupiti, 400 ASA," se je Fickler obrnil k profesorju Zeilingerju. "To bi moralo zadostovati," se je veselil. Tudi profesor je zadovoljno prikimaval in zrl v sistem leč na mizi. Njegov študent se je - poleg drugega - odločil slediti metodi, ki so jo za dokazovanje narave svetlobe uporabili že pred stoletjem.

Priključil se je veličastni tradiciji kvantne fizike, ki spreminja naše ustaljene predstave o svetu. Potem ko bodo skozi njegovo napravo dovolj dolgo potovali posamezni fotoni, bo na občutljivem filmu ostal vzorec, ki bo ustrezal rozeti, kot smo jo pravkar opazovali na zaslonu. S to razliko, da je to rozeto ustvarilo še milijone fotonov, ki so leteli v neprekinjenem toku.

"Strašljivo" hitreje od svetlobe

Na inštitutu za kvantno optiko in kvantne informacije na Dunaju (sedež inštituta in druge raziskovalne enote so sicer v Innsbrucku) približno sto zaposlenih raziskovalcev eksperimentalno preverja kvantne teorije, ki so nastajale v dvajsetem stoletju. Ukvarjajo se s kvantno naravo svetlobe in - posledično - kvantno naravo informacij, ki jih delci svetlobe prenašajo.

IQOQI sodi med vodilne tovrstne laboratorije na svetu, njegov znanstveni direktor Anton Zeilinger pa je eden najpomembnejših eksperimentalnih fizikov vseh časov. V znanstvenih krogih vsako leto znova napovedujejo, da bo za svoje dosežke v fiziki prejel Nobelovo nagrado.

Njegove raziskovalne skupine so v zadnjih tridesetih letih uspešno izvedle nekaj temeljnih poskusov, ki predstavljajo logično nadaljevanje poskusov z režami. Njihovo bistvo je, da so ovrgli teorijo "lokalnega realizma" in jo nadomestili s teorijo kvantne mehanike. V sodelovanju in v konkurenci z nekaj podobnimi laboratoriji po svetu so utemeljili nov pogled na naravo, ki lokalni realizem zavrača.

Kaj so pravzaprav dosegli? Na IQOQI so pokazali, kar je predtem predvidela že kvantna teorija - da ne moremo govoriti o tem, da imajo delci lastnosti ne glede na to, ali jih opazujemo ali ne. Nasprotno: z domiselnimi, predvsem pa bliskovitimi poskusi so pokazali, da delci določenih lastnosti pred merjenjem niso mogli imeti, temveč jih je "ustvarilo" šele merjenje. Da torej človek sam (so)ustvarja realnost, ki jo opazuje.

"Če delec opazujem, torej opravim meritev njegovih lastnosti, lahko ugotovim, da je tu, na določeni lokaciji. Predpostavka, da je tu, ker je bil tu v trenutku, preden sem opravil meritev, pa je napačna," je v intervjuju razložil profesor Zeilinger. "Četudi bi bila takšna predpostavka v našem vsakdanjem pogledu na svet pravilna," je nadaljeval. "Avtomobil, ki ga vidim, je tam ne glede na to, ali ga gledam ali ne. Tam je bil tudi, preden sem ga pogledal, o tem ni dvoma. Za kvantne delce pa ta predpostavka ni pravilna. Kvantni delec pred opazovanjem ni obstajal niti na drugem mestu. Enostavno ni imel mesta. Imel je zgolj potencial, da je tu, tam, tam ali tam. Če še bolj poenostavim: vsak delec zase ne more vedeti, kje se nahaja. Ve zgolj, kolikšna je verjetnost, da je tam ali kje drugje. Na primer, s petdesetodstotno verjetnostjo ga bomo našli na enem mestu, s petdesetodstotno verjetnostjo pa na drugem."

Zeilingerjeve meritve torej izpodbijajo teorijo lokalnega realizma. Ni res, da imajo delci vselej lastnosti, ki so jim lastne in ki so v trenutku, ko jih na določenem mestu opazujemo, neodvisne od dogajanja v bližnji ali daljni okolici. "Lokalnost" denimo predvideva, da je spin delca (smer vrtenja) v določenem trenutku takšen, kot je, ne glede na to, kaj se v istem trenutku dogaja z drugimi delci v okolici. Poudarek je seveda na trenutku, ko spin izmerimo, in ne na morebitnem vplivu drugih delcev, ki trajajo daljši čas. Po kakšnem delčku sekunde lahko namreč tudi dogajanje iz okolice vpliva na spin. Vendar o tem v istem trenutku na tistem mestu, če bi verjeli teoriji o "lokalnosti", ne bi mogli govoriti.

Hkrati na IQOQI opozarjajo, da narava kvantnih delcev ni "realistična". Če bi bila, bi imeli delci lastnosti, o katerih je mogoče govoriti in jih opazovati, tudi preden smo jih opazili oziroma izmerili. Vendar to ni mogoče. Teorija in poskusi v kvantni fiziki so pokazali, da "lokalni realizem" ne drži. Ni res, da v določenem trenutku nič ne vpliva na lastnosti delcev. Nasprotno - obstoj prepletenih delcev (z njimi se Zeilinger, Fickler in kolegi na IQOQI vsakodnevno srečujejo) kaže, da naša meritev, ki jo izvedemo na enem delcu, v istem trenutku, torej hitreje kot s svetlobno hitrostjo, vpliva na lastnosti drugega delca v prepletenem paru.

To so Zeilinger in kolegi dokazali z znamenitim poskusom v šeststometrskem tunelu za odpadne vode pod Donavo na Dunaju. S posebej domišljenimi napravami so pokazali, da v vsakem prepletenem paru fotonov prvi foton, ki s skoraj svetlobno hitrostjo potuje po optičnem kablu na eno stran, v vsakem trenutku "ve", kaj se dogaja z njegovim partnerjem, ki z enako hitrostjo potuje v povsem nasprotno smer. V trenutku, ko so namreč izmerili lastnosti prvega (denimo spin), so na drugi strani ugotovili pojav ustreznih lastnosti tudi pri drugem, četudi teh lastnosti drugi delec pred tem ni mogel imeti in jih, ker sta bila delca predaleč narazen, tudi ni mogel prejeti. Da bi takšno možnost izključili, so namreč znanstveniki IQOQI izdelali zelo hitra stikala, ki so merilnike lastnosti preklapljala v krajšem času, kot bi bil potreben za pot informacij med delcema s svetlobno hitrostjo na šeststometrski razdalji. Nič, kar potuje s svetlobno hitrostjo, torej ne bi smelo vplivati na izmerjene lastnosti.

Edina možna razlaga, ki je ostala, je bila, da so informacije med delcema potovale hitreje od svetlobe. To pa je v nasprotju z Einsteinovo teorijo o svetlobni hitrosti kot najvišji možni, pravzaprav absolutni hitrosti potovanja (v skladu z znamenito enačbo E=mc2), iz katere izhaja celotna narava vesolja, kot ga poznamo. Einsteinu, ki je v svojem času s kolegi razpravljal o teoriji, ki so jo na IQOQI (in seveda tudi drugod) zdaj vendarle potrdili tudi eksperimentalno, takšna ideja o prepletenosti delcev ni bila všeč in jo je znamenito poimenoval "strašljivo delovanje na daljavo".

Tovrstno delovanje je Zeilingerjev tim preveril tudi na veliko večji razdalji. "Potovali smo na Kanarske otoke in izstreljevali delce med otokoma Tenerife in La Palma," se je nasmejal bodoči doktor kvantne fizike Sven Ramelow, ki je na Dunaj prišel iz Berlina. "Med otokoma je nekaj več kot sto štirideset kilometrov morja, atmosferske razmere pa so tam zelo umirjene, tako da fotoni potujejo skozi zrak brez velikih motenj." Na tolikšni razdalji je "strašljivo delovanje na daljavo", ki poteka v trenutku med dvema fotonoma, še toliko bolj pomenljivo.

Z Ramelowom smo stali sredi hodnika v tretjem nadstropju stavbe na Boltzmangasse, dve križišči naprej od kletnega laboratorija, kjer smo obiskali Ficklerja. Na levo in desno so se vrstile pisarne z mladimi znanstveniki in znanstvenicami, ki so k Zeilingerju prišli študirat z vsega sveta. Za enimi od vrat je potekal poskus z lasersko svetlobo, zato se jih nismo smeli dotikati. Kvantni sistemi so izredno občutljivi. Na steni sredi hodnika je visel plakat s predstavitvijo naprave, ki jo bo z evropskim denarjem za vesoljske raziskave IQOQI kmalu poslal na enega od satelitov v vesolju. Zeilinger je že opravil prve poskuse "pošiljanja" fotonov med satelitom in Zemljo na razdalji petintrideset tisoč kilometrov.

"Trenutno poteka velika tekma s časom," je dejal Ramelow. "Na področju kvantne fizike deluje nekaj raziskovalnih timov po vsem svetu. Zelo napeto je, saj nihče ne ve, kdo bo prvi objavil naslednje pomembno odkritje." Ker ima kvantna fizika pred seboj veliko prihodnost, saj se bodo denimo na njeni podlagi razvijali zelo zmogljivi kvantni računalniki, se v raziskovalne projekte steka ogromno denarja. Znanstveni časopisi, dostopni na spletu, objavijo pomembno novico s tega področja skoraj vsak teden.

Filozofija vsakdanjega življenja

"Kvantna mehanika odpira filozofska vprašanja, ki jih je klasična fizika postavljala na stran," je v osrednjem prostoru inštituta - čajni kuhinji, jedilnici in učilnici obenem - rekla Tina Bilban, slovenska doktorica filozofije, ki so jo na IQOQI zaposlili, da bi naredila "kvantni preskok" iz fizike v filozofijo. "Kvantna mehanika prevprašuje dogme klasične fizike in jim vrača filozofijo." Bilbanova nas je spomnila, da so učenjaki v zgodovini znanosti "ljubezen do čudenja", filo-zofijo, vedno pojmovali kot bistveno povezano z naravoslovjem - vse do ločitve, ki se je zgodila šele relativno pozno, v dvajsetem stoletju.

"V kvantni mehaniki pa se lahko spet vprašamo, kakšna je vloga opazovalca. Ali opazovalec res nima vloge, kot trdi klasična fizika? Kvantna mehanika pokaže, da to ni res. Opazovalec je ves čas pomemben!"

Že pri poskusu z režami se je namreč pokazalo, da opazovanje posameznih fotonov vpliva na pojav svetlih in temnih prog: čim je znanstvenik namestil optično napravo, s katero je skušal preveriti, skozi katero režo je potoval posamezni foton, so svetle in temne proge - izginile! Temeljno je postalo spoznanje, da so kvantni pojavi mogoči le, če so od okolja izolirani, oziroma so mogoči le znotraj kvantnega sistema kot celote. "Kvantna mehanika ponovno odpira vprašanja, ki so bila v filozofiji vedno ključna," je rekla Tina Bilban.

Rekla je tudi, da kljub fenomenom, kot je "strašljivo delovanje na daljavo", kvantna mehanika ni nič bolj čudna od klasične fizike. "Le da nam je klasična fizika bliže, ker smo evolucijsko razviti tako, da moramo čim prej prepoznati vzorce v klasičnem svetu, ki je naš svet. Koncept lokalnosti, realnosti ali časa skušamo prenesti na kvantne delce."

S tem so seveda težave. "Če pa razmišljamo o kvantni fiziki na podlagi osnovnih logičnih načel, ni v njej nobene zanke. Klasičnih in kvantnih konceptov zgolj ne smemo zamenjevati in ne smemo se zatekati v mistiko." Vprašanje, "kaj je" oziroma "kaj obstaja", je zelo pomembno, pravi Bilbanova. "Ali ima kvantna fizika kakšno zvezo z bogom ali s svobodno voljo, pa je vprašanje na osebni ravni."

V sosednji stavbi smo si nekoliko kasneje ogledali napravo, ki filozofijo bleščeče dopolnjuje. "To je kvantni računalnik," je preplet žic in optičnih leč z iskrivimi očmi predstavila mlada fizičarka Stefanie Barz. Kvantni računalnik deluje mnogo hitreje od običajnega, saj izkorišča lastnost kvantnih delcev, da, kot je zapisal profesor Zeilinger, "transportirajo več, kot lahko nosijo". Običajni delec, ki ni kvanten, lahko nosi le en bit informacije - "0" ali "1". Kvantni delec "kubit" pa lahko hkrati nosi dva bita, informacijo "0" in informacijo "1", saj je, kot pravi kvantna teorija, v "superpoziciji obeh možnosti". To mu omogoča, da izračunava zelo zapletene matematične operacije, za kakršne bi običajni računalniki potrebovali tudi po nekaj milijonov let.

"Predstavljate si, da imate telefonski imenik in da poznate določeno telefonsko številko, zanima pa vas, na katero ime se glasi. Klasični računalnik bi moral s svojim algoritmom pregledati približno polovico imenika, da bi našel pravo ime. Z algoritmom kvantnega računalnika je dovolj pregledati desetino, da boste našli pravo ime," je razložila Stefanie.

Kvantni računalnik, ki nam ga je pokazala na sosednji mizi, je bil še posebej zabaven. Ne le, da je v svojem srcu nosil vijoličen laserski snop, temveč je šlo za "enosmerni" kvantni računalnik, ki so si ga Zeilinger in sodelavci zamislili na poseben način. Računalnik namreč kot izhodišče, ko ga prižgemo, proizvede vse možne odgovore na vsa možna vprašanja, ki si jih lahko zamislimo. Naloga fizikov na Dunaju je potem iz načeloma neskončne množice "ready-made" odgovorov izluščiti tistega, ki ustreza vprašanju. "Za to moramo izvesti meritve delcev v laserskem snopu v določenem zaporedju," se je Stefanie sprehajala okrog mize. "Takšen pristop je zelo lep," se je nasmejala.

Ob tem ni bilo več kaj reči. Podobnost z Adamsovim Štoparskim vodnikom po galaksiji, računalnikom Globoka misel in poslednjim odgovorom na najpomembnejše vprašanje je bila močna; obenem sposobnosti človeškega izražanja ne dohajajo več realnosti v kvantnih laboratorijih. Treba bo novih besed.