Avizo
Vprašanja znanosti, njenih tem in vpliva, ki ga ima na naša življenja, se pogosto vse premalo zavedamo, četudi se morda dozdeva, da so vprašanja, ki si jih sodobna znanost zastavlja, svetove daleč od česa v našem vsakodnevnem ravnanju in motrenju uporabnega.
Človek kot racionalno bitje, si pogled na svet ustvarja z razumom. Z nastopom v kolektivni zavesti delujoče zgodovine so naša zrenja postala odvisna od premikov na področju znanosti. Ravno tiste znanosti, za katero smo v pretekli oddaji ugotavljali, da je v bistvu filozofija sama. A sodobna znanost je filozofija v kaj drugačnem pomenu besede. A naj bo to problem, ki se ga bomo lotili v eni od prihodnjih oddaj Zofijinih ljubimcev. V današnji oddaji vam želimo približati trende sodobne fizike, ki v marsikaterem oziru to ni več fizika, kot se je morda spominjamo iz osnovnošolskih ali srednješolskih klopi, temveč je to povsem nova, morda filozofiji spet bližja veja človekovega pogleda na življenje, ki dokončno obračunava z klasično logiko dualnosti in nakazuje na novo revolucijo v človekovem racionalnem zrenju sveta, še veliko presodnejšo kot je bila tista Descartesova, ki je dokončno vpeljala koncept racionalizma v človekov univerzum in s tem srednjeveški teološki svet dokončno preobrnila v smeri sodobnih znanosti.
V današnji oddaji bomo dodobra preučili teorijo kaosa v sodobni znanosti, ter v zaključku vojeristično pokukali na področje obetajoče kvantne informatike.
Vabljeni k poslušanju!
GLASBA: Jamie Bissmire mix
Kaos pomeni, da marsičesa v podrobnostih ni mogoče razumeti.
Pod pojmom kaosa si v vsakdanjem življenju predstavljamo nekaj, kar ni urejeno, kar nima nobene zaznavne strukture v prostoru in času, nekaj, kar je povsem naključno ter nepredvidljivo, nekaj, čigar podrobnosti tudi matematično ni mogoče natančno opisati s preprosto formulo, algoritmom ali teorijo. Ta naivna predstava je kar precej blizu znanstvenemu pojmu kaosa v matematiki in fiziki.
Pojem kaosa, kakor tudi pojem kozmosa, izvira iz antične Grčije in se v orfičnih religioznih sistemih in teogonijah pojavlja še preden se je začela grška filozofija. Kaos označuje stanje stvari pred nastankom sveta, kozmos v nasprotju s tem, kasnejšim filozofom od Pitagore do Arhimeda, označuje urejenost sveta, ki se zrcali v celovitosti vseh naravnih pojavov.
V grški antični kulturi je obstajal zanimiv fenomen; religija, ki sploh ni bila religiozna, marveč politeistična – čaščenje olimpskih bogov. Olimpski bogovi niso ustvarili sveta (kozmosa), temveč so nesmrtni v njem le živeli. Ta religija ni bila religija v sodobnem smislu, temveč bolj poezija, ki se je najlepše razcvetela prav pri Homerju. Vendar je že tedaj obstajalo drugo gibanje, ki ga lahko imamo za religijo v današnjem smislu, in sicer je bil to dionizični kult, oboževanje Dionizija, boga vina, veselja. (Dionizij je imel tudi vrsto drugih imen, kot so Bakh, Zagrej, Bromij.) V tem kultu se je razvil globok misticizem, ki je nato prerasel v orfično religiozno gibanje, oplemeniteno z elementi in opijanjem duha, ki je že tedaj postavljalo prava in dobra vprašanja. To je bil začetek (grške in s tem zahodne) filozofije, in prvi grški filozof ter hkrati naravoslovec je bil Tales iz Mileta (okoli leta 580 pr. n. št.).
Pitagora (živel je med leti 570-490 pr. n. št.) je bil prvi veliki filozof, ki je zares zrevolucioniral filozofsko ter znanstveno razmišljanje. Rodil se je na otoku Samosu, in dosegel svoj višek okoli leta 537 pr. n. št. Samos je bil tedaj diktatura pod Polikratom, Pitagora se je čutil ogroženega ter zbežal v Kroton (grško kolonijo v južni Italiji). Osnova njegove religije je bilo verovanje v transmigracijo (preseljevanje) duš. Veliko bolj pomembna je seveda njegova znanost. Bertrand Russell pripisuje Pitagori izjemen pomen za vso človeško kulturno zgodovino in meni, kakor da bi povzemal Pitagoro, da vse največje pridobitve ter stvaritve človeštva zahtevajo določen element duhovnega oziroma duševnega opijanja, potrebujejo močna čustva, celo določeno razbitje racionalne previdnosti skozi ustvarjalno strast. Brez dionizičnih elementov je življenje dolgočasno, zgolj z njimi je nevarno.
Pitagora sam se je nekako štel za polboga, saj je pisal:
“Obstajajo ljudje, obstajajo olimpski bogovi, in obstaja Pitagora.”
Pitagora, ki je danes najbolj slaven zaradi svojega izreka o pravokotnih trikotnikih, je izjemnega pomena za znanost. Za njega in za kasnejše filozofe je bila dualnost pojmov kaos – kozmos natanko predhodnik sodobnega pojma dualnosti kaos – urejenost v naravoslovju. To je bila tudi ena glavnih tem na Akademiji, ki jo je ustanovil Platon okoli leta 400 pr. n. št. in ki je delovala neprekinjeno do 529 n. št., ko jo je rimski cesar Justinijan ukinil zaradi njene religiozne nezvestobe. Pitagora je pomemben, ker je prvi uvedel matematiko v naravoslovje. Zelo so ga zanimala števila. Odkril je harmonična razmerja v glasbi, ko je opazoval nihanja vpete strune. Opazil je, da ima polovična struna za oktavo višji ton kot celotna (torej dvakrat višjo frekvenco). Tako je razvil številčno razlago za harmonična razmerja med različnimi toni, ki so posledica racionalnih razmerij med dolžinami pripadajočih strun. To odkritje ga je tako navdušilo, da je razvil teorijo in filozofsko doktrino, ki jo je strnil v trditev “vse stvari so števila”. To pa je natanko filozofska podlaga za matematični opis sveta in naravnih pojavov in hkrati začetek sodobne znanosti. Po drugi strani pa je na svoje presenečenje odkril in dokazal, da je kvadratni koren števila dva iracionalno število, torej takšno, da ga ni mogoče zapisati kot količnik dveh celih števil. Torej se je že Pitagora zavedal, da so števila lahko bistveno bolj kompleksna, kot so racionalna števila. Za izračun kvadratnega korena števil ter drugih iracionalnih števil seveda danes obstaja preprost algoritem. Vendar ne za vsa. Nekatera števila so namreč preveč kompleksna, da bi jih lahko izračunali s preprostim programom ali formulo.
GLASBA: Jamie Bissmire mix
Moderni znanstveni pojem kaosa pomeni v prvi vrsti veliko kompleksnost, nekaj, kar v podrobnostih ni mogoče razumeti in opisati. Procesi in strukture, ki so nepredvidljive v času in prostoru. Na primer zaporedje števil, ali realno število, ki je tako komplicirano, da ga ni mogoče opisati s preprosto formulo ali s preprostim računalniškim programom (algoritmom). V tem primeru bi namreč bil računalniški program oziroma algoritem enako dolg kot številsko zaporedje samo. Takšno število oziroma zaporedje števil je nenapovedljivo, njegova informacija je nestisljiva, ni je mogoče zmanjšati na preprostejšo obliko. Vprašanje je, ali takšni kaotični procesi in strukture zares obstajajo. Odgovor je pozitiven, obstajajo, še več, skoraj vsa (realna) števila so tega tipa, so nenapovedljiva v zgoraj navedenem smislu! In večina procesov ter struktur v vesolju in v naravi je kaotičnih. Za njih je značilno, da imajo lastnost občutljive odvisnosti od začetnih pogojev, občutljivo odvisnost od robnih pogojev (zahtev, kako se morajo vesti na robovih svoje domene, kjer “živijo”), ter od drugih parametrov. Zelo majhna sprememba v začetnem stanju sistema privede po relativno kratkem času do povsem nepričakovanega stanja sistema.
Ob koncu 19. stoletja je znameniti britanski fizik Lord Kelvin zapisal, da je razvoj fizike končan, da poznamo vse njene zakone in principe, in samo vprašanje časa je, kdaj bomo odgovorili na vsa tehnična vprašanja, kakšne so točno vse (logične) posledice teh naravnih zakonov in principov. Zdelo se je, da človeštvo že ima nekakšno “teorijo vsega”. Kelvin se je hudo motil. Že čez nekaj let, točneje leta 1900, je nemški fizik Max Planck objavil članek o teoriji sevanja črnega telesa, ki se danes šteje za začetek kvantne teorije. V letih 1926-27 se je rodila sodobna kvantna mehanika v delih Heisenberga ter Schrödingerja, kasneje pa so svoj delež prispevali še Jordan, Dirac, John von Neumann, Pauli, Bohr in drugi. Kvantna teorija je prav gotovo največji triumf človeškega znanstvenega duha, in torej največja revolucija v znanosti 20. stoletja in v zgodovini znanosti nasploh, če morda odštejemo Newtonova odkritja.
Leta 1905 je bilo človeštvo priča druge revolucije, spet v fiziki, namreč ko je Einstein odkril in objavil svojo specialno teorijo relativnosti (njegova formula E=mc2 (e je mc na kvadrat) je najbrž najslavnejša formula vseh časov). Skupaj s kvantno teorijo, po zaslugi Diraca in drugih, je le-ta za zmeraj spremenila ne le znanost, temveč svet in vso našo civilizacijo. Rodila se je podrobna znanstvena teorija atomov, molekul, jeder, osnovnih delcev, trdne snovi, mehke snovi; znanje, na katerem sloni vsa sodobna tehnologija. Šele kvantna teorija je na primer pomagala razumeti, zakaj Sonce in druge podobne normalne zvezde sploh sijejo, in to čez dolga obdobja deset do dvajset milijard let, enakomerno. Namreč, v njihovem jedru potekajo jedrske reakcije, zlivanje vodikovih jeder v jedra helija, od tod energija za sevanje in stabilnost zvezde, ki bi se sicer zaradi lastne težnosti zrušila sama vase.
Ne preseneča, da so se skoraj vsi fiziki v tem obdobju ukvarjali s kvantno teorijo. Za nameček je Einstein v letih 1915-1916 objavil svojo splošno teorijo relativnosti in gravitacije, ki je splošnejša od Newtonove, in ki so jo kar hitro (že leta 1919) eksperimentalno potrdili. Mrzlično so začeli iskati enotno teorijo polja, t. j. univerzalno teorijo vseh interakcij (sil) v naravi (gravitacijska, elektromagnetna, šibka in močna), kar je še danes v sodobni znanosti eden njenih največjih izzivov.
Klasična fizika, mehanika in s tem povezana področja matematike so tonila v pozabo za več desetletij. Vse do odkritja kaosa.
Kolikor veljajo matematični zakoni za realnost, niso zanesljivi, kolikor pa so zanesljivi, pa ne veljajo za realnost.
Albert Einstein
GLASBA: Jamie Bissmire mix
Z kaosom so povezani trije revolucionarni preobrati v klasični znanosti 20. stoletja.
Prvega lahko najdemo v matematiki in matematični logiki, kjer so se pojavila nerešljiva protislovja (antinomije), ki so ogrožala logično zaključenost ter konsistentnost vseh matematičnih struktur. Pravzaprav so bila znana že prej, vendar se matematiki niso povsem zavedali njihovega pomena. Kot primer lahko navedemo paradoks Epimenida iz antične Grčije, ki se je ukvarjal z izjavo: “Ta stavek je neresničen.” Vprašajmo se ali je ta stavek resničen ali ne. Če je resničen, potem je neresničen zaradi svoje vsebine, kar je protislovje. Če pa ni resničen, potem ustreza svoji definiciji in je zato spet resničen, kar pa je ponovno protislovje. Takih protislovij je veliko. Bertrand Russell in Alfred North Whitehead, velika matematika in filozofa, sta objavila obsežno teorijo tipov v knjigi »Principia Mathematica« v začetku 20. stoletja, kjer sta v glavnem s prepovedjo izjav, ki se nanašajo same nase, poskušala rešiti logiko ter matematiko tovrstnih paradoksov. Ta zahteva je pa žal vse preveč preprosta saj v naravi dejansko obstajajo objekti in pojmi, ki se nanašajo na samega sebe. Kurt Godel je nasproti temu pokazal v svojem revolucionarnem delu iz leta 1931, da v vsaki dovolj bogati matematični strukturi, kot je na primer teorija (naravnih, celih pozitivnih) števil, obstajajo izreki (trditve), ki so povsem korektne, sintaktično pravilne, vendar jih ni mogoče dokazati. To je Gödel dokazal z genialno idejo, tako da je številčno kodiral definicije, aksiome ter izreke, ki so s tem postali predmet teorije števil. Pokazal je, da določenih števil ni mogoče izračunati v končnem številu korakov, izrek, ki ga kodirajo, pa s tem seveda ni dokazljiv s končnim številom logičnih sklepov. Torej imamo revolucionarno odkritje: obstajajo resnice, ki jih ni mogoče dokazati niti ovreči, v končnem številu korakov, samo po empirični plati obstaja možnost, da izjavo falsificiramo (najdemo kontraprimer), vendar nimamo pojma, kako, kdaj in v kakšnih okoliščinah se to lahko zgodi. Gödelovo odkritje je kasneje leta 1937 na drugačen način odkril angleški teoretik Alan Turing, ki je prvi dokazal, da obstaja pojem univerzalnega digitalnega računalnika, ter odkril, da obstajajo števila, ki jih takšen univerzalni računalnik ne more izračunati. Imenujemo jih neizračunljiva števila in le-ta ustrezajo Gödelovim nedokazljivim izrekom. Zakaj? Ker je najkrajši možni program (algoritem) za njihov izračun prav tako dolg kot število oziroma številčno zaporedje samo. Dokazali so, da je večina realnih števil tega tipa. Torej ti primeri niso izjemni in patološki, brez teoretične in praktične vrednosti, temveč prav nasprotno, so prisotni povsod v kozmosu.
Drugi revolucionarni preobrat najdemo na začetku 20. stoletja v delih Poincareja, Kolmogorova, Arnolda, Moserja, Smaleja, Chirikova, Lorenza, Feigenbauma in drugih. Konec petdesetih in v začetku šestdesetih let se je pokazalo, da kaos obstaja v naravi v determinističnih sistemih, in da se v njem manifestira prav zgoraj navedena algebraična kompleksnost, zanj pa je značilno, da so zaporedna stanja v razvoju danega kaotičnega sistema zelo občutljivo odvisna od začetnih pogojev. Primer je sistem in gibanje treh teles, ki se medsebojno gravitacijsko privlačijo.
Tretji preobrat pripada ugotovitvi Johna von Neumanna, ki je pokazal, da lahko obstajajo sistemi (avtomati), ki se lahko samoreproducirajo, in da v tem ni nikakršnega logičnega protislovja. Nadalje je presenetilo revolucionarno odkritje, da je v odprtih in disipativnih determinističnih sistemih možna samoorganizacija preprostih in kompleksnih struktur, vključno s samoreproduktivnimi živimi bitji, kar sta v svojih delih pokazala Hermann Haken iz Stuttgarta ter Ilya Prigogine iz Bruslja. Živa bitja si lahko shematično predstavljamo kot biokemične avtomate, katerih hardware je zgrajen iz proteinskih molekul, software pa nosijo molekule DNA in RNA. Seveda je situacija v resnici bistveno bolj komplicirana, živa bitja so hierarhično zgrajena, čiste razmejitve med hardwareom in softwareom ni, temveč lahko določena konfiguracija hardwara na nekem nivoju nosi informacijo (in je torej software) za hardware na višjem nivoju. Prav hierarhična struktura je ključnega pomena za fenomenalno stabilnost živih bitij ter drugih struktur. Velja namreč splošni princip stabilnosti hierarhičnih sistemov, saj so načeloma najbolj stabilne prav hierarhično zgrajene strukture.
GLASBA: Jamie Bissmire mix
Prava paradigma kaotičnega gibanja je gibanje treh teles, ki se gravitacijsko privlačijo, na primer gibanje planeta okoli dveh zvezd, ali gibanje dveh večjih planetov okoli ene zvezde. Veliki francoski matematik Henri Poincare je v začetku dvajsetega stoletja matematično strogo dokazal, da je tak sistem kaotičen. V resnici je gibanje zunanjih planetov, kot je n. pr. Pluton, kaotično, kot so ob koncu osemdesetih let 20. stoletja na različnih koncih sveta dokazali Wisdom in Sussman ter Jacques Laskar. Kako pa naj to razumemo, saj se vendar planeti gibljejo po (Keplerjevih) elipsah, kot nas učijo v šoli in kot je dokazal Newton v svoji mehaniki in teoriji gravitacije okoli leta 1670?
Da, če ne bi bilo drugih planetov, bi se posamičen planet prav zares gibal po natančni eliptični tirnici, kar pa se v realnosti ne dogaja, prav zaradi (sicer zelo šibkega) vpliva drugih planetov, katerih posledice so zato vidne šele po (zelo) dolgih časih. Torej planet Pluton se sicer giblje približno po Keplerjevi elipsi, vendar le za kratka obdobja nekaj deset, sto, tisoč, desettisoč, stotisoč let. Na dolgi rok milijon in več deset milijonov let pa je gibanje kaotično v tem smislu, da se njegova tirnica, elipsa, počasi spreminja in to na kaotičen, le težko predvidljiv način. Podobne in dramatične so ugotovitve za druge planete, kakor je pokazal Jacques Laskar iz Pariza, in ki jih lahko strnemo v spoznanje: urejen in regularen Sončni sistem – kot stara predstava očetov nebesne mehanike – je mrtev! Možni so celo trki planetov ali njihov pobeg iz planetnega sistema. K sreči pa je vendar regularno gibanje Zemlje, katere eliptična tirnica je skoraj krožnica – razdalja Zemlje od Sonca se čez leto spreminja le za nekaj desettisočink. Kar predstavljajte si, kako bi bilo, če bi Zemlja obkrožala Sonce na kaotičen način, (divje) spreminjala razdaljo od Sonca (ki je zdaj okoli 150 milijonov kilometrov): Klima bi se po vsem planetu divje in kaotično spreminjala, kar bi najbrž onemogočilo nastanek življenja, še posebej visoko razvitih vrst ter človeške civilizacije.
V Sončnem sistemu obstajajo še drugi kaotični pojavi. Na primer gibanje asteroidov. To so majhna telesa, njihov premer znaša od nekaj deset metrov do več kot 80 kilometrov, in velika večina se jih nahaja v pasu med Marsom in Jupitrom, kjer so kar enakomerno porazdeljeni. Vendar v tem pasu obstajajo tako imenovane Kirkwoodove vrzeli, kjer asteroidov skoraj ni. Zakaj? Izkaže se, da so te Kirkwoodove vrzeli prav tisto območje, kjer je gibanje asteroida okoli in zaradi vpliva Sonca v resonanci z gibanjem velikega planeta Jupitra, namreč obhodni čas asteroida je v racionalnem razmerju z obhodnim časom Jupitra. V takem primeru se lahko majhne motnje po dovolj dolgem času močno povečajo. KAM teorija, eden osnovnih stebrov sodobne mehanike, imenovana po dveh ruskih matematikih Kolmogovoru in Arnoldu ter švicarskem matematiku Moserju, razlaga, da se majhne motnje pri gibanju, ki je dovolj daleč od resonance, po dolgem času nekako izpovprečijo in ne pride do velikih kvalitativnih sprememb, gibanje ostaja regularno. Prav v vrzelih blizu resonanc pa KAM teorija dovoljuje, druge teorije pa jo v tem dopolnjujejo, nastanek kaotičnega gibanja. In prav to kaotično gibanje v resonančnih Kirkwoodovih vrzelih je omogočilo, da so asteroidi lahko na kaotičen (neurejen) način pobegnili iz vrzeli, kar je vzrok njihove evakuacije oziroma nastanka vrzeli.
Drugi primer resonance, ki lahko vodi do kaotične dinamike, je gibanje osi vrtenja planetov. Poševnost planeta je kot med njegovo osjo vrtenja ter pravokotnico na ravnino gibanja. Pri Zemlji znaša ta kot 23,5 stopinj, in odločilno vpliva na klimo na našem planetu, saj je poleti severna polobla obrnjena k Soncu, hkrati pa so še dnevi daljši, pozimi pa je obratno. Vendar velja to le za sedanjost. Zemeljska os vrtenja namreč v resnici precedira, kar pomeni da je sicer poševnost konstantna, vendar se os vrtenja obrača enakomerno (po stožcu) okoli pravokotnice na ravnino gibanja (ekliptiko). To se dogaja zaradi težnostnega vpliva Sonca in Lune na naš planet, če le tega ne obravnavamo več kot točkasto telo (maso), temveč kot vrtavko. Perioda te precesije je 26000 let. Danes je zvezda Severnica tam, kjer os vrtenja Zemlje predira nebo, čez 13000 let bo ta točka za 47 stopinj diametralno nasproti Severnici in klimatske razmere na Zemlji bodo natanko obrnjene. Čez nadaljnjih 13000 let pa bo spet tam, kjer je danes. Srbski astronom Milutin Milanković je že leta 1941 postavil hipotezo in teorijo, da so klimatske spremembe na Zemlji, še prav posebej ledene dobe, tesno povezane z astronomskimi cikli. Tedaj njegova teorija ni bila sprejeta, danes velja več ali manj za standardno teorijo osnovnih klimatskih ciklov. Nevarne, kaotične resonance se sedaj v našem primeru lahko pojavijo, če je gibanje enega od drugih planetov v resonanci s precesijskim ciklom, ki je v primeru Zemlje 26000 let. Tedaj se lahko namreč poševnost planeta močno in relativno hitro ter kaotično spreminja. K sreči se to v primeru Zemlje ne dogaja, dodatno pa še Luna s svojo prisotnostjo močno stabilizira oscilacije poševnosti Zemlje, tako da se za stabilnost klime na Zemlji moramo zahvaliti predvsem obstoju Lune. To je pokazala Laskarjeva analiza. Povsem drugače je pri drugih planetih, predvsem pri Marsu, pa tudi pri Merkurju in Veneri: njihova poševnost se s časom kaotično spreminja, prav zaradi resonanc. Zato nimajo stabilne klime. Iz tega lepo vidimo, kako izjemna je dinamika Zemlje: tirnica je skoraj krožnica (sevanje Sonca skoraj konstantno), poševnost relativno majhna (razlike med zimo in poletjem niso tako hude, kot bi lahko bile), in kaotične oscilacije poševnosti so majhne in počasne (zaradi Lune), tipični čas za takšne spremembe je nekaj desettisoč do stotisoč in milijon let. Posledica tega je dolgoročna relativna stabilnost klime, kontrast med ledenimi in toplimi obdobji ni tako zelo velik, kot bi bil sicer, obdobja pa se kljub vsemu dovolj počasi menjavajo, tako da se flora in favna lahko temu brez velikih katastrof prilagodita.
GLASBA: Jamie Bissmire mix
O fiziki mnogih svetov ali kaj, za vraga, se v resnici dogaja?
Nekega milega pomladnega popoldneva v tem vesolju neki moški srka oranžni sok iz kozarca. Nenadoma se dno kozarca razleti in sok pljuskne na tla. Sok takole ne pade vsakomur kratko malo iz kozarca. V nekem drugem vesolju bi kopija tega moškega nemara uporabljala kozarec brez ročaja, pila kavo namesto oranžnega soka ali počela kaj povsem drugega. Naša realnost je namreč po mnenju Davida Deutscha samo eden od miljard vzporednih svetov. V nekaterih smo že zdavnaj mrtvi, v drugih se ne bomo nikdar rodili, in seveda obstaja kozmos, v katerem po zaslugi nenavadnih naključij evolucije dinozavri gradijo mesta. Tisto, kar se zdi znanstvena fantastika, je za oxfordskega kvantnega fizika neizogibna posledica naravnih zakonitosti. Še več: Po mnenju Davida Deutscha realnosti sploh ne moremo pravilno razumeti, če ne sprejmemo obstoja “multiuniverzuma”.
Pri 32 letih je v nekem delu opisal kvantno posplošenje tako imenovanega univerzalnega turing stroja. S tem je dal osrednjo idejo za kvantni računalnik, vizionarski računski stroj, ki bo nekega dne nekatere izračune lahko opravil hitreje kot vsi današnji računalniki skupaj. Njegove raziskave so položile temeljni kamen za kvantno informatiko, teorijo, ki jo imajo nekateri za ključ do fundamentalno novega razumevanja realnosti.
Njegovo vesolje je nenavadni kvantni svet. V njem je mogoče vse objekte (na primer elektrone) opisati kot trdne delce – in obenem kot valove, ki se med seboj nabirajo v sloje ali pa se izničujejo, torej med seboj interferirajo. Vsak elektron je hkrati v več stanjih. Šele pri merjenju ga prisilimo, da se odloči za eno od možnih stanj. Vprašanje je naslednje:
Kaj, za vraga, se v resnici dogaja?
Po standardni razlagi kvantne mehanike, tako imenovani kopenhagenski razlagi, je to vprašanje nesmiselno. Mikrofizikalne resničnosti namreč načeloma ni mogoče poznati. To naj tudi ne bi bilo potrebno – navsezadnje daje matematični aparat formul vedno korektne napovedi. Toda ta razlaga je bila Deutschu sumljiva že v študentskih letih. Meni namreč, da mora vsaka teorija dati tudi razlage. Zato se zavzema za “razlago mnogih svetov”, ki jo je leta 1957 oblikoval ameriški fizik Hugh Everett: elektron uresničuje vsa mogoča stanja, ki si jih je mogoče zamisliti – vendar v različnih vesoljih. Pri meritvi pride do razcepitve univerzuma v nova vesolja. To se sprva sliši zelo noro, vendar se pokaže, da se teorija o mnogih svetovih, enako kakor kopenhagenska razlaga, sklada z eksperimentalnimi opazovanji. Čisto logično torej ni nobenega razloga, da bi odklonili teorijo mnogih svetov. Kljub temu pa večina fizikov nanjo gleda zelo skeptično. Interpretacija kvantne mehanike naj bi bila pač “stvar osebnega mnenja” in za uporabo teorije “ni zares relevantna”, “pravi Ignacio Cirac, vodja Inštituta Maxa Plancka za kvantno optiko. David Deutsch pa nasprotno meni, da je pravi škandal, da je teorija mnogih svetov še dandanes domala neupoštevana.
Raziskovalni ekipi pri IBM se je pred kratkim vendarle posrečilo s preprostim kvantnim sistemom razdeliti število 15 na njegove prafaktorje in tako izvesti doslej najbolj kompleksen izračun na kvantnem temelju.
Katere vrste računov dovoljuje narava? Je mogoče vse fizikalne sisteme simulirati s pomočjo računalnikov?
Izračuni so dolgo časa veljali za čisto abstrakten postopek, ki ga je mogoče opisati samo s pomočjo matematičnih pravil.
Če je kaj načeloma mogoče preračunati, bi to torej moralo biti preračunljivo s pomočjo kakega fizikalnega sistema. In to ima posledice. Navadni računalniki danes namreč delujejo po principih klasične fizike.
Toda klasična fizika, in na to se sklicuje Deutsch, je zmotna. Resničnost sledi bizarnim zakonitostim kvantne mehanike. In če se elektroni premikajo hkrati po različnih poteh, zakaj potem ne bi tudi računalnik mogel hkrati računati po različnih poteh? V konvencionalnem digitalnem računalniku je en bit, najmanjša informacijska enota, iz fizikalnega zornega kota sistem iz dveh stanj – ne ali da, 0 ali 1, tok ali pa ni toka. Po kvantni mehaniki pa se delec lahko nahaja v tako imenovani “superpoziciji” različnih stanj. “Kvantni bit” ali “qubit”, ki ga na primer predstavlja atom, lahko zato v stanju superpozicije hkrati predstavlja vrednosti 0 in 1. Z vsakim qubitom se število teh vrednosti eksponencialno veča. S tremi qubiti bi lahko simultano predstavljali že osem vrednosti in s 250 qubiti že več števil, kot je atomov v vesolju. Obenem pa kvantna mehanika omogoča tudi računanje z vsemi temi vrednostmi hkrati. Kvantni računalnik bi zato lahko reševal nekatere naloge, pri katerih čas računanja eksponencialno raste z velikostjo izračuna in je za običajni računalnik “neizvedljiva”. Toda kako more fizikalni sistem opraviti več računskih korakov, kot je atomov v vesolju? Deutschu je odgovor povsem jasen: kvantni računalnik uporablja za svoje gromozanske izračune več vesolij hkrati. Dovolj osupljivo. Toda ali teorija “multivesolja” ne nasprotuje zdravemu človeškemu razumu. Deutsch meni, da ne. V relativnostni teoriji so “mnogo hujše stvari” – črne luknje, ukrivljeni prostor-čas in podobni nenavadni pojavi. Kljub temu so fiziki sprejeli relativnostno teorijo. Tudi kvantni računalnik je zgolj manifestacija naravnih zakonitosti. V svoji knjigi iz leta 1996 “The fabric of reality” tako Deutsch razvija nov svetovni nazor, ki povezuje kvantno fiziko in teorijo o možnosti preračunavanja z evolucijo in spoznavno teorijo.
Dobili ste vtis, da sodobna fizika temelji na načelih, ki spominjajo na nasmeh odsotne mačke.
Albert Einstein
GLASBA: Jamie Bissmire mix
Tematike, ki je bila preteklo uro na našem meniju se nismo lotili po naključju. S to oddajo, ki ji bodo v naslednjih tednih sledile še nekatere podobne, počasi napovedujemo novo predavanje Zofijinih ljubimcev, ki se bo imelo dogoditi 4. maja in bo po svojem žanru do neke razumne meje, filozofsko – znanstveno. Govorili bomo o kopernikanski revoluciji. A o tem, kot obljubljeno, več v prihodnjih oddajah.
Za danes Zofijini dokončujemo uro spekulativne znanosti. Če morda z vami v čem nismo bili dovolj prijazni, naj bomo takšni vsaj v zaključku, ko vas kot običajno vljudno povabimo, da se nam ponovno pridružite ob tednu osorej.
Drobce sodobne znanosti smo z vami delili…