През 20-те години на XX век учените откриват, че според квантовата теория частиците придобиват ясно изразени свойства само когато тези свойства бъдат измерени. Айнщайн настоява, че този факт свидетелства само, че квантовата теория е непълна и създава експеримент, за да докаже това.
Когато през 1982 година експериментът най-накрая е проведен, се оказва, че Айнщайн греши. Става ясно, че частиците могат да се сдвояват, което им позволява мигновено да свържат характеристиките си, без значение на какво разстояние се намират една от друга.
Въпреки че преди на квантовото сдвояване се е гледало като на деликатно и езотерично явление, то се оказва изненадващо стабилно и има голяма вероятност да се превърне в една от водещите концепции в технологиите от XXI век. Вече се използват сдвоени частици, за да се гарантира сигурността на определени комуникационни системи. Тези частици могат да бъдат и основата на ултрабързи квантови компютри и дори на устройства за телепортация в стил Стар Трек.
Днес теоретиците смятат, че сдвояването е сравнително често срещано в природата, което прави още по-голяма възможността да живеем в космическа мрежа от връзки, преодоляващи времето и пространството.
Кой е доказал, че Айнщайн греши относно твърдението си, че квантовата теория е непълна и до какво е довело това? ...
Тъй като е просто изследовател на тридесет и няколко години и няма стабилна професионална позиция, Ален Аспе осъзнава, че подлага кариерата си на сериозен риск, като се опитва да докаже, че Айнщайн греши. Дори един известен тогава учен, когато чува за планирания от Аспе експеримент, казва мрачно: "Вие трябва да сте наистина смел студент."
Въпреки всичко, днес Аспе е знаменитост в академичния свят, а името му си е спечелило място в историята на науката, защото успява да докаже, че интуицията на най-великия учен на модерната епоха поне веднъж е сгрешила.
Но онова, което през 1982 г. откриват Аспе и колегите му, се оказва доста по-грандиозно. Те намират първото реално доказателство за толкова странно явление, че дори днес повечето учени се опитват да проумеят значението му. Става дума за квантовото сдвояване.
Както предполага самото име, при квантовото сдвояване се свързват субатомни частици, но го правят по начин, който буквално слисва ума. Ако упражним въздействие върху една частица, нейните "сдвоени" партньори незабавно биват засегнати от въздействието, независимо къде са и на какво разстояние.
Звучи като нещо, взето от научната фантастика, и съвсем основателно, тъй като евентуалните приложения на явлението са наистина футуристични - от ултрабързи компютри до телепортация в стил Стар Трек, при която обектите се транспортират из Космоса с лъч.
Основите на този удивителен феномен са в квантовата теория и по-специално в изводите от едно откритие, направено през 1924 г. от френски аристократ.
В докторската си дисертация Луи дьо Бройл (Louis de Broglie) посочва, че при проведени наскоро експерименти става ясно, че светлината, която обикновено се счита за вълна, понякога се държи така, все едно се състои от "пакети" от фотони, подобни на частици. В такъв случай, разсъждава той, логично следва, че частици като електроните понякога могат да се държат като вълни.
Предположението е доста смело, но само след три години е потвърдено от експеримент, който демонстрира, че уж стабилните електрони могат да се държат като вълни. Тогава теоретиците се захващат да изпробват естеството на тези "вълни от материя". Един от тях е Ервин Шрьодингер - австрийски учен, който съставя уравнение, за да опише поведението на вълните. Веднага става ясно, че това изобщо не са обикновени физични вълни, което кара Шрьодингер да им даде по-абстрактно име - "вълнови функции".
Уравнението обаче показва, че всъщност те са още по-странни. То води до предположението, че частиците нямат определени състояния, а съществуват във всички възможни състояния по едно и също време, докато по някакъв начин не бъдат убедени да се впишат в уникални, дефинирани стойности, констатирани в лабораторна среда.
Първоначално изглежда, че чудатото заключение от уравнението на Шрьодингер касае само квантовия свят. Но през 1935 г. Шрьодингер разбива тези илюзии с най- известния си и най-противоречив принос към физиката - "Мисловен експеримент" с котка.
Представете си, че в затворена кутия има радиоактивен атом, а вероятността той да се разпадне за един час е 50:50.
Според квантовата теория след час атомът ще се намира именно в такова чудато смесено състояние - едновременно ще се е разпаднал и няма да се е разпаднал. Сега си представете, че в кутията има също и котка, и устройство, което отделя отрова, ако отчете радиоактивност. Странното смесено състояние на атомите вече не е само езотеричен квантов ефект - от него зависи животът на котката.
И така, след един час котката жива или мъртва ще бъде?
Озадачаващият отговор на квантовата теория е "и двете", докато по някакъв начин смесицата от състояния не бъде убедена да премине в едно определено състояние.
Шрьодингер измисля термин, за да опише ситуациите, в които законите на квантовата теория създават близка връзка между обекта - "сдвояване".
Мисловният му експеримент нанася още един удар на онези, включително Айнщайн, които са се надявали, че квантовата теория ще предостави ясен и разумен модел на реалността.
Десет години по-рано немският физик Вернер Хайзенберг демонстрира, че квантовата теория не ни позволява да знаем с точност всички свойства на субатомните системи. Самото им наблюдение ги кара да се променят по непредсказуеми начини. Според известния му "принцип на неопределеност", колкото по-точно определена е дадена характеристика, да кажем позиция, толкова по-неточно е това, което знаем за друга характеристика, например скорост.
Според Айнщайн обаче това означава просто, че на квантовата теория ѝ липсва жизнен градивен елемент, който ще я направи по-точна и ясно дефинирана.
Ето защо през 1935 г. заедно с колегите си Борис Подолски и Натан Розен предлага мисловен експеримент, за да докаже твърдението си. Експериментът е кръстен "АПР" на тримата му създатели и е гениално елегантен.
Представете си, че една молекула експлодира и се разпада на две идентични частици, които политат в противоположни посоки. Според квантовата теория нито една от частиците няма ясни свойства., докато не стане обект на наблюдение. Да предположим, че искаме да установим позицията на една от частиците. Наблюдаваме я, а "шокът" от наблюдението би трябвало да я накара да придобие точно определени свойства.
Тогава капанът на Айнщайн щраква - след като веднъж определим позицията на първата частица, можем да използваме добрите стари Нютонови закони, за да установим позицията на другата частица, без да ни се налага да я наблюдаваме. В случая няма да има никаква неопределеност, а предполагаемият важен "шок" на наблюдението няма да е необходим, за да се определят точните свойства.
Тук обаче има пробойна - може би първата частица по някакъв начин "сигнализира" за факта, че е наблюдавана, и подсказва на своя все още неопределен партньор да премине в точно определено състояние. Айнщайн разрешава проблема, като използва своята теория за относителността, според която няма сигнал, който да се движи по-бързо от светлината. Това изключва всяка възможност разделените частици да си комуникират с нулево забавяне. Те просто трябва през цялото време да имат точно определени свойства. Айнщайн заявява, че квантовата теория не може да обясни този феномен просто защото все още не е завършена.
Защитниците на квантовата теория нападат твърдението му, но тъй като нито една от страните не разполага със солидни експериментални данни, нито една не може да нанесе победен удар.
Докато почти десет години след смъртта на Айнщайн не се появява възможност спорът да бъде разрешен с истински експеримент.
През 1964 г. ирландският теоретик Джон Бел изтъква, че ако частиците имат постоянни свойства, както твърди Айнщайн, то трябва да има лимит за това колко подобни могат да бъдат двойките частици в този експеримент. А лимитът ще бъде поставен от скоростта на светлината. Бел демонстрира, че ако Айнщайн е прав, връзката между свойствата на частиците никога не може да надвиши определено ниво. Твърдението добива популярност под името "неравенство на Бел".
Няколко екипа от учени се опитват да поставят на изпитание твърдението на Бел и дори разглеждат възможността сдвояването да предложи обяснение за телепатията.
След няколко неубедителни опита, Ален Аспе и колегите му в Institut d'Optique в Орсе, Франция, най-накрая успяват да проведат експеримента АПР, като използват сдвоени фотони светлина. Те откриват, че неравенството на Бел е абсолютно невалидно. За най-голямо тяхно удивление дори фотони на голямо разстояние един от друг "комуникират" помежду си, а степента им на свързаност далеч надминава неравенството на Бел.
Заключението, до което води това откритие, е наистина драматично. Щом неравенството на Бел е невалидно, то поне едно от предположенията му и следователно едно от предположенията на Айнщайн, трябва да е погрешно. Частиците наистина могат да останат сдвоени една с друга, като гарантират, че характеристиките им остават свързани дори в мащаби, много по-големи от тези на субатомния свят.
Повечето физици свиват рамене, когато научават, че Айнщайн не е бил прав за квантовата теория. Те знаят, че теорията е функционална, и разчитат на предположенията ѝ за абсолютно всичко - от проектирането на микроскопи до изграждането на ускорители за частици. Освен това не са особено разтревожени от очевидната демонстрация на комуникация, по-бърза от светлината. Известното твърдение на Айнщайн си остава непокътнато, тъй като е невъзможно да направляваме последствията от измерването на свойствата на една сдвоена частица и следователно е невъзможно да контролираме свойствата на нейния отдалечен сдвоен партньор, така че не можем да ги използваме за предаване на съобщения.
Поради тази причина много учени смятат експеримента на Аспе за езотерично упражнение със сложно явление без каквато и да е практическа стойност. Необходимо им е малко време, за да осъзнаят внушителното значение на квантовото сдвояване. Сега, след като вече са го осъзнали, резултатите са наистина стъписващи.
Никой обаче не очаква в скоро време да се телепортират хора. Най-напред, процесът на сдвояване е много неефективен - в новите експерименти успешен е един на всеки 100 милиона опита. Освен това, за да се "транспортира" един човек, е необходимо голямо количество информация - еквивалентна на броя CD-та, които биха се побрали в кутия с дължина на страните 1000 км. Не на последно място стои и стряскащият факт, че телепортацията предполага разрушаване на първоначалното състояние на обекта и пресъздаването му на друго място. И въпреки това самата мисъл, че видни учени обсъждат подобна възможност, е показателна за това до каква степен квантовото сдвояване може да направи революция в компютърните и комуникационните технологии.
Айнщайн може да е известен с това, че е бил прав, но значението на неуспешния му опит да докаже, че квантовата теория греши, може да се окаже най-великото му академично завещание.