Maldinošais skaidrojums

Heizenberga nenoteiktības principa izplatītais skaidrojums ir maldīgs. Jauns eksperiments apstiprina, ka kvantu sistēmas mērījumi ne vienmēr ievieš tajā nenoteiktību.

http://ej.uz/HeisenbergsCommon

Kārtējo reizi gūts apstiprinājums tam, ka realitāte spītīgi pretojas mūsu mēģinājumiem to izskaidrot intuitīvi viegli uztveramos jēdzienos – tā īsumā varētu komentēt nesen veiktā eksperimenta būtību. Tiesa, virsraksts un tēmas pieteikums populārzinātniskā žurnāla Scientific American interneta vietnē var maldināt neuzmanīgāku lasītāju, tāpēc ir vērts par to pastāstīt sīkāk.

Kvantu mehānikas pamatpostulāts – nenoteiktības princips – turpina saglabāties nemainīgs. Vēl vairāk, jaunais eksperiments stiprina pārliecību, ka vismaz no cilvēku redzes viedokļa šis princips atspoguļo materiālajai pasaulei piemītošu īpašību, ar ko mums jārēķinās. Tas nav oriģināls atzinums, šāda interpretācija ir viena no noteicošajām jau gadu desmitiem ilgi, kaut arī laiku pa laikam atjaunojas mēģinājumi palūkoties uz spītīgo teoriju tā, lai padarītu to pieņemamāku mūsu intuīcijai un loģikai. Tad kāpēc gan cienījama populārzinātniska izdevuma autoriem jāsāk ar to, ka ir kāds “izplatīts skaidrojums”, kurš izrādījies maldīgs? Izrādās, tam ir savi iemesli.

Jau kopš jauno laiku dabaszinātņu pirmsākumiem ir izveidojies priekšstats par to, kā mēs spējam izskaidrot dažādu procesu norisi. Saskaņā ar to katrai parādībai atbilst kāds minimālais datu komplekts, kas mums par to jāuzzina iepriekš. Ja turklāt zinām arī procesā valdošās likumsakarības, tad šis komplekts ļauj prognozēt turpmāko notikumu attīstību. To labi var novērot uz biljarda galda – profesionālam spēlētājam parasti pietiek redzēt bumbu izkārtojumu un pielikt spēku kijai vajadzīgajā virzienā, lai bumbas pēc sitiena pārkārtotos viņam vēlamā veidā. Kaut arī spēles nepratējam no malas var šķist, ka bumbas dažkārt pārvietojas gluži neprognozējamā veidā, to kustību nosaka stingras fizikālas likumsakarības. Atliktu kādam jokdarim bez spēlētāja ziņas nomainīt pusi biljarda bumbu ar nedaudz smagākām, lai no iecerētās kombinācijas nekas neizdotos.

Minēto principu sekmīgi izmantojuši dažādu nozaru pētnieki, atšķīries tikai prognozēm nepieciešamais sākotnējo datu komplekts un sakarības, kas saista šiem datiem atbilstošos lielumus. Iegūt vajadzīgo informāciju gan ne vienmēr bijis vienkārši, tāpēc ne mazāku slavu par teorētisku koncepciju izstrādātājiem guvuši precīzu mērierīču izgudrotāji un atjautīgu eksperimentu plānotāji. Taču līdz ar sīkdaļiņu novērojumiem šajā loģiski nevainojamajā rīcības plānā parādījies kāds nepārvarams šķērslis. Mikropasaule (bet ne obligāti tikai tā) sastāv no objektiem, kuriem nepieciešamo sākotnējo datu komplektu savākt ar precīzām prognozēm nav iespējams principā. Ja kādai sīkdaļiņai vienu lielumu, piemēram, atrašanās vietu, izmērām precīzi, tad par citu, kas šajā gadījumā būtu ātrums tajā pašā laika momentā, vairs nevaram droši zināt neko. Savukārt visus nepieciešamos lielumus vienlaikus varam izmērīt tikai līdz noteiktai precizitātes robežai, ko arī iezīmē slavenais Heizenberga nenoteiktības princips. Visu veidu elementārdaļiņas, arī tās, no kurām sastāvam mēs, vienos apstākļos uzvedas kā telpā norobežoti objekti, bet citos – kā viļņi bez noteiktas atrašanās vietas, un to nekādi nav iespējams apiet.

Kvantu mehānikas radītāji pieņēmuši to par faktu un izstrādājuši izziņas metodes, kas gluži labi darbojas arī šādā “izplūdušu kontūru” pasaulē, turklāt vēl ļauj praktiski realizēt dažādus mūsu intuitīvajā izpratnē paradoksālus scenārijus. Tomēr ar atziņu, ka pasauli iespējams droši izzināt tikai līdz robežai, aiz kuras sākas principiāla nenoteiktība, nav bijis viegli samierināties ne daudziem fiziķiem un filozofiem, ne cilvēkiem, kuri tic “veselajam saprātam”, precīzāk, intuitīvi aptveramām pamatpatiesībām.

Acīmredzot to sākumā nav spējis pieņemt arī nenoteiktības principa radītājs, vācu fiziķis Verners Heizenbergs. Tāpēc viņš savulaik piedāvājis visnotaļ ticamu iespēju, kas šķietami atvieglo skatījumu uz kvantu pasaules dīvainībām. Tā arī ir versija, ko Scientific American savā rakstā dēvē par common interpretation, kaut arī šāds apzīmējums savā ziņā ir maldinošs. Heizenberga versijā nepārvaramos šķēršļus kvantu objekta stāvokļa precīzā noskaidrošanā rada mērīšanas process. Lai uzzinātu kādus no nepieciešamajiem datiem, piemēram, daļiņas stāvokli telpā, mērierīcei jāiedarbojas uz kvantu objektu tā, ka šīs daļiņas ātrumu attiecīgajā laika momentā noskaidrot vairs nav iespējams – informācija par to ir neglābjami zudusi. Lai arī vājš mierinājums, tas tomēr ļauj iztēloties, ka nenovērotai daļiņai vienlaikus ir gan konkrēta atrašanās vieta, gan ātrums, tādējādi tā uzvedas pēc mums saprotamiem likumiem, kamēr neesam to pieķēruši. Jāteic, ka kvantu mehānikas grāmatās no šāda formulējuma izvairās jau krietni sen un arī pats Heizenbergs savu ideju tā skaidroja tikai pašos pirmsākumos. 2003. gadā japāņu fiziķis Masanao Ozava teorētiski pierādīja, ka Heizenberga radītā formula mērīšanas procesa izraisītās nenoteiktības novērtējumam nav matemātiski korekta un apraksta tikai īpašu gadījumu. Tomēr Ozavas piedāvātā universālā formula, kurā mērījumu radītā nenoteiktība var būt arī mazāka par Heizenberga prognozēto, vēl līdz nesenam laikam nebija guvusi eksperimentālu apstiprinājumu. Arī populārajā literatūrā un tās pārstāstos Heizenberga princips tika pamatots ar apgalvojumu, ka nenoteiktību kvantu sistēmā izraisa mērīšanas process.

Vairākos šogad veiktos eksperimentos, no kuriem vienam veltīts Scientific American 11. septembrī publicētais raksts, beidzot pierādīts, ka ir iespējams veikt tādus mērījumus, kas uz kvantu objektu iedarbojas mazāk, nekā savulaik paredzēja Heizenbergs, toties pilnīgi atbilst Ozavas prognozēm. Savukārt pats nenoteiktības princips netiek apstrīdēts, jo robeža, līdz kurai mēs varam kaut ko uzzināt par šo objektu, saglabājas nemainīga. Acīm redzami tā nav iespējamo mērīšanas metožu vaina, bet gan pašam objektam iekšēji piemītoša īpatnība.

“Izplatītā skaidrojuma” atspēkojumam, visticamāk, ir arī sava ēnas puse. Tas noteikti nenāk par labu zinātkāra interesenta mēģinājumiem aptvert kvantu mehānikas pamatprincipus, meklējot tiem cik necik pieņemamas analoģijas ikdienas novērojumos. Piemēram, kā lai daudzmaz saprotami pastāsta par kvantu datoru idejām, kas vistiešākajā veidā ir saistītas ar kvantu stāvokļu mērījumiem un tajos ietverto nenoteiktību? Sastopoties ar priekšstatiem, kurus grūti savienot ar mūsu intuīciju, skeptiskāk noskaņoti ļaudis nododas nīgrām pārdomām par to, ka zinātnieki attālinās no veselā saprāta. Savukārt indivīdiem ar dzīvāku iztēli tā ir teicama augsne dažādām spekulācijām. Jau ir radītas visnotaļ aizraujošas teorijas par to, kā ar kvantu mehānikas principiem smadzeņu atomu līmenī būtu iespējams pamatot vai apgāzt idejas par cilvēka brīvo gribu, kā arī likt pamatus gluži jaunām loģikas sistēmām. Arī dažas eksotiskākas nenoteiktības principa interpretācijas versijas šķiet izkāpušas no zinātniskās fantastikas grāmatām, piemēram, daudzu paralēlu pasauļu eksistences pieļāvums. Kā šajā visai raibajā priekšstatu jūklī nepazaudēt orientierus? Kvantu fiziķis uz to, iespējams, atbildētu ar joku: “Ja nu ir kaut kas pilnīgi noteikts un drošs, tad tas ir Heizenberga nenoteiktības princips.”