Rozpadá sa kauzálna súvislosť? Nový výskum v kvantovej fyzike

Predstavte si, že prehodíte spínač a žiarovka sa zapáli. Toto je základný príklad kauzálnej súvislosti – príčina prichádza pred následkom. Ale čo ak vám povedia, že v kvantovom svete táto jednoduchá pravda neplatí? Nový výskum naznačuje, že kauzálna súvislosť, tak ako ju poznáme, by mohla byť len ilúziou, najmä pokiaľ ide o vzťah medzi kvantovou mechanikou a gravitáciou. V tomto článku sa pozrieme na to, čo fyzici zistili a prečo je toto zistenie také revolučné.

Kľúčové poznatky

• Kauzálna súvislosť v ohrození: Nový výskum naznačuje, že kauzálna súvislosť – myšlienka, že príčina vždy predchádza následku – môže byť narušená na kvantovej úrovni.
• Gravitácia a kvantová mechanika: Problém sa objavuje pri pokuse o kombináciu Einsteinovej teórie gravitácie (ako je čas a priestor ovplyvnený hmotou) s kvantovou mechanikou, ktorá opisuje správanie častíc na najmenšej úrovni.
• Indefinitná kauzálna súvislosť: Experimenty ukazujú, že v určitých situáciách je nemožné určiť, čo sa stalo skôr – príčina alebo následok.
• Dôsledky pre kvantovú teóriu gravitácie: Ak chceme vytvoriť kvantovú teóriu gravitácie (čo je jeden z najväčších cieľov modernej fyziky), musíme sa s touto narušenou kauzálnou súvislosťou vyrovnať.

Kvantové prekvapenia: Čas a priestor v novom svetle

V bežnom živote je poriadok vecí jasný. Ak stlačíte tlačidlo, žiarovka sa zapáli. Ale kvantový svet funguje podľa iných pravidiel. Predstavte si fotón – časticu svetla – prechádzajúcu cez rozdeľovač lúča. Tento rozdeľovač lúča ju rozdelí na dve možnosti: buď pôjde jednou cestou, alebo druhou. V kvantovom svete sa však fotón nachádza v tzv. superpozícii – je súčasne oboma cestami naraz!

Keď potom použijeme dva zariadenia, ktoré zmenia polarizáciu tohto fotónu (predstavte si to ako otočenie jeho smeru), poriadok operácií začína byť nejasný. Ak sa tieto operácie vykonajú v rôznom poradí na oboch cestách, výsledok je iný. A čo je najzaujímavejšie: experimenty potvrdili, že niekedy je nemožné zistiť, ktorý postup nastal skôr!

Gravitácia vstupuje do hry

Táto nejasnosť sa zdá byť len zvláštnosťou kvantovej mechaniky, ale čo ak ju zapojíme do teórie gravitácie? Einstein nám ukázal, že hmota a energia deformujú priestor a čas. Svetlo sa pohybuje po zakrivených cestách vplyvom tejto deformácie. Ak by sme mali dvojicu častíc v superpozícii (súčasne na dvoch miestach) a svetlo prechádzalo okolo nich, smer svetla by sa mohol ohnúť rôznymi spôsobmi v závislosti od toho, kde sa tieto častice nachádzajú.

A tu nastáva problém: ak by sme mohli vytvoriť situáciu, kedy by svetlo prešlo okolo oboch častíc súčasne, nebolo by možné určiť, ktorý fotón dorazil skôr! To znamená, že kauzálna súvislosť – základný kameň nášho chápania sveta – by sa rozpadla.

Prečo je to dôležité?

Tento výskum naznačuje, že ak chceme vytvoriť teóriu, ktorá kombinuje kvantovú mechaniku a gravitáciu (tzv. teória všetkého), musíme sa vyrovnať s týmto narušením kauzálnej súvislosti. Ak by sme chceli zachovať kauzálnu súvislosť, znamenalo by to, že gravitácia nemôže byť kvantovaná – teda popísaná pomocou pravidiel kvantovej mechaniky.

Je to fascinujúca myšlienka, ktorá otvára nové otázky o podstate priestoru, času a reality samej. Možno sa musíme vzdať nášho intuitívneho chápania kauzality, aby sme pochopili skutočnú povahu vesmíru.

Odporúčania a úvahy

Tento výskum je len začiatkom. Je potrebné preskúmať ďalšie experimenty a teoretické modely, aby sme lepšie porozumeli tomu, čo sa deje na kvantovej úrovni. Možno budeme musieť prehodnotiť naše základné predpoklady o priestore, čase a kauzálnej súvislosti.

Je to vzrušujúca doba pre fyziku! A hoci je téma zložitá, ukazuje nám, že vesmír má stále čo odhaliť.

Referencie

• Paper: https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.111.052211

Približne 115 gCO₂ bolo uvoľnených do atmosféry a na chladenie sa spotrebovalo 0.58 l vody za účelom vygenerovania tohoto článku.