Kummalise maailma paratamatus

Jaak Kikas

2012. aasta Nobeli füüsikaauhind anti üksikute kvantsüsteemide mõõtmist ja manipuleerimist võimaldavate meetodite eest. Nobeli 2012. aasta füüsikaauhinna saajad on prantsuse füüsik Serge Haroche (sündinud 1944 Casablancas) ja USA füüsik, rahvuslikus standardite ja tehnoloogia instituudis töötav David J. Wineland (sündinud samuti 1944) „murranguliste eksperimentaalsete meetodite eest, mis võimaldavad üksikute kvantsüsteemide mõõtmist ja nendega manipuleerimist”. Tuleb mainida, et selle auhinna puhul ei ole tegemist mitte niivõrd mõne uue füüsikalise nähtuse avastamisega, kuivõrd meetodite loomisega, mis lubavad meil palju täpsemalt ja delikaatsemalt tegutseda mikromaailmas. Märkimist väärt tähtpäev On mõneti sümboolne, et see auhind anti ühe füüsika jaoks olulise tähtpäeva künnisel. 1913. aastal esitas taani füüsik Niels Bohr oma kuulsa vesiniku aatomi mudeli selgitamaks selle lihtsa mikrosüsteemi käitumist. Nimelt ei pidanuks vesiniku aatom tollase (klassikalise) füüsika arusaamade kohaselt üldse eksisteerima. Selgitamaks (teoreetiliselt) võimatu võimalikkust, tõi Bohr teooriasse sisse deus ex machina – lisaeelduse, mis lahendas probleemi jõuga ja muutis aatomi stabiilseks. Aga muidugi ei saanud selline lahendus rahuldada universaalsuse ja ühtsuse poole pürgivaid füüsikuid ja väljakutse üldisema teooria loomiseks oli seega esitatud. Tulid Schrödinger, Heisenberg, Dirac (ka kõik Nobeliga auhinnatud mehed) ja paljud teised, kes arendasid välja kvantteooria. Kvantteooria, mis kirjeldab mikroosakeste (molekulid, aatomid ja nende koostisosad) maailmas toimuvat on oma paljudes järeldustes paradoksaalne ja vastuolus meie tavakogemusega. Kvantobjektil võib olla korraga nii osakese kui ka laine omadusi, selle kiirust ja asukohta ei saa korraga täpselt määrata (asja naljakamaks muutmiseks võite ette kujutada mõnesuguse kvantliiklusinspektori probleeme). Kvantmaailmas on objekte, mis ei ühti iseendaga pärast täispööret (360°). Need seisukohad ei olnud arusaamatud mitte ainult „töötajate laiadele massidele”, vaid nendega ei tahtnud leppida füüsikud-suurvaimudki, nende hulgas oli Albert Einstein. Samas annab kvantteooria töötavaid ja viljakaid arvutuseeskirju, mille tulemusi on mitmekülgselt katseliselt kontrollitud. Küllap on nii mõnigi juhendaja seetõttu liiga tüütu üliõpilase pärimistele kvantteooria tähenduse kohta vastanud ühe vahva sõduri sõnadega: „Lõuad pidada ja edasi arvutada!”

Elevandist (kvant)portselanipoes

Mis oluline, on see, et kvantmaailm on võrratult rikkalikum, infomahukam, kui me seda oma makroskoopilises tavakogemuses adume. Võib ka öelda, et me trambime peentel kvantseostel nagu elevant portselanipoes, neid lõhkudes, keskmistades, segi ajades. Vaid õige harvade ja eksootiliste nähtuste kaudu (ülijuhtivus, püsimagnetid) suudab kvantmaailm endast tavakogemusest erinevalt märku anda. Värskete laureaatide töid võib selles võrdluses vaadelda kui õpetust kvantportselanipoes toimetamiseks. Haroche ja Wineland on oma preemiale viinud töödes (varaseimad neist pärinevad 1980. aastate teisest poolest) olnud suuresti sõltumatud. Pürginud on nad aga samade fundamentaalsete eesmärkide poole, kasutades selleks erinevaid katseobjekte. David J. Winelandi ja tema kolleegide töödes on uurimise all olnud keskkonnast hästi isoleeritud üksikioonid, Serge Haroche’i objektiks üksikud valgusosakesed – footonid. Aga mõlema nobelisti töödes on nii aatomid (ioonid) kui ka valgus kasutusel – mis ühele uurimisobjekt, see teisele uurimisvahend, ja vastupidi.

Kuidas nad seda tegid?

Oma eksperimentides on Haroche ja Wineland rakendanud õige mitut varasemat teadusliktehnilist suursaavutust, millest olulisemad on:

ioonlõksustamine. Teame, et elektromagnetlained (sh nähtav valgus) on ülimalt kasulikud teabeedastuseks. Aatomite ja ioonide jaoks võib sobivalt disainitud elektromagnetlaine olla aga ka pintsettideks, mis osakest kindlalt paigal hoiavad ega lase seda teiste osakestega kokku puutuda. Vaid selliselt eraldatud osakeste peal saab peeni kvantefekte segamatult uurida.

laserjahutamine. Ka liigne soojusliikumine võib kvantseosed hävitada. Päikesevalguse käes on mõnus ennast soojendada, aga teatud tingimustel võib valgus ka jahutada – hajunud valgus kannab siis ära rohkem energiat, kui langev valgus kaasa toob. Nende tehnikatega seoses tuleb kindlasti meenutada ka Nobeli 1997. aasta auhinda Steven Chu’le, Claude Cohen-Tannoudjile ja William D. Phillipsile „meetodite väljatöötamise eest aatomite lõksustamiseks ja jahutamiseks laserivalgusega”.

ülijuhtivus. Nähtus, mille avastaja, hollandi füüsik Heike Kamerlingh Onnes sai Nobeli 1913. aastal (tõsi, rohkem küll muude asjade eest). Ülijuhtide kasulikuks omaduseks on asjaolu, et elektromagnetväli ei suuda nendesse tungida. See lubab neist valmistada peaaegu ideaalseid peegleid. Serge Haroche’i eksperimentides elasid footonid sellises peegelseintega puuris umbes kümnendiku sekundist. Kas millestki sellisest ei unistanud ka meie lauluisa tublid kilplased? Ehk ei olnudki see nii rumal mõte?

Mida näidati?

Mida siis laureaadid neid tippmetoodikaid kasutades tegid ja näitasid? Lugejale ehk meenub Schrödingeri kass – väga visa hingega loom, keda füüsikaprofessorid on mõtteliste eksperimentide käigus tuhandeid ja tuhandeid kordi tapnud, avades kasti, kus loom kummalises „korraga elus ja surnud” olekus viibis. Kui aga originaalne Schrödingeri kass on kasti avamisel kas elus või surnud, siis sama allegooriat jätkates võib öelda, et Haroche ja Wineland leidsid vahendeid kassiga suhtlemiseks, mille käigus kassi kummaline olek „korraga elus ja surnud” ei muutu. Ja veelgi enam, seda olekut saab ühelt kassilt teisele üle kanda. Muidugi pole vastsed laureaadid elusaid loomi väntsutanud, vaid tegelnud oluliselt lihtsamate objektidega (väikesearvulised ioonide või footonite ansamblid), kuulsa looma nime aga on oma teadustöödes pruukinud küll („Schrödingeri kassi [laadsed] kvantseisundid”). Üldisemalt – laureaadid on leidnud meetodid erinevate, sealhulgas klassikalisi analooge mitte omavate, kvantseisundite tekitamiseks, nendega manipuleerimiseks (nt ühelt süsteemilt teisele ülekandmiseks, kvantsüsteemi tagasisidestatud stabiliseerimiseks) ja nende mittehäirivaks jälgimiseks.

Mis sellest kõigest kasu on?

Nii on teadusavastuste puhul kombeks küsida. Klassika on muidugi Michael Faraday vastus Briti rahandusministri päringule elektri kasulikkuse kohta: „Ühel päeval, härra, võite te selle maksustada.” Haroche ja Wineland tööde tulemuste maksustamine ei pruugigi nii kaugel olla. Märksõnaks on kvantarvuti. Arvutite töökiiruse tohutu kasv on tulnud suuresti tänu arvutikiipide tiheduse tõstmisele – Inteli kiibi ühele ruutsentimeetrile on tänapäeval paigutatud üle miljardi transistori. Ka arvutite mälumahud on kasvanud eelkõige salvestuse tiheduse suurenemise arvel. Kõigel sellel on aga ees üks põhimõtteline piir – üksiku aatomi mõõtmed. Kiipide puhul polegi see enam nii väga kaugel. Ja siis? Ei maksa ju arvata, et me veelgi võimsamate arvutitega midagi peale hakata ei oska või et mõne probleemi lahendamiseks neid vaja ei olegi. Lahendus võib peituda ülal viidatud kvantmaailma infomahukuses. Üks numbriline näide. 250 binaarset mäluelementi (tasukohase näitena eurosendid) suudavad salvestada parajasti 250 bitti informatsiooni – iga münt võib teistest sõltumatult olla kas kulli või kirja olekus. Samasugune kogus „kvantmünte” võiks salvestada vähemasti 2250 ≈ 1075 bitti informatsiooni – see on pea sama palju, kui nähtavas universumis vesiniku aatomeid, neidsamu, mille kallal Niels Bohr sada aastat tagasi pead murdis. Muidugi ei tohi nüüd arvata, et nii lihtne see ongi. Kasutatava kvantarvutini (-mäluni) jõudmine vajab veel paljude keeruliste põhimõtteliste ja (ehk enamgi veel) tehniliste probleemide lahendamist. Värskete nobelistide tulemused on aga kindlasti üks oluline samm selle poole. Aga David J. Winelandi töödel on veel üks märksa käegakatsutavam rakendus: ülitäpne optiline kell lõksustatud ioonide baasil, mis on sada korda täpsem kasutatavatest tseesiumkelladest. Ehk andestaks nüüd ka Albert Einstein kvantteooriale, kui saaks teada, et sellise kella abil on tema ennustatud aja relatiivsus – selle sõltumine liikumiskiirusest ja gravitatsiooniväljast – jälgitav juba jalakäija kiirustel ja kõrguste erinevusel 30 cm. Tõepoolest – liikumine hoiab inimest noorena ja vahel on kasulik seista pea peal, muidu vananeb pea kiiremini kui jalad. Kontrollitud.

Veidi kohalikku kumu ka

Moodsad uurimissuunad pole Eesti füüsikastki mööda läinud. Tartus jõuti Eesti TA Füüsika Instituudis üksikmolekulide spektrite mõõtmiseni kristallides aastal 1994. Tulemusi tunnustas 1996. aastal Eesti Vabariigi teaduspreemia Karl Rebasele, Artur Suisalule ja Viktor Palmile (jun) töö eest „Ühe lisandimolekuli spektroskoopia”. Nimetatud uuringud polnud siiski pea ees vettehüppeks tundmatus kohas, vaid tuginesid Tartu füüsikute varasematele teoreetilistele ja eksperimentaalsetele töödele, mis ühe molekuli spektraalseks tabamiseks tublisti lootust andsid. Huvitav, et nendes eksperimentides kõige keerukam polnudki ühe molekuli kiirguse detekteerimine, vaid tingimuste loomine, kus oleks tegu ainult ühe (ja mitte enama) molekuliga. Lisanditsentrid tahkistes kui üksikfootonite allikad ja üksikfootonite tasemel toimuvad kvantprotsessid on Tartu füüsikute huvikeskmes ka praegu.

Selle loo pealkiri on laenatud Daniil Danini aimeraamatust, mis eesti keelde tõlgituna ilmus 1966. aastal. Raamatus populaarselt käsitletud kvantmehhaanika põhitõed olid teada juba tollal, kvantmaailm ise aga oli midagi kauget ja ligipääsmatut. Kõik kauge võib tunduda kummalisena. Aga tänu Haroche’i ja Winelandi töödele – ehk ei olegi see pealkiri enam nii väga õige?

*

David J. Wineland on sündinud 1944. aastal Milwaukees US As. Õppinud California ülikoolis Berkeleys, kaitses ta 1970. aastal doktoriväitekirja Harvardi ülikooli juures. Töötanud ka Washingtoni ülikkolis ning viimastel aastatel Colorado ülikoolis Boulderis. Aastast 1990 alates on Winelandile määratud ligi kümme mainekat auhinda, sh Einsteini auhind ja Benjamin Franklini medal.

Serge Haroche on sündinud 1944. aastalMarokos Casablancas, kust lahkus Prantsusmaale 1956. Töötanud mitmetes Prantsusmaa ja USA ülikoolides ja uurimiskeskustes, põhivaldkondadeks aatomifüüsika ja kvantoptika. Alates 2001. aastast kvantfüüsika professor Collège de France’is. Haroche’ile on varem määratud nii Einsteini kui ka Humboldti auhind, ta on Prantsusmaa Auleegioni ohvitser.

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming