Sada aastat tagasi algatasid kaks 20. sajandi suurimat mõtlejat, Albert Einstein ja Niels Bohr, ühe kuulsama intellektuaalse vaidluse teaduse ajaloos. Nende vaidluse keskmes oli lihtne, kuid peadpööritavalt kummaline eksperiment, mis paljastas kvantreaalsuse olemuse. Einsteini, relatiivsusteooria isa, ei suutnud oma elu lõpuni leppida kvantmaailma veidrustega, nimetades neid „õudseks kaugmõjuks”. Ta otsis lünka, viisi, kuidas loodust „piiluda” ja tabada see teolt.
Ja nüüd, peaaegu sajand hiljem, on Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT) füüsikud selle vaidluse laboris taastanud. Ainult et mõtteliste konstruktsioonide asemel kasutasid nad päris aatomeid ja footoneid. Nende elegantset eksperimenti ei kinnitanud mitte ainult Boori õigsust, vaid näitas ka selgelt, milles täpselt eksis geenius Einstein.
Et mõista kogu sündmuse sügavust, tuleb minna tagasi alguste juurde. Kuulus kahe pilu eksperiment on geniaalne oma lihtsuses. Kujutage ette, et te tulistate värviga täidetud kuule (osakesi) seina kaudu kahe piluga barjääri. Mida te näete seinal? Õige, kaks värvijooni täpselt pilude vastas.
Nüüd kujutage ette, et te saadate vee laineid läbi sama barjääri. Lained, läbides pilud, hakkavad omavahel vastastikku mõjutama: kuskil tugevnevad, kuskil nõrgenevad. Seinale tekib keeruline muster vahelduvatest tippudest ja lohkudest – interferentsipilt.
1801. aastal tegi Thomas Young sama valguse ja nägi lainepilti. Järeldus tundus ilmne: valgus on laine. Aga 20. sajand segas kõik ära. Selgus, et valgus koosneb osakestest – fotonitest. Ja siin algabki maagia. Kui lasta fotonid ükshaaval läbi kahe pilu, loovad nad ikkagi mingil arusaamatul viisil lainepildi! Iga üksik foton peaks läbima ühe pilu, kuid käitub nii, nagu teaks teise olemasolust ja oleks eelnevalt kokku leppinud tulevaste fotonitega, kuhu maanduda.
Kõige kummalisem on see, et kui te panete pilude juurde „valvuri”, et teada saada, millise pilu kaudu foton läbi lendas, kaob kogu maagia. Interferentsipilt kaob ja ekraanile jäävad kaks banaalset triipu, nagu värvikuulikestest. Vaatlemine ise sunnib valgust „valima”, kas olla osake või laine.
Just see kahepoolsus ei andnud Einsteinile rahu. Ta oli veendunud, et selle kvantumise „ebamäärasuse” taga peitub mingi sügavam, ennustatav reaalsus, mida me lihtsalt veel ei näe. Ta pakkus välja mõttelise eksperimendi: mis oleks, kui teha pilud liikuvaks? Näiteks riputada need ülitundlikele vedrudele.
Loogika oli selline: foton-osake, lennates läbi ühe pilu, peaks seda kergelt tõukama, põhjustades vedru väikese võnke. Mõõtes seda võnket, saame teada fotoni tee. Kuna me ei vaata fotoni otse, vaid ainult selle läbimise kaudset mõju, peaks lainepilt kaugemal ekraanil säilima. Nii oleksime Einsteini arvates fikseerinud korraga nii osalise olemuse (pilude võnkumise) kui ka laineolemuse (interferentsi). Šahh ja mat, kvantmehaanika!
Niels Bohr leidis aga vastuväite. Ta rakendas oma kuulsat ebamäärasuse printsiipi ja näitas, et juba üksnes katse mõõta pilu pisikest liikumist tekitab selle asukohas nii suure ebamäärasuse, et see paratamatult „läheb laiali” ja hävitab kogu interferentsipildi. Loodust ei saa petta: kas teadmine teest (osake) või interferents (laine). Üks välistab teise.
Ebamäärasuse põhimõtte näide on seotud relatsioonilise tõlgendusega. Mida rohkem on teada osakese asukoha kohta, seda vähem on teada selle kiiruse (suuna) kohta ja vastupidi
Kumb neist on õige, sai kontrollida ainult praktikas. Ja Wolfgang Ketterle’i meeskond MIT-ist tegi seda uskumatult elegantselt. Nad otsustasid viia idee absoluutse täiuslikkuseni. Millised võivad olla kõige väiksemad ja ideaalsemad „pilud” universumis? Loomulikult üksikud aatomid.
Teadlased võtsid tuhandetest naatriumi aatomitest koosneva pilve, jahutasid selle absoluutse nullini (et eemaldada soojusmüra) ja laserite abil ehitasid neist ideaalse võre. Selles võres oli iga aatom isoleeritud ja toimis pisikese piluna. Seejärel hakkasid nad seda konstruktsiooni väga nõrga valguskiirega „pommitama”, nii et aatomitega suhtlesid üksikud fotonid.
Valguse hajumine kahel aatomilainel. Valgusel on koherentne osa, mis põhjustab interferentsiribade tekkimise, ja mittekoherentne osa, mis määrab nende ribade lõpliku kontrasti. Mittekoherentne osa tekib aatomite ja fotonite osalise segunemise tõttu.
Eksperimentaatorite peamine avastus oli see, et nad õppisid juhtima seda, kui hästi aatom suudab „meelde jätta“ informatsiooni fotoni teekonna kohta. Nad nimetasid seda aatomi „hägususeks“. Kujutage aatomit mitte tahke pallina, vaid hägusa tõenäosuste pilvena. Mida nõrgem on laserlõks, mis aatomit kinni hoiab, seda suurem on see „pilv”. Ja mida suurem see on, seda suurem on tõenäosus, et mööduv foton seda „puudutab” ja jätab jälje, paljastades oma asukoha.
Tulemused olid täielikult kooskõlas Boori ennustustega. Mida tugevamalt teadlased aatomid „hägistasid”, muutes need parimateks teekonna detektoriteks, seda rohkem teavet osakeste kohta nad said. Ja täpselt sama palju tuhmus ja kadus interferentsipilt. Mingit kompromissi ei olnud. Mingit lünka.
Kuid eksperimendi kõige delikaatsem osa oli alles ees. MITi meeskond otsustas kontrollida Einsteini ideed „vedrudest”. Nende seadmes mängisid vedrude rolli laserid, mis hoidsid aatomid paigal. Mis juhtub, kui need lihtsalt välja lülitada?
Teadlased tegid geniaalse triki: nad lülitasid laserlõksu välja ja miljonikümmendndiku sekundi jooksul – enne kui aatomid jõudsid gravitatsiooni mõjul langeda – tegid mõõtmise. Selles lühikeses hetkes hõljusid aatomid vabalt ruumis, ilma mingite „vedrudeta”. Ja mis juhtus? Fenomen jäi samaks! Valguse duaalsus avaldus täpselt samamoodi.
Valguse hajumine laienevatel lainepakettidel. Liitiumi (a) ja düsproosia (b) aatomid on valmistatud Mott’i isolaatori seisundis sügavas (sinine) või madalas (punane) optilises võres. Valguse hajumine on summutatud koherentse hajunud valguse destruktiivse interferentsi tõttu. Kõik punktid, mis asuvad enne (after) vasakpoolset (right) vertikaalset punktiirjoont, vastavad mõõtmistele, mis on tehtud täielikult sisse lülitatud (on) võre korral. Summutamise suurus on sama enne ja vahetult pärast väljalülitamist, mis kinnitab ühe aatomi koherentse omaduse sõltumatust hoidmisest. Lainepakettide laienemisel muutub hajunud valgus täielikult mittekoherentseks. Tähistatud jooned (a) on teooria ilma vabade parameetriteta, samas kui punktiirjooned (b) on teooria, milles koherentse hajumise osakaal enne võre väljalülitamist on vaba parameeter. Lõikekujul on näidatud sondimpulsi (oranž) ja võre väljalülitumise (hall) suhteline aeg, mis vastab parempoolsele punktiirjoonele. Veaparameetrid vastavad 1 standardveale keskmisest.
See tõestas midagi sügavamat kui lihtsalt Bohr’i õigsus. Einsteini probleem oli selles, et ta mõtles poolklassikalistes terminites – mehaanilisest tõukest, vedru liikumisest. MIT eksperiment näitas, et asi ei ole mehaanikas. Asi on informatsioonis. Lainepildi hävitab mitte füüsiline tõuge, vaid fakt, et fotoni teekonna kohta on kvantseisundis aatomisse salvestatud informatsioon. See on fundamentaalne seos, mitte mehaaniline mõju.
Loomulikult ei muuda see tulemus meie elu homme. Kuid see paneb punkti ühele fundamentaalsemale vaidlusküsimusele reaalsuse olemuse kohta. See on veel üks tõend, et kvantmaailm elab omaenda, täiesti intuitiivsete seaduste järgi ja seda ei saa kirjeldada meile tuttavate metafooridega.
Veelgi enam, sellised eksperimendid, kus teadlased juhivad üksikute osakeste vastastikmõju juveeltoodete täpsusega, ei ole lihtsalt uudishimu rahuldamine. See on tulevaste tehnoloogiate, nagu kvantarvutid, alus. Kvantarvuti on ju sisuliselt väga keeruline süsteem, kus tuleb säilitada kubitite habrad laineomadused, kaitstes neid igasuguse „piilumise” eest, mis arvutused hetkega hävitaks.
On sümboolne, et need tulemused ilmusid 2025. aasta eelõhtul, mille ÜRO kuulutas kvantmehaanika 100. aastapäeva auks rahvusvaheliseks kvantteaduse aastaks. Sajand pärast oma sündi ei ole see hämmastav teooria mitte ainult vananenud, vaid jätkab meile üllatuste pakkumist, võimaldades lõpuks lahendada selle loojate vaidlusi.