კვანტური მექანიკა – სამყარო, სადაც ყველაფერი შესაძლებელია
ათასობით წლების განმავლობაში კაცობრიობა ცდილობდა ამოეხსნა სამყაროს მოქმედების საიდუმლო. ამ პერიოდში ბევრი აღმოჩენა გაკეთდა, ბუნების კანონების წყება აღწერს პლანეტების, ვარსკვლავებისა და გალაქტიკების მოძრაობას. მაგრამ უკვე ვიცით, რომ ფუნდამენტურ დონეზე სიტუაცია უფრო ბუნდოვანია, რადგან მეცნიერებმა აღმოაჩინეს რევოლუციური კანონების წყება, რომელმაც შეცვალა სამყაროსა და რეალობაზე არსებული წარმოდგენა. ეს არის კვანტური მექანიკის კანონები.
კვანტური კანონები ეხება ყველა ატომსა და ნაწილაკს ყველანაირ მატერიაში – ვარსკვლავებსა და პლანეტებში, ქვებსა და შენობებში, ჩვენი და ნებისმიერი ცოცხალი ორგანიზმის სხეულში. კვანტური მექანიკის უცნაურობებს ყოველდღიურ ცხოვრებაში არ ვხვდებით, მაგრამ ის მუდმივად ხდება. მის აღმოსაჩენად საჭიროა უმცირესი მასშტაბების მქონე ნაწილაკების დონეზე დაშვება, როგორიცაა ატომები და მისი შემადგენელი ნაწილები. კვანტურ დონეზე არსებული პაწაწინა რეალობის მმართველი კანონები სრულიად განსხვავდება ჩვენთვის ცნობილი კანონებისგან, რომლებიც თვალისთვის ხილულ, დიდი ზომის ობიექტებს მართავენ. საკმარისია ერთხელ შეავლოთ მათ თვალი და სამყაროს აღარასდროს შეხედავთ ძველებურად.
თითქმის შეუძლებელია იმის გამოსახვა, რამდენად უჩვეულო რამ ხდება უმცირეს მასშტაბებში. თუმცა წარმოიდგინეთ, რომ იმყოფებით ისეთ ადგილას, რომელიც იმართება კვანტური კანონებით, სადაც ადამიანები და საგნები ისე იქცევიან, როგორც ატომები და ნაწილაკები. შედეგად იხილავდით უცნაურ მოვლენებს: ობიექტები სულაც არ იქნებოდნენ ერთ პოზიციაში, არამედ რამდენიმე მდებარეობაში მოთავსდებოდნენ, მათი ტრაექტორია კი განსხვავებული იქნებოდა გრავიტაციასა და სხვა ფაქტორებზე დამოკიდებული სხეულებისგან. ხოლო ერთ ადგილას მომხდარ მოვლენას (მიზეზს) შედეგი ექნება სადღაც სხვაგან, მაშინაც კი, თუკი იქ არავინაა.
და ყველაზე უცნაური რამ: თუკი ადამიანები იმოქმედებდნენ ატომებში მდებარე ნაწილაკების მსგავსად, მათი კონკრეტული მდებარეობის დადგენა ძალიან გაგიჭირდებოდათ. ისინი შეიძლება თითქმის ყველგან ყოფილიყვნენ ერთდროულად, სანამ მათ ძებნას არ დაიწყებდით. ძებნის დაწყების შემდეგ კი თქვენ წინ გაჩნდებოდნენ.
რატომ სჯერათ მეცნიერებს ამ უცნაური კანონების? ბოლო 80 წლის განმავლობაში სწორედ მათი დახმარებით ხდება იმის განსაზღვრა, როგორ მოიქცევიან ატომები და ნაწილაკები. მრავალჯერ ჩატარებულ ექსპერიმენტებში კვანტური კანონები ყოველთვის მართებული გამოდგა. ამიტომ თამამად შეიძლება ითქვას, რომ კვანტური მექანიკის მტკიცებულებები თავზე საყრელადაა.
კვანტური მექანიკა ჩვეულებრივი მოვლენაა ატომურ დონეზე. მაგრამ გავიაზროთ ერთი რამ: ჩვენ, ადამიანები, ატომებისგან შევდგებით. ასევე ნებისმიერი რამ, რასაც სამყაროში ვხედავთ. ასე რომ ისინი არამარტო უმცირეს სამყაროზე მოგვითხრობენ, არამედ გვაწვდიან ინფორმაციას ზოგადად რეალობაზეც.
არც ისე დიდი ხნის წინ მიიჩნეოდა, რომ სამყაროს ძირითადი კანონები ნაპოვნი იყო – როგორ მოძრაობენ პლანეტები ვარსკვლავების გარშემო, რა ტრაექტორიით მიდის გატყორცნილი ბურთი, როგორ ხტუნავენ კენჭები ტბის ზედაპირზე. ამ კანონების ერთიანობას კლასიკური მექანიკა ერქვა და თითქოს ყველაფერს თავის ადგილზე სვამდა. მაგრამ სიტუაცია შეიცვალა დაახლოებით ერთი საუკუნის წინ, როცა მეცნიერები ცდილობდნენ სინათლის უჩვეულო თვისებების ახნას. კონკრეტულად კი საქმე ეხებოდა მინის მილში მოთავსებული აირის გახურების შედეგად გამოცემულ სინათლეს. პრიზმის მეშვეობით დაკვირვებისას მეცნიერებმა ისეთი რამ აღმოაჩინეს, რასაც ვერ წარმოიდგენდნენ. სინათლე ქმნიდა ერთმანეთისგან დაშორებულ სხვადასხვა ფერის ხაზებს, ნაცვლად უწყვეტი სპექტრისა.
ამ უცნაურობას ახსნა მოუძებნა რადიკალი მეცნიერების ჯგუფმა, რომლებიც მეოცე საუკუნის დასაწყისიდან ფიზიკური სამყაროს ფუნდამენტურ ბუნებას შეისწავლიდნენ. მათ შორის ერთ-ერთი ყველაზე გამჭრიახი აღმოჩნდა ნილს ბორი. ის თვლიდა, რომ პასუხი იმალებოდა მატერიის გულში, ატომის სტრუქტურაში. მისი აზრით, ატომები მოგვაგონებდნენ მიკროსკოპულ მზის სისტემებს, სადაც კიდევ უფრო პატარა ნაწილაკები – ელექტრონები – მოძრაობდნენ ბირთვის გარშემო, როგორც პლანეტები უვლიდნენ გარშემო მზეს. თუმცა ბორმა ივარაუდა, რომ მზის სისტემისგან განსხვავებით, ელექტრონები ნებისმიერ ორბიტაზე ვერ იმოძრავებდნენ, არამედ მხოლოდ შეზღუდული რაოდენობის ორბიტები იყო დაშვებული. ატომის გაცხელებისას ელექტრონები აქტიურდებოდნენ და ერთი ორბიტიდან მეორეზე „ხტუნაობდნენ”. ყოველი გადახტომისას გამოიყოფოდა ენერგია სინათლის სახით განსაზღვრული სიგრძის ტალღებში და სწორედ ამიტომ ქმნიდნენ ატომები სპეციფიკურ ფერებს. აქედან მოდის გამოთქმა „კვანტური ნახტომი”. რომ არა კვანტური ნახტომი, აირის გახურების შედეგად ატომებიდან წამოვიდოდა ბლანტი ფერები, მაგრამ ლაბორატორიაში ექსპერიმენტებისას სხვა რამეს ხედავდნენ – მკვეთრ წითელს, მკვეთრ მწვანეს და ა.შ.
კიდევ უფრო გასაოცარი ის იყო, რომ ელექტრონი ორბიტებზე გადანაცვლებას ახერხებს მოძრაობის გარეშე – ხტუნვის დროს არ გაივლის სივრცეს. ეს იგივეა, მარსი რომ უეცრად იუპიტერის ორბიტაზე აღმოჩნდეს. ბორმა წამოაყენა მოსაზრება, რომ კვანტური ნახტომი წარმოიქმნება ელექტრონების ფუნდამენტური თვისებიდან, რომლის მიხედვითაც ელექტრონის ენერგია წარმოადგენს დაქსაქსულ ნაწილებს, რომელთა დაშლა შეუძლებელია. მათ კვანტუმები უწოდეს. სწორედ ამიტომ არსებობს შეზღუდული რაოდენობის ორბიტები, რომელთა დაკავებაც ელექტრონებს შეუძლიათ. ელექტრონი ან ერთ ორბიტაზე უნდა იყოს, ან მეორეზე, რომელიც მისი ენერგიის დონის შესაბამისია და არავითარ შემთხვევაში – მათ შორის. ეს ძალიან განსხვავდება ისეთი რამეებისგან, რასაც ყოველდღე ვხედავთ.
როგორი უცნაურიც გინდა ჩანდეს ეს ყველაფერი, მისი მტკიცებულება მალე გაჩნდა და აღმოჩნდა, რომ ბორი მართალი იყო. ყველა ექსპერიმენტში ელექტრონები ემორჩილებოდნენ განსაზღვრულ კანონებს, რომლებიც განსხვავდებოდა ბურთის ან პლანეტის მამოძრავებელი კანონებისგან. ახალი აღმოჩენებითა და ინფორმაციებით ხელში, ბორი და მისი კოლეგები ერთგვარ წინააღმდეგობაში აღმოჩნდნენ ფიზიკის აღიარებულ კანონებთან. კვანტური ნახტომი კი მხოლოდ დასაწყისი იყო. მალე ბორს მოუწია ისტორიის ერთ-ერთ უდიდეს ფიზიკოსთან, ალბერტ აინშტაინთან შერკინება.
აინშტაინს ახალი იდეები არ აშინებდა, თუმცა 1920-იან წლებში კვანტურმა მექანიკამ მსოფლიო იმ მიმართულებით წაიყვანა, რომელიც აინშტაინს არ სურდა. ის ემიჯნებოდა აბსოლუტურ, განსაზღვრულ წინასწარმეტყველებებს, რომელიც კლასიკური ფიზიკის საფირმო ნიშანი იყო. აინშტაინისა და მისი მომხრეების მოსაზრებით, ბუნების კანონებზე დაფუძნებით შესაძლებელი იყო ყველაფრის ზუსტად განსაზღვრა, კვანტური მექანიკა კი ამ მოსაზრებას საფუძველს აცლიდა.
ერთ-ერთმა ტესტმა, რომელიც ცნობილი გახდა, როგორც ორმაგი ჭუჭრუტანას ექსპერიმენტი, ყველაზე მეტად გამოავლინა კვანტური საიდუმლოებები. ამ დროს ელექტრონები გადიან ორ ერთმანეთთან ახლოს განთავსებულ ჭუჭრუტანაში და შემდეგ ხვდებიან ეკრანზე, სადაც მათი მდებარეობა სპეციალური ხელსაწყოებით ფიქსირდება. ნაცვლად კონკრეტული ადგილებისა, სადაც ხვრელში გამძვრალი ჩვეულებრივი ზომის ობიექტი მოხვდებოდა, ელექტრონები მთელ ეკრანზე ნაწილდებიან და ქმნიან ერთგვარ ზოლებს, მათ შორის იქაც, რომელიც ჭუჭრუტანებს შორის არსებული არეალის პარალელურადაა. არადა ეკრანის ეს მონაკვეთი თითქოს დაბლოკილი უნდა ყოფილიყო მათთვის. რა იყო ამის მიზეზი?
მეცნიერები მხოლოდ ერთ დასკვნამდე მიდიოდნენ: საქმე ეხება ტალღებს. ტალღებს ისეთი რამ შეუძლიათ, რაც ბევრი ობიექტისთვის შეუძლებელია, მაგალითად გაიყონ და გაერთიანდნენ. ჭუჭრუტანებისკენ რომ წყალი მივმართოთ, ის ორად გაიყოფა და შემდეგ ისევ შეერთდება, ზოგან მეტი მოცულობის იქნება და ზოგან ნაკლები, ზოგჯერ კი ერთმანეთს დააბალანსებენ. წყლის ტალღები ეკრანზე მოხვედრისას შექმნიან ზოლების სერიას, რომელიც ცნობილია, როგორც ინტერფერენციის მოდელი. როგორ შეუძლიათ ელექტრონებს, რომლებიც წარმოადგენენ ნაწილაკებს, ასეთი ნიმუშის შექმნა? როგორ მოხვდა ელექტრონი იქ, სადაც მხოლოდ ტალღას მიესვლება?
ნაწილაკი ნაწილაკია, ტალღა კი – ტალღა. როგორ შეიძლება ნაწილაკი ტალღად იქცეს? ამ დროს რამაც შეიძლება თავში ადამიანს გაუელვოს, ისაა, რომ რაც ნაწილაკი ეგონა, სინამდვილეში ტალღაა. ეს დაახლოებით იგივეა, ვიღაცამ გითხრათ, რომ ქვასა და ზღვის ტალღას ერთნაირი ბუნება აქვს.
დავუბრუნდეთ 1920-იან წლებს. მეცნიერები ცდილობდნენ, ეს უცნაური ტალღური მოქმედება ამოეხსნათ. ზოგიერთი ფიქრობდა, რომ ცალკეული ელექტრონი მოძრაობის დროს ტალღასავით იშლებოდა. ფიზიკოსმა ერვინ შრედინგერმა კი ფორმულაც წარმოადგინა ამოსახსნელად. შრედინგერი ფიქრობდა, რომ ელექტრონები როგორღაც იშლებოდნენ და წარმოადგენდნენ არა წერტილს, არამედ ტალღის მსგავს ფორმას. ბევრი იდეა წამოაყენეს ამის ამოსახსნელად. საბოლოოდ ფიზიკოსმა მაქს ბორნმა შეიმუშავა რევოლუციური მოსაზრება – ეს ტალღა არც ელექტრონი იყო და არც მეცნიერებაში აქამდე ცნობილი რამ, არამედ ალბათობის ტალღა. ნებიმიერ ადგილას ტალღის სიგრძე გამოსახავს მასში ელექტრონის აღმოჩენის ალბათობას. სადაც ტალღა დიდია, პოვნის ალბათობაც მაღალია. შესაბამისად აზრს კარგავს კითხვა „სად არის ელექტრონი ამჟამად?” და მის ნაცვლად ისმება: „თუკი ელექტრონს ძებნას დავუწყებ სივრცის ამ კონკრეტულ მონაკვეთში, რა არის მისი პოვნის ალბათობა?”
როგორი უცნაურიც გინდა ჩანდეს, ეს იდეა ელექტრონების მოძრაობაზე სავსებით მართალია. თუკი გავუშვებთ ერთ ელექტრონს, ვერ ვიწინასწარმეტყველებთ, სად აღმოჩნდება. მაგრამ თუ გამოვიყენებთ შრედინგერის ფორმულას ელექტრონის ალბათობის ტალღის საპოვნელად, მაღალი ალბათობით შეიძლება იმის განსაზღვრა, რომ დიდი რაოდენობით ელექტრონების გაშვების შემთხვევაში გარკვეული პროცენტი აღმოჩნდება ერთ ადგილას, ზოგიც მეორეგან და მესამეგან (მაგალითად 33.1% „აქ”, 7.9% „იქ” და ა.შ.). ეს წინასწარმეტყველებებიც ბევრჯერ გამოიცადა ექსპერიმენტების მეშვეობით. შესაბამისად კვანტური მექანიკის ფორმულები საოცრად ზუსტი და დახვეწილია.
სამყაროში მთელი მატერია შედგება ატომებისა და სუბატომური ნაწილაკებისგან, რომლებსაც მართავს ალბათობა და არა განსაზღვრულობა. ამის აღიარება ბევრი ადამიანისთვის რთულია და წარსულში მათ შორის იყო აინშტაინიც. ის ვერ იჯერებდა, რომ სამყაროს ყველაზე მცირე მასშტაბებში არსებული მოვლენები მოქმედებდნენ შემთხვევითობის პრინციპით – „ღმერთი კამათელს არ თამაშობს!” თუმცა ბევრი სხვა ფიზიკოსი ეთანხმებოდა ამ მოსაზრებას, რადგან კვანტური მექანიკის ტოლობები საშუალებას აძლევდა მათ, ეწინასწარმეტყველათ ატომების გროვისა და პატარა ნაწილაკების ქცევა საოცარი სიზუსტით. მალე კი ამ ტოლობებმა საფუძველი ჩაუყარა სერიოზულ გამოგონებებს – ლაზერებს, ტრანზისტორებს, ინტეგრირებულ მიკროსქემებსა და ელექტრონიკის მთელ დარგს.
კვანტურმა მექანიკამ მოქმედება რომ შეწყვიტოს, გაჩერდება აბსოლუტურად ყველა მექანიზმი. კვანტური მექანიკის დახმარებით ინჟინრები საზღვრავენ ელექტრონების გადაადგილებას, ამზადებენ მიკროსკოპულ გადამრთველებს, კომპიუტერებს, ციფრულ კამერებს, ტელეფონებს და ა.შ. კვანტური მექანიკის გარეშე ცივილიზაცია ვეღარ განვითარდება და ერთ წერტილში გაიყინება.
მიუხედავად მისი ფართო გამოყენებისა, კვანტური მექანიკის საიდუმლოებები ჯერ კიდევ მიუღწეველია და ძალაში რჩება აინშტაინის კითხვები, რომლებიც 1920-30-იან წლებში წამოაყენა. ნილს ბორი თვლიდა, რომ გაზომვა ყველაფერს ცვლის. ნაწილაკზე დაკვირვებამდე ან მის გაზომვამდე მისი თვისებები გაურკვეველია. როგორც ორმაგი ჭუჭრუტანას ექსპერიმენტში ელექტრონები ეკრანზე აღმოჩენამდე შეიძლება თითქმის ყველგან ყოფილიყვნენ, მაგრამ დაკვირვებისას ალბათობა ქრება. ბორის დამოკიდებულების მიხედვით, გაზომვის პროცედურა აიძულებს ნაწილაკს, უარი თქვას ყველა შესაძლო მდებარეობაზე და აირჩიოს ერთი, სადაც მისი პოვნა შესაძლებელია.
რაც შეეხება აინშტაინს, ის სხვა პოზიციაზე იდგა. ის ამბობდა: „მირჩევნია ვიფიქრო, რომ მთვარე ყოველთვის თავის ადგილზეა მაშინაც კი, როცა არ ვუყურებ.” განა სამყარო იმაზეა დამოკიდებული, ჩვენ დავაკვირდებით თუ არა მას? ეს ხომ მართლაც უცნაურია. აინშტაინი ფიქრობდა, რომ კვანტურ თეორიას რაღაც აკლდა – ის, რაც აღწერდა ნაწილაკის თვისებებს, მაგალითად მათ ლოკაციას მაშინ, როცა არავინ უყურებს. თუმცა ამაში მხოლოდ მცირეოდენი ეთანხმებოდა.
აინშტაინის არგუმენტების მიუხედავად ბორი აზრს არ იცვლიდა. მის ფრაზაზე „ღმერთი კამათელს არ თამაშობს” ბორმა უპასუხა: „შეწყვიტე ღმერთისთვის იმის მითითება, რა გააკეთოს”.
1935 წლისთვის აინშტაინი ფიქრობდა, რომ კვანტური მექანიკის აქილევსის ქუსლს მიაგნო. მას „კვანტური დაბრკოლება” ეწოდება. ესაა კვანტურ მექანიკაზე დაფუძნებით გაკეთებული თეორიული წინასწარმეტყველება, რომ ძალიან ახლოს მყოფი ორი ნაწილაკი შეიძლება ერთმანეთში გაიხლართოს და მათი თვისებები გაერთიანდეს. და თუნდაც შემდეგ მათი გაცალკევება მოხდეს საპირისპირო მიმართულებებით, ისინი მაინც ერთმანეთთან დაკავშირებული და ჩახლართული რჩებიან. უკეთ გასაგებად შემოვიტანოთ ელექტრონის ბრუნვა.
ელექტრონის ბრუნვა, როგორც სხვა კვანტური თვისებები, ბუნდოვანი და გაურკვეველია, სანამ მას არ გაზომავთ. გაზომვის დროს კი აღმოაჩენთ, რომ ის ან საათის მიმართულებით ბრუნავს, ან საწინააღმდეგოდ. წარმოვიდგინოთ ორი მბრუნავი ბრტყელი ბორბალი, რომლებიც წითელ და ლურჯ ზოლებადაა შეღებილი. გაჩერებისას ისართან ან ლურჯი ზოლი იქნება, ან წითელი. თუკი ბორბლები იმ ორი გადახლართული ელექტრონივით მოიქცევიან, მაშინ ყოველთვის, როცა ერთი გაჩერდება წითელზე, მეორე აუცილებლად ლურჯზე გაჩერდება და პირიქით. მაგრამ ბორბლები ერთმანეთთან დაკავშირებული არ არიან და ასეთი შედეგი საეჭვოა.
კვანტური მექანიკა ნილს ბორისა და მისი კოლეგების დახმარებით უფრო შორს წავიდა. მათ იწინასწარმეტყველეს, რომ თუკი წყვილიდან ერთ-ერთი ელექტრონი ძალიან დაშორდებოდა მეორეს, შედეგი მაინც იგივე იქნებოდა. ანუ თუკი ერთ ბორბალს დედამიწაზე მოათავსებთ და მეორეს მთვარეზე, პირველის წითელზე გაჩერება მეორეზე ლურჯს უზრუნველყოფს. ასევე, როდესაც ვზომავთ ერთ ნაწილაკს, ჩვენ გავლენას ვახდენთ არამარტო მასზე, არამედ მის მეწყვილეზეც და მათ შორის დისტანციას მნიშვნელობა არ აქვს. აინშტაინისთვის ეს ყველაფერი იმდენად შეუსაბამო ჩანდა, რომ ასეთ ნაწილაკებს „მოჩვენებები” უწოდა. როგორ შეიძლება ერთ ნაწილაკზე ზემოქმედებით შეცვალო მეორე, როცა მათ თითქოს კავშირი არ გააჩნიათ?
აინშტაინი არ უარყოფდა, რომ გადახლართული ნაწილაკების არსებობა შესაძლებელი იყო, მაგრამ ფიქრობდა, რომ უფრო მარტივი ახსნა არსებობდა. ასეთი ნაწილაკები ხელთათმანის წყვილივით იყვნენ – წარმოვიდგინოთ, რომ ვაცალკევებთ ხელთათმანებს და ვათავსებთ კეისებში. ერთი თქვენთან მოდის, მეორე – ანტარქტიდაზე. კეისში ჩახედვამდე თქვენ არ იცით, მასში მარჯვენა ხელთათმანია თუ მარცხენა. ხსნით და პოულობთ მარცხენას და იმავდროულად იცით, რომ ანტარქტიდაზე მდებარე კეისში აუცილებლად მარჯვენაა, გინდაც შიგნით არავინ ჩაიხედოს. ამაში არაფერია გასაოცარი. აინშტაინი თვლიდა, რომ ნაწილაკების შემთხვევაშიც იგივე ხდებოდა. როგორ კონფიგურაციაშიც გინდა იყვნენ ელექტრონები, დაშორებისთანავე ისინი განსაზღვრული არიან.
ვინ იყო მართალი – ბორი, რომელიც მიიჩნევდა, რომ ელექტრონები ბორბლების მსგავსად შემთხვევით შედეგებს აჩვენებდნენ დიდ მანძილზეც კი, თუ აინშტაინი, რომელიც ამბობდა, რომ არ არსებობს მოჩვენებისებრი კავშირი, არამედ ყველაფერი განსაზღვრულია მანამდე, სანამ დავაკვირდებით? აინშტაინის მიხედვით, ელექტრონის ბრუნვა განსაზღვრულია მანამდეც, სანამ მოხდება დაკვირვება. მაგრამ როგორ უნდა გაირკვეს ეს? აინშტაინი ამბობდა, რომ რადგან ვადგენთ ბრუნვას, ესეიგი მანამდეც ისევე ხდება, ბორი კი ეწინააღმდეგებოდა, რომ კონკრეტიკა მხოლოდ დაკვირვების შედეგია.
პრობლემის გადაჭრის გზა არავინ იცოდა, ამიტომ მალე ეს საკითხი ფილოსოფიის სფეროდ იქცა და არა მეცნიერების. 1955 წელს აინშტაინი გარდაიცვალა და სიკვდილის წინაც სჯეროდა, რომ კვანტური მექანიკა საუკეთესო შემთხვევაში გვთავაზობდა რეალობის არასრულ სურათს.
1967 წელს კოლუმბიის უნივერსიტეტში იტვირთეს აინშტაინის მისია – კვანტური მექანიკის გამოწვევა. ჯონ კლაუზერი ემზადებოდა ასტროფიზიკაში მეცნიერული ხარისხის ასაღებად. ერთადერთი რამ, რაც ხელს უშლიდა, იყო მისი შედეგები კვანტურ მექანიკაში. როგორც თავად აღიარებს, მას არც ისე კარგად ესმოდა ეს დარგი და შესწავლისას დაინტერესდა, მართალი იყო თუ არა აინშტაინი. ნაკლებად ცნობილი ირლანდიელი ფიზიკოსის, ჯონ ბელის ნაშრომის კითხვისას აღმოაჩინა, რომ მას ეპოვა გასაღები აინშტაინ-ბორის კონფლიქტის გადასაწყვეტად. ბელს აღმოჩენილი ჰქონდა ის გზა, რომლითაც იტყოდნენ, როგორი კომუნიკაცია ჰქონდათ ერთმანეთთან ნაწილაკებს – ბორბლების თუ ხელთათმანების მსგავსი. მათემატიკური გზით კი აჩვენა, რომ თუკი ნაწილაკებს შორის კავშირი არ არსებობდა, კვანტური მექანიკა არასრულყოფილი კი არა, მცდარი იქნებოდა.
ბელი თეორეტიკოსი იყო, მაგრამ მისი ნაშრომი აჩვენებდა, რომ საკითხის გადაწყვეტა შეიძლებოდა ისეთი მექანიზმის აგებით, რომელიც შექმნიდა მრავალ ჩახლართულ წყვილს და შეადარებდა ერთმანეთს. ეს თემა ფილოსოფია ვეღარ იქნებოდა, რადგან თავისუფლად შეიძლებოდა მისი ექსპერიმენტით გადაწყვეტა. კლაუზერმა ამ მექანიზმის აგება გადაწყვიტა. მისი მეშვეობით გაზომავდა ათასობით წყვილს და ერთმანეთს შეადარებდა. შედეგების ანალიზისას კლაუზერი გაოცებული იყო, თუმცა არც ისე ბედნიერი. იმის ფიქრში, რომ სადღაც შეცდომა დაუშვა, ექსპერიმენტებს იმეორებდა, რაშიც მალე მიბაძა ფრანგმა ფიზიკოსმა ალან ასპემ. ორივე ერთ შედეგამდე მიდიოდა და ეს შედეგები გასაოცარი იყო. ისინი ამტკიცებენ, რომ კვანტური მექანიკის მათემატიკა სწორია, ნაწილაკების გადახლართვა კი – რეალური. კვანტური ნაწილაკები შეიძლება დაკავშირებული იყვნენ შორეულ დისტანციებზეც კი. ერთი ნაწილაკის გაზომვამ ნამდვილად შეიძლება იმავდროულად მოახდინოს მეორეზე გავლენა, თითქოს მათ შორის სივრცე არც კი არსებობს. ის, რასაც აინშტაინი ვერ წარმოიდგენდა – მოჩვენების მსგავსი ურთიერთქმედება დისტანციაზე – რეალურად ხდება.
თუკი ვაღიარებთ, რომ სამყარო მართლაც ასეთი უცნაურია, შევძლებთ თუ არა ოდესმე ნაწილაკების ამ თვისების ჩვენ სასარგებლოდ გამოყენებას? ერთ-ერთი ოცნება, რომელიც კაცობრიობას დიდი ხანია აქვს, არის ტელეპორტაცია – სივრცის ერთი წერტილიდან მეორეში გადაადგილება ფიზიკური მოძრაობის გარეშე. საბედნიეროდ ექსპერიმენტები უკვე ხორციელდება კანარის კუნძულებზე. ადამიანის ტელეპორტაცია ჯერ, ცხადია, შორეული მომავლის საქმეა, მაგრამ მკვლევარები აქტიურად მუშაობენ პატარა ნაწილაკების, უმეტესწილად სინათლის შემადგენელი ფოტონის, გადაადგილებაზე.
ლა-პალმას კუნძულზე მდებარე ლაბორატორიაში ექსპერიმენტი იწყება ფოტონების წყვილის გადახლართვით. ერთი მათგანი ლა-პალმაზე რჩება, მეორეს კი აგზავნიან 143 კმ-ის მოშორებით, ტენერიფეს კუნძულზე. ამის შემდეგ საქმეში ერთვება მესამე ფოტონი, რომლის ტელეპორტაციაც უნდა მოხდეს. ის ურთიერთობაში შედის ლა-პალმაზე არსებულ ფოტონთან, ჯგუფი კი შეისწავლის ურთიერთქმედებას და ადარებს ორი ნაწილაკის კვანტურ მდგომარეობას. საოცრება სწორედ აქ იწყება: ამ შედარების საფუძველზე შესაძლებელი ხდება სხვა კუნძულზე მყოფი ნაწილაკის გარდაქმნა მესამე ფოტონის ზუსტ ასლად. თითქოს მესამე ფოტონის ტელეპორტაცია მოხდა ზღვის იქით, კუნძულებს შორის არსებული სივრცის გაუვლელად. თავდაპირველი ფოტონიდან ხდება ინფორმაციის ამოკრება და შემდეგ ანალოგიურის სხვაგან გაჩენა. ამ ტექნიკის გამოყენებით წარმატებულად განხორციელდა ათობით ნაწილაკის ტელეპორტაცია. მაგრამ შესაძლებელია თუ არა უფრო შორს წასვლა? რადგან ჩვენც ნაწილაკებისგან შევდგებით, შეიძლება ამ პროცესმა ერთ დღეს ადამიანის ტელეპორტაციაც მოახდინოს?
წარმოიდგინეთ, რომ გსურთ პარიზში ისადილოთ. თეორიულად, პარიზში აღმოჩენა ძალიან სწრაფად შეიძლება. ამისთვის საჭირო იქნება თქვენს ოთახში განთავსებული ნაწილაკების კამერა, რომელიც გადახლართულ მდგომარეობაში იქნება პარიზში მდებარე ნაწილაკების კამერასთან. თქვენ შედიხართ კამერაში, რომელიც სკანერივით მოქმედებს და იღებს ინფორმაციას თქვენი სხეულის ნაწილაკებზე. იმავდროულად ხდება მეორე კამერაში არსებული ნაწილაკების სკანირება და იქმნება სია, რომელშიც ერთმანეთს ედრება ნაწილაკების ორი წყების კვანტური მდგომარეობები. შემდეგ ხდება მონაცემების გამოყენება და თქვენი სხეულის ნაწილაკების აბსოლუტური სიზუსტით გადატანა პარიზის კამერაში, რის შემდეგაც თქვენი ახალი „მე” იქმნება. ნაწილაკებს არ უმოგზაურიათ თქვენი სახლიდან პარიზისკენ, არამედ მოხდა თქვენი კვანტური მდგომარეობის სრული რეკონსტრუქცია, ბოლო ნაწილაკის ჩათვლით. თქვენს სახლში მდებარე „მე” კი პროცესში ნადგურდება, რადგან ეს კვანტური ტელეპორტაციის პროტოკოლის შემადგენელი კანონია.
ადამიანის ტელეპორტაციისგან ჯერჯერობით შორს ვართ, თუმცა მისი შესაძლებლობა აჩენს კითხვას: არის თუ არა პარიზში გაჩენილი ადამიანი იგივე თქვენ? სხვაობა ნულოვანი იქნება, რადგან კვანტური მექანიკის მიხედვით, თქვენი უნიკალურობა განისაზღვრება არა ნაწილაკებით, არამედ იმ ინფორმაციით, რომელსაც ეს ნაწილაკები შეიცავენ. ეს ინფორმაცია კი სრული სიზუსტით გადაიცემა. ახალ „მეს” ყველა ის თვისება აქვს, რაც თავდაპირველ ობიექტს.
მიუხედავად იმისა, ადამიანის ტელეპორტაცია გახდება თუ არა ოდესმე რეალური, კვანტური მექანიკის ბუნდოვან ალბათობას შეიძლება სხვა პრაქტიკული გამოყენებაც ჰქონდეს. მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიის ინსტიტუტში სეთ ლოიდი ერთ-ერთია იმ მრავალი მკვლევარიდან, რომლებიც ცდილობენ, კვანტური მექანიკა ახალი გზებით გამოიყენონ. ლოიდის შემთხვევაში ეს კვანტური კომპიუტერის შექმნაა. ის არაფრით ჰგავს თქვენთვის ცნობილ ლეპტოპებს, მაგრამ მის გულში იგივე ენას შეხვდებით: ბინარულ კოდს. კომპიუტერული ენა, რომელიც გამოიხატება 0-ით ან 1-ით, იგივე ბიტებით. კვანტური კომპიუტერი ინფორმაციას ჰყოფს ბიტებად, მაგრამ განსხვავებით ჩვეულებრივი კომპიუტერებისგან, კვანტური ბიტი (კუბიტი) გაცილებით მოქნილია.
სტანდარტულ შემთხვევაში ერთ ადგილას მდებარე ბიტი 1-ია, სხვაგან მდებარე კი – 0. მაგრამ თუკი ბიტი ერთდროულად ორ ადგილასაა და ორივე მნიშვნელობას იღებს, ეს უკვე კუბიტია. აქედან გამომდინარე, კუბიტს რამდენიმე დავალების შესრულება შეუძლია. ეს შესაძლებელს ხდის გამოთვლების ისეთი ფორმით წარმოებას, რომელიც ვერც კი წარმოგვედგინა. თეორიულად, კვანტური ბიტი შეიძლება შედგებოდეს ნებისმიერი რამისგან, რომელიც კვანტურად მოქმედებს, მაგალითად ელექტრონი ან ატომი. კუბიტები ნანოტექნოლოგიით შექმნილი ერთეულებია, რომლებსაც შეუძლიათ ერთდროულად ორი მიმართულებით მოძრაობა. რადგანაც კვანტური ბიტი ასეთი ძლიერია დავალებების შესრულებაში, საჭიროა ამოიხსნას, როგორაა შესაძლებელი მათი თავმოყრა და დავალებაზე ერთდროული მუშაობა. ამის შემდეგ ჩვენი კომპიუტერების შესაძლებლობები უსწრაფესად გაიზრდება.
იმის უკეთ გააზრებისთვის, თუ რატომ იქნება კვანტური კომპიუტერი ასეთი ძლიერი, წარმოიდგინეთ, რომ ლაბირინთში ხართ. თქვენი სურვილი იქნება, გამოსასვლელი გზა რაც შეიძლება მალე იპოვოთ. მაგრამ პრობლემა იმაშია, რომ მოქმედების უამრავი ვარიანტი არსებობს და ერთ ჯერზე მხოლოდ ერთი მათგანი შეგიძლიათ ცადოთ. ეს იმას ნიშნავს, რომ ბევრჯერ მოხვდებით ჩიხში, ხშირად ბრმად მოგიწევთ სიარული და ბევრ არასწორ სვლას გააკეთებთ, სანამ არ გაგიმართლებთ და გასასვლელს არ იპოვით. სწორედ ასე მოქმედებენ დღევანდელი კომპიუტერები პრობლემის გადაჭრისას. მიუხედავად იმისა, რომ სწრაფები არიან, ერთდროულად მხოლოდ ერთ დავალებას ართმევენ თავს.
სიტუაცია შეიცვლება, თუკი ლაბირინთიდან თავის დასაღწევ ყველა გზას ერთდროულად ცდით. ეს კვანტური კომპიუტერის მოქმედების პრინციპია. რადგანაც ნაწილაკებს შეუძლიათ ერთდროულად ბევრ ადგილას ყოფნა, კომპიუტერი ბევრ დავალებას ერთმანეთის პარალელურად გაართმევს თავს და სწორ პასუხს მომენტალურად იპოვის. მაგრამ ლაბირინთს ბილიკების და შესაბამისად, სამოძრაო ვარიანტების შეზღუდული რაოდენობა გააჩნია. ამიტომ წარმოიდგინეთ ისეთი პრობლემა, რომელიც მილიონობით ან მილიარდობით ცვლადს შეიცავს, როგორიცაა მაგალითად ამინდის წინასწარმეტყველება დროის ხანგრძლივ პერიოდში. შესაძლებელი იქნება ტორნადოებისა და მიწისძვრების წინასწარმეტყველება, რაც დღეს შეუძლებელი ჩანს. კვანტური კომპიუტერი კი საქმეს რამდენიმე ასეული ატომის დახმარებით გაართმევს თავს. მისი ტვინი ქვიშის მარცვალზე პატარა იქნება, შესაძლებლობები კი – საოცარი.
ორი აზრი არაა იმაზე, რომ კვანტური მექანიკის სიკეთეების ათვისებაში თანდათან წინ მივიწევთ და ვინ იცის, სად შეიძლება ამან მიგვიყვანოს? თუმცა ისიც არ უნდა დაგვავიწყდეს, რომ ამ თეორიას ისევ გააჩნია ინფორმაციული ნაპრალი – სად ქრება ის უცნაურობები, რომლებიც ატომურ დონეზე ხდება? რატომაა, რომ კვანტურ სამყაროში ობიექტები კონკრეტულ მდგომარეობაში არ იმყოფებიან, მაგრამ ადამიანები, რომლებიც ნაწილაკებისგან შევდგებით, მუდმივად ერთ კონკრეტულ მდგომარეობაში ვართ? ჩვენ ან ერთ ადგილას ვართ, ან მეორეგან და არა ორივეგან ერთდროულად. ნილს ბორმა ხელმოსაჭიდი ახსნა ვერ შემოგვთავაზა იმაზე, თუ რატომ ქრება კვანტური უცნაურობა მაკროსკოპულ დონეზე. მიუხედავად იმისა, რომ მისი ძალა და სიზუსტე უკვე დამტკიცებულია, მეცნიერები ჯერ კიდევ იკვლევენ კვანტურ მექანიკას და ამ დილემის ამოხსნას ცდილობენ.
მეცნიერთა ნაწილი თვლის, რომ კვანტურ ფორმულებს რაღაც დეტალი აკლია და ეს ქმნის ინფორმაციულ ხარვეზს. მიუხედავად კვანტურ სამყაროში არსებული მრავალი შესაძლო ვარიანტისა, დიდი ზომის ობიექტებში ერთის გარდა ყველა მათგანი ქრება და იძლევა ერთ კონკრეტულ შედეგს. სხვა ფიზიკოსები თვლიან, რომ შესაძლებლობები სულაც არ ქრებიან, არამედ ყველა მათგანი ხორციელდება, უბრალოდ მათ უმეტესობას ადგილი აქვს პარალელურ სამყაროებში. ეს თავბრუდამხვევი იდეაა – რეალობა შეიძლება გაცდეს იმ ერთ სამყაროს, რომელსაც ჩვენ ვიცნობთ და მუდმივად ქმნიდეს ახალ, ალტერნატიულ სამყაროებს, სადაც ყველა დანარჩენი შესაძლებლობა ხორციელდება.
ფაქტია, რომ რეალობა გაცილებით უფრო დიდებულია, ვიდრე გვეგონა, უფრო მეტად უცნაური და იდუმალი. მეცნიერების სილამაზე ისაა, რომ ის გვანახებს სამყაროს იმ ფორმით, რომელსაც ოცნებებშიც ვერ წარმოვიდგენდით. კვანტური მექანიკა ამის ნათელი მაგალითია. მისი შესწავლის შემდეგ სამყაროს ძველებურად აღარასდროს შეხედავთ. როგორი უცნაურიც გინდა ჩანდეს ის, ნათელია, რომ არ არსებობს რეალური ზღვარი უმცირეს და დიდ სამყაროებს შორის. ამის ნაცვლად კანონები ყველგან მოქმედებს, მათგან ყველაზე უცნაურების შემჩნევა მხოლოდ უმცირეს მასშტაბებშია შესაძლებელი.
ასე რომ კვანტური მექანიკის აღმოჩენამ დაგვანახა რეალობა, ჩვენი რეალობა, რომელიც ერთდროულად შოკისმომგვრელიცაა და მიმზიდველიც, რამაც კიდევ უფრო დაგვაახლოვა სამყაროს საიდუმლოებების ამოხსნასა და მის სრულ შეცნობასთან.
მომზადებულია ბრაიან გრინის დოკუმენტური ფილმის „კვანტური ნახტომის” მიხედვით
