Sadan vuoden yhtenäisyys
Kvanttimekaniikka täyttää sata vuotta. Vuonna 1925 Werner Heisenberg, Max Born, ja Pascual Jordan löysivät kvanttimekaniikan koko teorian. Seuraavana vuonna Erwin Schrödinger löysi nykyään hänen nimeään kantavan yhtälön, joka kertoo miten kvanttimekaaniset systeemit kehittyvät. Schrödinger osoitti nopeasti, että hänen yhtälönsä on vain toinen tapa kuvata samaa teoriaa kuin Heisenbergin ja kumpp. muotoilu.
Kvanttimekaniikasta kehittynyt kvanttikenttäteoria on yksi kahdesta tällä hetkellä perustavanlaatuisesta teoriasta. Se kuvaa ainetta ja vuorovaikutuksia, gravitaatiota lukuun ottamatta. Toinen perustavanlaatuinen teoria, yleinen suhteellisuusteoria, kuvaa aika-avaruutta ja gravitaatiota.
Kvanttifysiikka ja suhteellisuusteoria molemmat löydettiin ratkaisuina klassisen fysiikan sisäisiin ongelmiin ja ristiriitoihin havaintojen kanssa, joita kertyi 1800-loppupuolelta alkaen yhä enemmän.
Yleinen suhteellisuusteoria, ja sen edeltäjä suppea suhteellisuusteoria, löydettiin pääasiassa matemaattisen päättelyn kautta: havainnoilla oli vain pieni osuus. Suppea ja yleinen suhteellisuusteoria saatiin myös jokseenkin valmiiksi kerralla, niiden sisältöä ei ole nykypäivään mennessä juuri muutettu. Kvanttimekaniikka ja kvanttikenttäteoria (joka yhdistää kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian) sen sijaan löydettiin pala palalta tiiviissä vuorovaikutuksessa havaintojen kanssa.
Ja siinä missä yleisen suhteellisuusteorian ainoa sovellus on GPS-paikannus, lähes kaikki nykyteknologia pohjaa kvanttifysiikkaan. Klassisesta fysiikasta ponnistava höyrykone oli keskeinen teollisessa vallankumouksessa, joka mullisti maailmaa 1700-luvulta alkaen, ja sähkö määritteli 1800-lukua ja 1900-luvun alkupuolta; samalla tapaa kvanttifysiikka määritti suurimman osan 1900-luvusta.
Teknologinen kehitys on yhteiskunnallisten muutosten veturi, ja on vaikea yliarvioida elektroniikan, digitalisaation, tietokoneiden, tietoverkkojen, ja muiden kvanttimekaniikan hedelmien merkitystä yhteiskunnalle. Yhtä lailla kvanttimekaniikka on mullistanut käsityksemme todellisuudesta. Itse asiassa kvanttimekaniikan paljastama kuva maailmasta on niin vieras arkiajattelullemme, että ilman matematiikkaa on vaikea selittää mistä siinä on kyse.
Kvanttimekaniikan ytimessä on se, että maailmankaikkeus on epämääräinen ja epädeterministinen.
Epämääräisyys tarkoittaa sitä, että yleensä maailman tila ei ole määrätty: hiukkasilla ei ole yhtä tiettyä paikkaa, vain todennäköisyys olla tietyssä paikassa, eivätkä kissat ole elossa tai kuolleita, vaan sekoituksessa näitä mahdollisuuksia.
Epädeterminismi tarkoittaa sitä, että kun tila muuttuu epämääräisestä määrätyksi, niin on sattumanvaraista mikä vaihtoehto valikoituu. Tulevaisuutta ei voi ennustaa, ainoastaan eri vaihtoehtojen todennäköisyydet. Sitä miten tila määräytyy ei tiedetä, ja tämä on kvanttifysiikan suuri ratkaisematon ongelma.
Lisäksi kvanttimekaniikalle keskeistä on se, että maailma on epälokaali. Tämä tarkoittaa sitä, että yleisesti ottaen systeemin yhtä palaa ei voi kuvata erillisenä, vaan systeemiä pitää tarkastella yhtenä kokonaisuutta. Ehkä selvemmin sanoen, paikallisten havaintojen todennäköisyydet voivat riippua siitä, mitä hyvin kaukana tapahtuu.
Klassisessa fysiikassa (ja arkiajattelussa) kappaleilla on aina määrätyt ominaisuudet, eivätkä mittausten tulokset riipu siitä mitä tapahtuu hyvin kaukana. Tätä kutsutaan klassiseksi realismiksi.
John Bell esitti vuonna 1964 tavan kokeellisesti tarkistaa, onko maailma klassisen realistinen. Vuoden 2022 Nobelin palkinto fysiikasta myönnettiin sen osoittamisesta, että maailma rikkoo klassista realismia kvanttimekaniikan ennustamalla tavalla, sekä tämän seikan hyödyntämisestä kvantti-informaatioteoriassa, mihin esimerkiksi suuressa huudossa oleva kvanttilaskenta perustuu.
Nobelilla palkittu työ perustui matalan energian laboratoriokokeisiin, missä on tutkittu esimerkiksi valon polarisaatiota. Viime viikolla Emidio Gabrielli Triesten yliopistosta ja INFN-tutkimusinstituutista Italiasta sekä NICPB-instituutista Tallinnasta puhui Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarisarjassa siitä, miten klassista realismia on alettu testata myös valtavan paljon korkeammilla energioilla hiukkaskiihdyttimillä.
Kvanttikenttäteoriaan pohjaavan hiukkasfysiikan lait ovat kaukana klassisesta fysiikasta, mutta kiihdytinkokeissa ei pitkään juuri mietitty epälokaalisuutta, vaan keskityttiin uusien hiukkasten ja vuorovaikutusten etsimiseen. Viime vuosina on kuitenkin muodostunut noin sadan tutkijan yhteisö, joka soveltaa kvantti-informaatioteorian menetelmiä hiukkastörmäyksiin.
Kun vaikkapa Higgsin hiukkanen hajoaa kahdeksi fotoniksi, niin fotonien tilat ovat kvanttifysiikan mukaan sidoksissa toisiinsa, ja yhden mittaaminen vaikuttaa toisen tilaan. Kvanttimekaniikan mukaan fotonin värähtely on kahden eri tilan sekoituksessa, mikä on malliesimerkki kvantti-informaatioteorian peruspalikasta, qubitista, joka yleistää klassisen fysiikan kyllä-tai-ei-vaihtoehdot kvanttimekaanisen epämääräisiksi.
Hiukkaskiihdyttimissä on paljon eri mahdollisuuksia: esimerkiksi Z-bosonien polarisaatiolla on kahden sijaan kolme mahdollisuutta: tällainen kolmen mahdollisuuden kvanttimekaaninen sekoitus tunnetaan nimellä qutrit.
Klassisen realismin testaaminen hiukkaskiihdyttimillä on ilmaista mitä kokeisiin tulee. Analyysejä varten ei tarvitse tehdä erillisiä mittauksia, kaiken voi lukea datasta, jota kerätään joka tapauksessa muihin tarkoituksiin. Kiihdyttimissä kvanttimekaniikan periaatteita on nyt luodattu energioilla, jotka ovat miljardeja kertoja korkeampia kuin laboratoriokokeissa, ja joissa on mukana sellaisia vuorovaikutuksia (kuten värivuorovaikutus), joiden vaikutusta ei voi nähdä perinteisissä laboratoriolaitteissa. Vähän samaan tapaan viime aikoina on ruvettu testaamaan klassista realismia kosmologiassa, kosmisella mikroaaltotaustalla.
Kokeet jatkuvat, mutta toistaiseksi teoria ja havainnot ovat pitäneet yhtä. Vaikka kvanttimekaniikka on arkijärjelle vieras, se on ennustanut kaiken (mikä ei kuulu yleisen suhteellisuusteorian tontille) tarkalleen oikein jo sata vuotta.