100 tūkstančių internautų įrodė: Einsteinas klydo, o Dievas kauliukais žaidžia

Gegužės devintą dieną žurnale „Nature“ buvo publikuotas straipsnis su „Big Bell Test“ mokslinio bendradarbiavimo atlikto stambaus mokslinio eksperimento rezultatais. Daugiau nei šimtas fizikų 12 laboratorijų penkiuose kontinentuose, naudodami galingus lazerius, superlaidžius magnetus, mašininio mokymosi algoritmus, internetinį žaidimą ir padedami 100 tūkstančių savanorių, įrodė, kad kvantinė mechanika – o tai reiškia, ir visa mūsų realybė – paremta tikro atsitiktinumo elementu.

Einsteinas prieš Bohrą

Viena iš fundamentaliausių XX amžiaus pirmos pusės mokslinių priešpriešų buvo ginčas tarp reliatyvumo teorijos šalininkų ir kvantinės mechanikos teorijos kūrėjų. Albertas Einsteinas kertiniu fizikos akmeniu pavertė šviesos greičio absoliutumą, teigdamas Visatoje negali būti nieko greitesnio už šviesą. Jis laikėsi lokalaus realizmo, kurį sudaro: 1) lokalumo principas – objektą veikia tik greta jo esantys kiti objektai; 2) prielaida, kad objektai turi prigimtines objektyvias savybes dar iki tol, kol jas išmatuojame („Mėnulis egzistuoja ir tada, kai į jį nežiūrime“, – sakė jis).

Kvantinio susietumo atradimas šiuos įsitikinimus nubraukė – dvi kvantiškai susietos dalelės viena kitą paveikia akimirksniu, net jeigu jos – skirtinguose galaktikos kraštuose. Išmatavus vienos dalelės savybes, galima visiškai užtikrintai numatyti kitos dalelės savybes. Ir ši tarpusavio sąveika iš tiesų įvyksta akimirksniu, greičiau nei šviesos greitis.

Be to, kvantinėje fizikoje svarbus stebėtojo efektas: iki matavimo pradžios objekto savybės nėra apibrėžtos, o tik yra tikimybių diapazone. Be to, galutinis kvantinio matavimo rezultatas, – iš tiesų atsitiktinis. Su tuo nesutikęs A. Einsteinas manė, kad kvantinį susietumą (kurį kiek pašaipiai vadino „vaiduokliškąja toliveika“) turi lemti kažkokie mokslui dar nežinomi principai ir slapti kintamieji. „Dievas nežaidžia kauliukais“, – gindamas determinizmą, ne kartą rašė A. Einsteinas pagrindiniams savo oponentui, kvantinės mechanikos patriarchui Nielsui Bohrui.

Bello teorema

Septintajame dešimtmetyje fizikas Johnas Bellas pasiūlė būdą, kaip galima patikrinti, ar kvantinio susietumo pagrindas yra „slapti kintamieji“, apie kuriuos kalbėjo A. Einsteinas. Tam reikia atlikti daugybę kvantinių matavimų, kaskart atsitiktinai keičiant kokį nors eksperimento parametrą. Gigantiška statistinių duomenų imtis turėtų parodyti bent menkiausią matavimo rezultatų ir parametrų, nuo kurių jie galėtų priklausyti, koreliaciją.

Vystantis technologijoms, J. Bello eksperimentas buvo atliktas ne kartą – ir kiekvieną kartą kvantinės mechanikos teisumas buvo vienareikšmiškai patvirtinamas, nė karto jokių slaptų kintamųjų aptikti nepavyko. Tačiau lokaliojo realizmo šalininkams buvo likęs paskutinysis prieštaravimas: o ar iš tiesų atsitiktinis eksperimento parametrų keitimas?

Pats J. Bellas pripažino savo teorijos spragą. Dabar pradinių duomenų įvairovė paprastai pasiekiama kvantiniais atsitiktinių skaičių generatoriais, kurie tik išreiškia įvairių fizinių procesų ryšį. Tad, formaliai negalima atmesti galimybės, kad slaptų kintamųjų „neatsitiktinumas“ gali būti juose nuo pat pradžių. Mokslininkai atsitiktinių skaičių generavimui netgi panaudojo tolimų žvaigždžių šviesą, tačiau skeptikų ir tai neįtikino. „Big Bell Test“ tyrėjai nutarė griebtis paskutiniojo argumento – laisvos žmogaus valios.

„Nuostabu, kad N. Bohro ir A. Einsteino ginčas, prasidėjęs prieš 90 metų, tebeišlaiko filosofinį ir žmogišką elementą. Didelės mašinos ir jutikliai padėjo mums atrasti Higgso bozoną, tačiau lokalųjį realizmą galime patikrinti tik jeigu patys dalyvaujame eksperimente. Tik taip galime priversti Visatą elgtis sąžiningai“, – sakė „Big Bell Test“ vadovas Morganas Mitchellas.

Apgauk Orakulą

„Big Bell Test“ sukūrė internetinį žaidimą, kuriame naudotojai turi sukurti maksimaliai ilgas nulių ir vienetų sekas. Prieš juos rungiasi mašininio mokymosi algoritmas – Orakulas, kuris prižiūri, kad sekos nebūtų pernelyg nuspėjamos. Programa nuolat prisiderina prie naudotojo elgesio ir verčia galvoti apie tai, kaip galima būtų veikti atsitiktiniau, taip pat paragina – taip sistema gauna daug rezultatų.

Nors žaidimas atrodo paprastas, jis padarytas labai kokybiškai: jis labai įtraukia ir skatina rungtis – išties norisi įveikti Orakulą ir pereiti į vis naują lygį. Išplatintas socialiniuose tinkluose žaidimas tapo išties populiarus. Eksperimentui buvo panaudoti 100 000 žaidėjų rezultatai. Per 2016 metų lapkričio 30 dienos 12 valandų, savanoriai generavo 1000 bitų per sekundę srautą, sukurdami 97 milijonus atsitiktinių dvejetainių skaičių.

„Žmonės nenuspėjami, ypač – lindėdami savo išmaniuosiuose telefonuose“, – pastebėjo vienas iš „Big Bell Test“ komandos narių Andrew White'as. Mokslininkų nuomone, papildomą smūgį lokalumo principui sudavė faktas, kad savanoriai buvo toli vienas nuo kito, skirtingose laiko juostose. Maksimalų atsitiktinumą užtikrino tai, kad žaidėjai nežinojo, kur ir kada bus atliekami matavimai ir ar jų indėlis apskritai bus panaudotas – galutiniam matavimui naudota tik milžiniško atsitiktinių skaičių masyvo dalis.

13 eksperimentų vykdymui internetinio žaidimo rezultatai buvo nukreipti į 12 laboratorijų, išdėstytų penkiuose kontinentuose. Kvantinis susietumas buvo testuojamas su fotonais, atskirais atomais, atomų grupėmis ir superlaidžiuose kubituose. Kaip ir tikėtasi, tyrėjai neaptiko nė menkiausių A. Einsteino „slaptų kintamųjų“ užuominų. Lokalaus realizmo principo veikimo mūsų Visatoje tikimybė artėja į nulį. Lokalus realizmas dar kartą pralaimėjo kvantinei mechanikai.

O kuo čia dėta laisva valia?

Eksperimentas turi ir filosofinį pjūvį. „Big Bell Test“ išvadose fizikai rašo: „Jei egzistuoja laisva žmogaus valia, tai reiškia, kad egzistuoja ir fiziniai reiškiniai, kurie iš tiesų atsitiktiniai, jų neįmanoma numatyti.“

Taip atkakliems A. Einsteino šalininkams lieka paskutinis šansas pasiginčyti – pareikšti, kad jokios laisvos valios nėra ir visi įvykiai Visatoje nuo pradžios iki galo apibrėžti iš anksto Beje, tokius samprotavimus mokslininkų nuomone verčiau nagrinėti kaip grynai metafizinius – su jais ginčytis sudėtinga. MIT profesorius, eksperimento su žvaigždžių šviesos panaudojimo atsitiktinių skaičių generavimui autorius Davidas Kaiseris nurodo: jei manysime, kad laisva valia neegzistuoja, turėsime pripažinti kažkokios neregimos jėgos, veikiančios tiek tūkstančių internetinio žaidimo žaidėjų elgesį, tiek ir įvairių dalelių skirtingose laboratorijose, išdėstytose po visą pasaulį, elgesio matavimo rezultatus. Vertindamas šansus, mokslininkas pirmenybę teikia kvantinei mechanikai.

Kaip bebūtų, atmetus sudėtingus metafizinius ginčus (didysis fizikas Richardas Feynmanas sakė: „Galiu drąsiai tvirtinti: kvantinės mechanikos niekas nesupranta“), negalima nepaminėti eksperimento socialinės vertės – fundamentalių gamtos dėsnių patikrinimo prielaida buvo sutelktinis veikimas (crowdsourcing). „Ypač malonu buvo tai, kad į eksperimentą įtraukėme tiek daug žmonių. Šaunu, kad jie galėjo prisidėti prie mūsų tyrimo“, – sakė vienas iš „Big Bell Test“ dalyvių Jeffas Pride'as.