Universumi väikseimad ja suurimad struktuurid põimuvad
Kui olete millegipärast sattunud teie jaoks sobimatule kontserdile, teatrietendusele või vastuvõtule, küllap olete siis mõtelnud: miks ma ometi siin olen? Ja küllap pole te sellele õiget vastust leidnud. Kuid ei tasu muretseda. Maailm on ehitatud nõnda, et ka kõige targemad teadlased jäävad selle seletamisega lõppude lõpuks jänni. Küsimus sellest, miks inimene on olemas just siin ja praegu, pole ammugi mitte teoloogiline, metafüüsikaline ega filosoofiline.
Selle üle mõtlevad nii need, kes uurivad suurimaid inimesele teada olevaid struktuure, ehk astronoomid kui ka need, kes püüavad kõige pisemate objektide, s.t algosakeste maailma saladusi, ehk kvantfüüsikud.
Juuli alul Londonis toimunud teadusajakirjanike maailmakongressil oli kutsutud ühte töötuppa kõige üldisemate probleemide üle vaidlema maailma juhtivaid astronoome ja kvantfüüsikuid. Neid kuulates tekkis tunne, et need kaks teadlaste seltskonda, kes ju esmapilgul uurivad nõnda erinevaid süsteeme, tegelevad mõnes mõttes ühe ja sama probleemiga.
Põimunud maailm
Üks kvantmaailma suuremaid vaidlusi põhjustanud omadusi on osakeste põimumine. Lihtsustatult öeldes tuleb kvantteooriast välja, et kaks algosakest, mis on juba kord omavahel suhelnud, jäävad kuidagiviisi üksteise poolt mõjutatuks ka üksteisest eemal olles, nõnda et mõõtes ühe osakese seisundit mõjutab mõõtmine ka teist kaugemal asuvat osakest. Selline nn mittelokaalsus tekitas hämmingut isegi Albert Einsteinis, kes arvas, et kas ei ole kvantmehaanika õige või esineb põimumine siiski. „Ei Einstein ega Niels Bohr arvanud, et selle vastuolu võib lahendada eksperiment,” selgitas Londonis prantsuse füüsik Alain Aspect, Pariisi École Polytechnique’i professor. Tema lahendas selle probleemi katseliselt, ehitades 1980. aastatel katseseadme, millega sai mõõta, kas kaks footonit jäävad omavahel seotuks ka siis, kui nad lahku lendavad. Selgus, et jäävad ja et kvantsündmus, mis toimub ühes paigas, võib mõjutada sündmust teises paigas ilma mingi ilmse suhtlemismehhanismita nende kahe paiga vahel.
Sellest, et kaks valgusosakest ja koguni molekuli justkui mäletavad teineteise olemasolu ka siis, kui on liikunud teineteisest kilomeetrite kaugusele, ei olegi tavamaailma terminites võimalik aru saada. Peame leppima, et kvantmaailm on meeltega tajutavast makromaailmast nõnda erinev, et tavamaailmast toodud näidetega ei ole võimalik kvant-sündmusi illustreerida. „Tavaline klassikaline maailm ei hooli vaatlejast, kuid kvantosakestel pole ilma vaatlejata omadusi,” kommenteeris Viini ülikooli professor Anton Zeilinger.
Ent kvantmaailm on lummav ja ta on võimaldanud meile transistori, arvuti ja mobiilimaailma. Nüüd loodetakse sellelt uusi, veelgi kiiremaid ja võimsamaid arvuteid – kvantarvuteid. Selleks et need ehitada, tuleb aga õppida kontrollima kvantsüsteeme. Kvantarvuti simuleerib aatomeid ja eelkõige arvatakse sellel olevat rakendust krüptograafias – näiteks pankades või riigiasutustes informatsiooni turvamisel. „Kuid selleks peame me kaitsma kvantsüs-teemi keskkonna eest, mis viib selle oma seisundist juhuslikku olekusse,” ütles Aspect. „Võib-olla leiduvad olekud, mis ei ole nii kaitsetud,” avaldas ta lootust ja visandas võimaluse, et kui tavaarvuti parandab vigu, võiks ka kvantvigade parandamiseks leiduda oma mehhanism.
Kvantarvuteid ihkab ka kosmoloogia, mis maadleb üha suuremate infohulkade töötlemisega. Kuigi astrofüüsika tegeleb hiiglaslike galaktikate ja mustade aukude uurimisega, vaatavad astronoomid tegelikult üha kaugemale universumi minevikku, tahtes tabada aega, mil ei olnudki algosakesi. Ning püüda ennustada, kas või kuidas universum kord lõpeb. „Universum on ka vähima energia paik ja labor, sest tühi ruum ei ole nullenergiaga,” ütles Cambridge’i Perimeteri teoreetilise füüsika instituudi direktor Neil Turok. Tulevikus kauged tuled kustuvad ja taustkiirgus kaob, kuid mis siis alles jääb? „Tühjal ruumil on keeruline struktuur ja on põhjust arvata, et universum on palju suurem, kui me näeme,” arvas Briti kuningliku ühingu president, maailmakuulus astrofüüsik ja kosmoloog Martin Rees. Tema arvates on tume-aine otsimine ja universumi alguse kohta teadmiste kogumine odavam kui üha võimsamate kiirendite ehitamine.
Kuid seda, mis oli enne Suurt Pauku, ei tea me siiani. Ja kas saamegi teada? „Tõsikindlalt teame universumi minevikku vaid kuni hetkeni, mil see oli sekundivanune. Mis oli enne, seda täpselt ei tea,” ütles California tehnoloogiainstituudi teoreetilise füüsika professor Kip Thorne.
„Nanoteadus on rajatud. Aju-uuringud samuti. Tahame teha midagi tõeliselt uut,” kommenteeris Anton Zeilinger oma katsete mõtet. Tema laboris Viinis on aukohal seni astronoomilisteks vaatlusteks kasutatud teleskoop, millega tahetakse saata kvantinformatsiooni kaugete vahemaade taha. Siiani on Zeilinger ja ta kolleegid mõõtnud kahe footoni olekute põimumist 144 km kaugusel kahe Kanaari saare vahel. Nõnda on astronoomia ja kvantmehaanika vahel teleskoobi näol ka otsene seos.
„Kvantmehaanika on perfektne teooria, see on absoluutselt korrektne. Kuid kontseptuaalselt on meil siiani raskusi,” ütles Zeilinger ja lisas, et tema tahaks näha, mis asub kvantmehaanikast kaugemal. „Newtoni mehaanikale järgnes relatiivsusteooria, mis ei lükanud seda küll ümber, aga täpsustas. Nõnda peaks ka kvantmehaanikast tulema midagi edasi.”
Üks kvantmaailma veidrusi on, et seal näib tulemus sõltuvat vaatlusmeetodist. Kas maailma eksistents sõltub sellest, vaatame me seda parasjagu või mitte? Me näeme roosiõit punasena. Ja punane on see ka siis, kui spektrit füüsikaliselt mõõta. „Kuid kvantmehaanikas on asi teisiti. Kui küsin footonilt, mis värvi ta on, võib see öelda, et punane. Kuid enne mõõtmist ei saa ma eeldada, et ta on punane. Vaatlus loob reaalsuse. Meil pole ideed, kus on piirid, ei saa ju ka öelda, et pole reaalsust ilma vaatlejata,” arvab Zeilinger.
Astronoome ja kvantfüüsikuid seob see, et nad ei karda tunnistada: inimene ei tea paljusid asju. „Me ei tea isegi seda, miks isolaator ei juhi elektrit, ehkki sellel on ohtralt elektrone,” toob Alain Aspect lihtsa näite. Ja me ei tea sedagi, miks inimene on just nii suur, kui ta on.
