Στον καθημερινό κόσμο που βιώνουν οι άνθρωποι, τα αντικείμενα συμπεριφέρονται με προβλέψιμο τρόπο, όπως τον εξηγεί η κλασική φυσική. Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά της κλασικής φυσικής είναι ότι τίποτα δεν ταξιδεύει ταχύτερα από το φως, ούτε καν η πληροφορία.
Κβαντική διεμπλοκή
Ωστόσο, τη δεκαετία του 1930, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα πολύ μικρά σωματίδια υπακούν σε πολύ διαφορετικούς κανόνες. Μία από τις πιο αινιγματικές συμπεριφορές τους ήταν η κβαντική διεμπλοκή – την οποία ο Άλμπερτ Αϊνστάιν αποκαλούσε «στοιχειωμένη δράση από απόσταση».
Στην κβαντική διεμπλοκή, δύο σωματίδια μπορούν να γίνουν μπλεγμένα, πράγμα που σημαίνει ότι οι ιδιότητές τους συσχετίζονται άμεσα, και οι μετρήσεις αυτών των ιδιοτήτων θα δίνουν πάντα αντίθετα αποτελέσματα (π.χ., αν το ένα έχει προσανατολισμό προς τα πάνω, το άλλο θα είναι προς τα κάτω). Το παράξενο είναι ότι οι μετρήσεις αυτές παραμένουν συσχετισμένες στιγμιαία, ακόμα κι αν τα σωματίδια απέχουν τεράστιες αποστάσεις μεταξύ τους.
Αν η πληροφορία δεν μπορεί να ταξιδεύει γρηγορότερα από το φως, τότε δεν θα έπρεπε να υπάρχει τρόπος ώστε το ένα σωματίδιο να γνωρίζει άμεσα την κατάσταση του άλλου. Αυτή η «στοιχειωμένη» κβαντική ιδιότητα ονομάζεται μη-τοπικότητα, δηλαδή η εκδήλωση φαινομένων που δε θα έπρεπε να είναι δυνατά σε μεγάλες αποστάσεις σύμφωνα με τη κλασική μηχανική.
Μέχρι πρόσφατα, πιστευόταν ότι μόνο μπλεγμένα σωματίδια μπορούσαν να εμφανίσουν μη-τοπικότητα. Όμως μια νέα μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science Advances, χρησιμοποίησε την ανισότητα Bell για να ελέγξει αν οι μη-τοπικές κβαντικές συσχετίσεις μπορούν να προκύψουν από άλλες κβαντικές ιδιότητες πέρα από τη διεμπλοκή.
Πείραμα με μη μπλεγμένα φωτόνια και παραβίαση της ανισότητας Bell
Το πείραμα χρησιμοποίησε φωτόνια που δημιουργήθηκαν από λέιζερ το οποίο έπεφτε σε έναν ειδικό τύπο κρυστάλλου, με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι αδύνατον να προσδιοριστεί η πηγή τους. Αυτή η διάταξη διασφαλίζει ότι τα φωτόνια δεν μπορούν να μπλεχτούν πριν την ανίχνευσή τους σε δύο ξεχωριστούς ανιχνευτές. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την ανισότητα Bell για να καθορίσουν αν το πείραμα οδηγεί σε παραβιάσεις του τοπικού ρεαλισμού.
Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, το πείραμα οδήγησε σε παραβίαση της ανισότητας Bell, υπερβαίνοντας το όριο κατά περισσότερες από τέσσερις τυπικές αποκλίσεις. Αυτό το είδος παραβίασης με μη μπλεγμένα φωτόνια δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ ξανά. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι αυτές οι παραβιάσεις προκύπτουν από μια ιδιότητα που ονομάζεται κβαντική αδιακρισιμότητα μέσω ταυτότητας διαδρομής, και όχι από διεμπλοκή.
«Η εργασία μας καθιερώνει μια σύνδεση μεταξύ κβαντικής συσχέτισης και κβαντικής αδιακρισιμότητας, προσφέροντας νέες γνώσεις για την θεμελιώδη προέλευση των αντιδιαισθητικών χαρακτηριστικών της κβαντικής φυσικής», γράφουν οι συγγραφείς της μελέτης.
Προβληματισμοί και μελλοντικές κατευθύνσεις
Παρά την εντυπωσιακή αυτή ανακάλυψη, υπάρχουν ακόμα ζητήματα που πρέπει να διευθετηθούν σε μελλοντικές μελέτες. Για παράδειγμα, το πείραμα βασίζεται σε μετα-επιλογή (post-selection), όπου ανιχνεύονται μόνο συγκεκριμένα φωτόνια, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε παραπλανητικά αποτελέσματα.
Ένα άλλο πιθανό ζήτημα είναι η ύπαρξη κενών (loopholes) ως προς την τοπικότητα, λόγω του ότι οι ρυθμίσεις φάσης στους ανιχνευτές δε διαχωρίστηκαν επαρκώς. Ωστόσο, οι συγγραφείς της μελέτης είναι ενήμεροι για τους περιορισμούς αυτής της δουλειάς και είναι πρόθυμοι να ενισχύσουν τα πειραματικά δεδομένα με αναβαθμισμένο εξοπλισμό και πιο αυστηρά πρωτόκολλα.
Όπως αναφέρουν χαρακτηριστικά:
«Αναμένουμε όχι μόνο να εντοπιστούν κενά και τοπικά κρυμμένες μεταβλητές σε σχέση με την παρούσα εργασία, αλλά και να αποκλειστούν σταθερά με μελλοντικές βελτιώσεις στον ποιοτικό εξοπλισμό και τις κβαντικές φωτονοειδικές διατάξεις, όπως συνέβη και στην 90ετή πορεία παραβιάσεων του τοπικού ρεαλισμού με μπλεγμένα σωματίδια».
«Επιπλέον, η εργασία μας ενδέχεται να οδηγήσει σε άλλες ενδιαφέρουσες πειραματικές προσεγγίσεις, όπως η εξέλιξη του πειράματος Bell. Κατά αναλογία με το πείραμα Bell με δύο σωματίδια, αναμένουμε ότι η κβαντική μηχανική θα υπερισχύσει τελικά.»
Περισσότερες πληροφορίες: Kai Wang et al, Παραβίαση της ανισότητας Bell με μη εμπλεκόμενα φωτόνια, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adr1794
Πληροφορίες περιοδικού: Science Advances
