Tai buvo nuostabi akimirka J.F.Clauseriui, kurio novatoriški eksperimentai su šviesos dalelėmis padėjo įrodyti pagrindinius kvantinės mechanikos elementus.
Tačiau J.F.Clauserio kelias iki didžiausios mokslo premijos laimėjimo nebuvo toks paprastas.
Septintajame dešimtmetyje J.F.Clauseris buvo Kolumbijos universiteto fizikos magistrantas. Atsitiktinai universiteto bibliotekoje jis rado straipsnį, kuris nulėmė jo karjeros kelią ir paskatino imtis eksperimentinių darbų, už kuriuos galiausiai jis gavo Nobelio premiją.
Tame straipsnyje, kurį parašė airių fizikas Johnas Stewartas Bellas ir kuris 1964 m. buvo paskelbtas žurnale „Physics“, buvo svarstoma, ar kvantinė mechanika išsamiai apibūdina tikrovę, ar ne. Šio klausimo esmė buvo kvantinio susiejimo reiškinys.
Kvantinis susiejimas atsiranda, kai dvi ar daugiau dalelių susiejamos tam tikru būdu – ir nepriklausomai nuo to, kaip toli viena nuo kitos jos būtų nutolusios erdvėje, jų būsenos lieka susijusios.
XX a. ketvirtajame dešimtmetyje Albertas Einsteinas ir jo kolegos kvantinio susiejimo galimybę atmetė. Vietoj to jie teigė, kad egzistuoja „tikrovės elementas“, į kurį kvantinė mechanika neatsižvelgia.
Savo 1964 m. straipsnyje J.S.Bellas teigė, kad įmanoma eksperimentiškai patikrinti, ar kvantinė mechanika nesugeba aprašyti tokių tikrovės elementų. Šiuos neapskaičiuotus elementus jis pavadino paslėptaisiais kintamaisiais.
J.S.Bellas turėjo omenyje konkrečiai vietinius kintamuosius. Tai reiškia, kad jie veikia tik fizinę aplinką, esančią netoli jų. Kaip paaiškino J.F.Clauseris, „jei į vieną dėžutę įdedate daiktus, o matavimą atliekate kitoje – labai toli nuo pirmosios esančioje dėžutėje – tai vienoje dėžutėje pasirinkti eksperimentiniai parametrai negali turėti įtakos eksperimentiniams rezultatams kitoje dėžutėje, ir atvirkščiai“.
J.F.Clauseris nusprendė patikrinti J.S.Bello teiginį, tačiau kai norėjo atlikti eksperimentą, jo vadovas paragino jį persigalvoti.
„Pradžioje sunkiausia buvo išvis gauti galimybę, – prisiminė J.F.Clauseris. – Visi man sakydavo, kad tai neįmanoma, tad kam stengtis“.
Kvantinė laboratorija
1972 m. J.F.Clauseris pagaliau gavo galimybę patikrinti J.S.Bello teiginį, po doktorantūros dirbdamas stažuotėje Lawrence Berkeley nacionalinėje laboratorijoje Kalifornijoje. Čia jis suvienijo jėgas su doktorantu Stuartu Freedmanu. Kartu jie įrengė laboratoriją, kuribuvo aprūpinta optine įranga.
„Niekas anksčiau to nebuvo daręs, – sakė J.F.Clauseris. – Viską turėjome sukurti nuo nulio“.
J.F.Clauseriui ir S.Freedmanui pavyko sukurti susietus fotonus manipuliuojant kalcio atomais. Šviesos dalelės fotonai pateko į poliarizacinius filtrus, kuriuos J.F.Clauseris ir S.Freedmanas galėjo pasukti vienas kito atžvilgiu.
Kvantinė mechanika numatė, kad pro filtrus vienu metu praeis didesnis fotonų kiekis nei tuo atveju, jei fotonų poliarizaciją lemtų vietiniai ir paslėpti kintamieji.
J.F.Clauserio ir S.Freedmano eksperimentas parodė, kad kvantinės mechanikos prognozės buvo teisingos. „Manome, kad šie rezultatai yra stiprus įrodymas prieš vietinių paslėptųjų kintamųjų teorijas“, – rašė jie 1972 m. žurnale „Physical Review Letters“.
Sudėtinga pradžia
J.F.Clauserio ir S.Freedmano rezultatus tolesniais eksperimentais patvirtino Alainas Aspectas ir Antonas Zeilingeris.
„Mano darbas buvo atliktas septintajame dešimtmetyje, A.Aspecto – aštuntajame, A.Zeilingerio – devintajame, – teigia J.F.Clauseris. – Tobulindami šią sritį dirbome nuosekliai“.
Tačiau J.F.Clauserio novatoriško eksperimento rezultatas buvo pripažintas ne iš karto.
„Buvo sunku, – prisiminė J.F.Clauseris. – Visi sakė: „Gražus eksperimentas, bet gal norėtumėte išeiti ir išmatuoti keletą skaičių, nustoti švaistyti laiką ir pinigus, o vietoje to pradėti užsiimti tikra fizika?“
Prireikė 50 metų, kol J.F.Clauseris už savo eksperimentinį darbą buvo apdovanotas Nobelio premija. Jo kolega S.Freedmanas mirė 2012 m.
Paklaustas, ar turi kokių nors patarimų jauniems tyrėjams, atsižvelgdamas į savo paties pradinius sunkumus, J.F.Clauseris atsakė: „Jei įrodysite kažką, ką visi mano esant tiesa, ir būsite pirmas tai padaręs, tikriausiai nebūsite pripažinti 50 metų. Tai bloga žinia. Gera žinia ta, kad man buvo labai smagu dirbti šį darbą“.
J.F.Clauserio ir S.Freedmano eksperimentas atvėrė kelią sudėtingoms technologijoms, kuriose naudojamas kvantinis susiejimas – pavyzdžiui, kvantiniams kompiuteriams ir kriptografiniams protokolams.
Paklaustas, ar mano, kad kvantinė mechanika yra išbaigta teorija, J.F.Clauseris atsakė: „Įtariu, kad po ja slypi fundamentalesnė teorija, bet tai tik prielaida.“
Parengta pagal „Live Science“.
