Profesora Auziņa zinātnes sleja
Mārcis Auziņš: "Kādēļ lasīt manus tekstus? Man šķiet, ka dabaszinātnes mēs bieži mēdzam "ignorēt", sakot, ka tās ir formālas, sausas un neinteresantas. Gribētos ļaut lasītājam ieraudzīt, ka tās ir daļa no mūsu dzīves – krāsainas un interesantas."
Biogrāfijas pieturzīmes:
- Pēc profesijas fiziķis, šobrīd Latvijas Universitātes profesors, Eksperimentālās fizikas katedras un Lāzeru centra vadītājs.
- No 2007. gada līdz 2015. bijis Latvijas Universitātes rektors.
- Strādā kvantu fizikas jomā un ir vairāk nekā simts zinātnisko rakstu, kas publicēti pasaules vadošajos fizikas žurnālos, un vairāku simtu konferenču ziņojumu autors.
- Kopā ar kolēģiem no Rīgas un Bērklijas uzrakstījis divas monogrāfijas, kas izdotas "Cambridge University Press" un "Oxford University Press" izdevniecībās un abas ir piedzīvojušas atkārtotus izdevumus.
- Karjeras laikā dzīvojis un strādājis dažādās valstīs – Ķīnā un Taivānā, Amerikas Savienotajās Valstīs, Kanādā, Anglijā, Izraēlā un Vācijā.
Dažādas dīvainības
Vārdu teleportācija, šķiet, pirmais izdomāja fantastisko romānu autors Čārlzs Forts 20. gadsimta 30. gados, saliekot kopā grieķu vārdu tele, kas nozīmē tāls (pietiek atcerēties vārdu tālraide jeb televīzija latviešu valodā), un latīņu vārdu portare jeb pārnest. Dažreiz fantasti ar to saprot vēl konkrētāku procedūru. Kāds izanalizē visus tos atomus, no kā, piemēram, es, Mārcis Auziņš, esmu veidots, un šo atomu savstarpējo salikumu. Tad šo informāciju ļoti ātri pārraida uz kādu citu tālu vietu, kur es gribētu nonākt, un "gala stacijā" mani, Mārci Auziņu, atkal saliek kopā. Tā es būšu ļoti ātri, bez mokoša ceļojuma nonācis galapunktā. Skan labi, bet, nedaudz padomājot, arī biedējoši. Ir divas problēmas. Pirmā, man jābūt dzelžaini pārliecinātam, ka visa informācija par mani tiks iegūta absolūti precīzi, neko nepalaižot garām un nekur nekļūdoties. Citādi tas, ko saliks galapunktā, būs kļūdaina mana kopija, bet kurš gan gribētu riskēt kļūt par neprecīzu sevi?
Otra problēma ir pat vēl dīvaināka. Ko darīt ar oriģinālu? Iznīcināt? Un kurš tad galu galā tagad ir oriģināls un kura ir kopija?
Interesanti, ka, neskatoties un visām pretrunām un dīvainībām, kvantu fiziķi ir sapratuši, ka teleportācija ir ne tikai principā iespējama, bet pat laboratorijā nodemonstrējuši, ka tas ir iespējams. Pat vēl vairāk, – viņi ir tuvu tam, lai ar teleportāciju cieši saistītas lietas kļūtu par ikdienā izmantojamu tehnoloģiju daļu.
Lai izstāstītu, kā teleportāciju saprot fiziķi, nedaudz jāatgriežas pie dažām kvantu fizikas dīvainībām, kas to padara tik interesantu un pat noslēpumainu. Pirmā – pirms nenoskaidrojam, kāda no divām savstarpēji izslēdzošām īpašībām piemīt daļiņai, piemēram, vai tā rotē pulksteņa rādītāja kustības virzienā vai pretēji tam, abas potenciālās iespējas eksistē vienlaicīgi. Tās eksistē kā notikuma, kurš vēl nav noticis, divas iespējamības. Abas var realizēties, bet nevienam nav dots pirms to realizācijas paredzēt, kura no šīm iespējām ņems virsroku. Vēl vairāk, katrai konkrētai daļiņai proporcija starp šīm iespējamībām var būt jebkura. Piemēram, varbūt kādā konkrētā gadījumā daļiņai ir divas reizes lielāka iespēja, ka tā rotē pulksteņa rādītāja virzienā, un divreiz mazāka, ka tā rotē pretējā virzienā. Ir vēl trakāk. Ja manā rīcībā nonāk viena daļiņa un es nezinu, kādā proporcijā tai piemīt šīs divas savstarpēji izslēdzošās īpašības, tad šo proporciju pat principā nav iespējams uzzināt. Starp citu, šai neiespējamībai ir arī pozitīvais pielietojums. Tas ļauj padarīt kvantu šifrēšanu par ļoti drošu. Ja kāds sliktais cilvēks grib pārtvert ziņojumu, ko es vēlos kvantu veidā pārraidīt, tad viņam nav iespējams pārtvert kādu daļiņu, ar kuru tiek šifrēts ziņojums, to "izlasīt", noteikt tās stāvokli, pēc tam izgatavot tieši tādu pašu daļiņu un, nevienam nemanot, nolikt to vietā… Jo ļaundaris, pat apskatot daļiņu, piespiežot realizēties kādai pirms tam eksistējošām potenciālajām iespējamībām, neuzzina, kādā proporcijā šīs iespējamības bija, un nevar radīt jaunu daļiņu, kas būtu precīzi vienāda ar sākotnējo.
"Gudrā vārdā" to sauc par kvantu neklonējamības teorēmu.
Taču, ja man ir divas šādas nezināmas daļiņas, varu tās "sapīt". Tas ir vārds, ko fiziķi izmanto, lai raksturotu šādu situāciju. Es varu paņemt divas daļiņas un tās sapīt tā, lai tās rotē pretējos virzienos. Es nezinu, kura rotē kurā virzienā, bet esmu drošs, ka tās rotē pretējos virzienos. Nomērot vienu daļiņu, es panāku, ka par realitāti kļūst viena no potenciālajām tās īpašībām. Piemēram, tā rotē pulksteņa rādītāja kustības virzienā, tātad otrajai ar pirmo sapītajai daļiņai tai pašā brīdī nav citas iespējas, kā rotēt pretējā virzienā.
Alise un Bobs
Iespēju divas daļiņas sapīt kvantu fiziķi ir iemācījušies izmantot, lai daļiņas teleportētu. Neiedziļinoties detaļās, tas izskatās šādi. Divi personāži, sauksim viņus par A un B jeb Alise un Bobs. Gribu piebilst, ka kvantu fizikā tie ir ļoti populāri personāži, kuru vārdus piesauc, ne tikai popularizējot šo zinātni, bet arī nopietnos akadēmiskos zinātniskos rakstos. Nevaru iedomāties nevienu citu fizikas nozari, kur šāds rotaļīgs stils būtu kļuvis par akadēmiskas diskusijas normu. Ja nu vienīgi stāsts par Maksvela dēmonu, bet par to citreiz. Šoreiz par Alisi un Bobu.
Tātad tiek izveidots viens divu sapītu daļiņu pāris. Viena daļiņa no šā pāra nonāk pie Alises, otra pie Boba. Šis daļiņu pāris būs instruments, ja gribat, sauksim to par tiltu teleportācijai. Alisei ir kvantu daļiņa, kuru viņa vēlas teleportēt uz tālu vietu, kur atrodas Bobs. Ko viņa dara? Ar noteiktām procedūrām viņa teleportējamo daļiņu savukārt sapin ar viņas rīcībā esošo sākotnējā sapītā pāra daļiņu. Tagad ir izveidojusies tāda interesanta situācija – sapīto daļiņu ķēdīte. Bija sākotnēji sapīto daļiņu pāris. Tam galā Alise "piepina klāt" savu teleportējamo daļiņu. Ko tagad varam izdarīt? Sākt vienā galā realizēt potenciālo iespējamību. Tas nozīmē noteikt, piemēram, kurā virzienā griežas Alises teleportējamā daļiņa. Daļiņas sākotnējais stāvoklis ar divām potenciālajām iespējām nezināmās proporcijās ies bojā, bet Alises sākotnējā sapītā "tilta stāvokļa" daļiņa būs ar pretējām īpašībām nekā teleportējamā. Bet, ja Alise tupina noteikt, kurā virzienā rotē šī "tilta" sapītā stāvokļa daļiņa, tad Boba daļiņa iegūst pretējas īpašības šai Alises "tilta" daļiņai. Uztvērāt intrigu? Alises teleportējamā daļiņa vispirms izrādījās pretēja Alises "tilta" daļiņai, bet tā savukārt pretēja Boba daļiņai. Divreiz pretēja galu galā nozīmē sakrītoša. Ja tā drīkst teikt, divreiz kaut ko apgriežot ar kājām gaisā, tas atkal nostājas uz kājām.
Kā tas atrisina sākotnējo loģisko grūtību?
Pirmkārt, pēc tam, kad Alise noteica, kā rotē teleportējamā daļiņa, tā sākotnējā stāvoklī vairs neeksistē. Tā ir vienkārši kaut kāda daļiņa. Taču Boba daļiņa tagad ir tieši tāda pati kā sākotnēji bija teleportējamā. Tipiski kvantu fizikai, mēs zinām, ka tā ir identiska, tātad abas potenciālās iespējamības tai ir tieši tādās proporcijās kā sākotnējai daļiņai, lai arī mēs šo proporciju tā arī neesam uzzinājuši. Ja es būtu šī teleportējamā daļiņa, tad tas nozīmētu, ka sākotnējā vietā manis vairs nav. Es tagad esmu "otrā galā" un man nedraud sastapt savu sākotnējo kopiju. Ja viss notiek ideālā pasaulē, kur mērījumus var izdarīt pilnīgi precīzi, tad ir arī pilnīgi droši, ka beigu daļiņa – mans jaunais es – precīzi sakritīs ar sākotnējo daļiņu – iepriekšējo manu es.
Vai viss ir gluži tik vienkārši? Jā un tomēr nē. Izrādās, ka Alisei, veicot aprakstītos mērījumus ar teleportējamo daļiņu un savu daļiņu no sapītā pāra, ir Bobam jāizstāsta, kā konkrēti viņa to darīja. Tikai tad ir garantija, ka Boba daļiņa beigu beigās būs identiska teleportējamai daļiņai. Šo ziņu par savām darbībām Alise pārsūta Bobam tradicionālā veidā, piemēram, piezvanot vai aizsūtot e-pasta vēstuli. Tas notiek ātri, bet tomēr ne ātrāk par tradicionālā signāla maksimālo izplatīšanās ātrumu – gaismas ātrumu. Tādēļ teleportēt nevar bezgalīgi ātri. Bet arī gaismas ātrums, lielākais dabā iespējamais ātrums vai gandrīz trīs simti tūkstošu kilometru sekundē, neskan slikti.
Vai šis stāsts kvantu fizikā eksistē tikai uz papīra? Nē, kvantu daļiņas teleportācija ir eksperimentāli pārbaudīta. Turklāt daudzas reizes. Šādā veidā tikušas teleportētas gan gaismas daļiņas, fotoni, gan atomi, gan pat noteikti stāvokļi dimanta kristālos. Pirmais teleportāciju ar fotoniem 1997. gadā kopā ar saviem kolēģiem Austrijā realizēja 2022. gada Nobela prēmijas fizikā laureāts Antons Ceilingers. Kādos attālumos teleportācija ir realizēta? Uz Visuma otru malu tas vēl nav noticis, bet dažu metru attālumā gan to darām samērā vienkārši. Nešķiet, ka attālums pēc būtības ir ierobežojošs faktors. Taču tehniski tas ir grūtāk. Teleportācijas rekords attāluma ziņā šobrīd pieder zinātniekiem no Ķīnas. Viņiem ir izdevies fotonus teleportēt vairāk nekā tūkstoš kilometru attālumā.
Kāds ir lielākais objekts, ko šobrīd izdevies teleportēt? Tas ir maziņš mehānisks oscilators, ko teleportēja fiziķi no Austrijas, no Vīnes. Taču mazs tas ir tikai no ikdienas skatpunkta. Reāli tas sastāvēja no vairākiem triljoniem atomu. Vai tas savukārt nozīmē, ka ir laiks sākt kravāt čemodānu un izvēlēties galamērķi savam pirmajam teleportācijas ceļojumam? Esam dzirdējuši, ka Īlona Maska kompānija "SpaceX" gatavojas lidojumiem uz Mēnesi, un droši vien nebūs ilgi jāgaida, kad varēs pieteikties šiem lidojumiem, bet nezinu nevienu kompāniju, kas šobrīd nopietni domātu par komerciālu teleportācijas pakalpojumu.
Fiziķi domā, ka pagaidām tas varētu būt pāragri, un daudzi šaubās, vai tas vispār jelkad būs iespējams.
Profesora Auziņa zinātnes sleja
