Meiegi maailm on värviline kvantmaailm
Sageli tsiteeritakse kuulsat Ameerika füüsikut Richard Feynmani, kes umbes poole sajandi eest teravmeelitses, et kvant-füüsikast ei saa keegi aru. Ühtlasi märkis ta, et „seal all on piisavalt ruumi”, pidades sellega silmas mikromaailma võimalusi. Kuid nüüd on hakanud selguma, et kvantmehaanilised nähtused kehtivad üha suuremate objektide kohta ja et isakeste põimumine võib toimuda ka suuremate esemete kui elementaarosakeste vahel. Kes teab, võib-olla on inimese ajugi ehitatud kvantmehaaniliselt – kuidas siis muidu on suured teadlased saanud ennustada nähtusi, mida nad ise tõestada ei suuda, vaid mis kinnitatakse aastakümneid hiljem. Nii juhtus kvantfüüsik Paul Diraciga, kes ennustas pelgalt matemaatilise valemi ilu järgi antimaailma olemasolu. Võib-olla on aju hoopis kvantarvuti, mis on võimeline tegema lugematu hulga operatsioone korraga. Ainus küsimus on, kuidas nende seast õige vastus üles leida.
Kusagil valemite sees peitub piir, mis eraldab meile tuntud suurt maailma tillukesest maailmast. Ja see piir ei ole niigi terav nagu näiteks piir Eesti ja Läti vahel. Makromaailmas ei kehti omaenese seadused, see on vaid meie jaoks mugav lahendus maailmast, mis on igas mõõt-mes kvantmaailm. Et kvantnähtused ei ole makromaailmas vaadeldavad, võib olla tingitud sellest, kuidas kvantosakesed üksteist vastastikku mõjutavad.
Nüüdseks on eksperimenditehnika jõudnud nõnda kaugele, et kvantnähtusi on makrotasemel ka registreeritud. See sunnib ümber hindama seda, kuidas me näeme universumit, ja looma maailmast uue pildi.
Kvantfüüsikule tundub klassikaline maailm mustvalge nagu vana film. Me ei suuda selle kogu rikkust hästi kirjeldada. Ometi andis esimese vihje ja ka kvantmõtlemisele omamoodi hoobi saksa füüsiku Erwin Schrödingeri mõtteline eksperiment, mis on tuntud temanimelise kassi nime all. Kui pista kass akendeta kasti ja ehitada sinna seade, mis radioaktiivse elemendi lagunemisel vabastab mürgi, siis juhul, kui lagunemise tõe-näosus näiteks tunni jooksul on üks kahendik, ei tea me öelda, kas kass on surnud või elus. See füüsikute õrritamiseks mõeldud nali on andnud tööd ja leiba lugematule hulgale filosoofidele, teadlastele ja teistele kvantfüüsika tõlgendajatele. Tundub, et suurus ei loe.
Tavamaailmas varjutab kvantefekte objekti ümbruskond. Info kassi tervisliku seisundi kohta levib kiiresti footonite ja soojusvahetuse kaudu. Selline infoleke on saanud nimeks dekoherents. Mida suurem ese, seda suurem on dekoherents ja nõnda saavad füüsikud neid käsitleda mugavamate teooriatega. Kuid paljudel juhtudel saab infolekke aeglustada või koguni peatada. Selline kummaline nähtus nagu põimumine seob individuaalsed osakesed kokku jagamatuks maailmaks. Kui kord on kokku saadud, mäletatakse seda alatiseks. Suurt suhkrutükki saab vähemalt põ-himõtteliselt jagada, kuid põi-munud süsteem nõnda ei käitu. Kuigi põimunud osakesed satuvad eri paikadesse, käituvad nad ikka kui ühtne tervik, mis ei meeldinud isegi sellisele teadlasele nagu Albert Einstein.
Tavaliselt kõneldakse põimumisest näiteks elektronide puhul, millel on sisemine pöörlemismoment spinn, mida saab mõõta ja tulemuse järgi otsustada, kas eraldiolevad elektronid juhinduvad üksteise käitumisest.
2003. aastal demonstreerisid Gabriel Appli ja tema kolleegid Londoni University College’is, et magnetvälja asetatud liitium-fluoriidsool käitub kvantsüsteemina, nagu on kujutatud juures-oleval graafikul. Aatomite süs-teem, mis koosnes kümnest kahekümne nulliga arvust aatomitest, osutus olevat põimunud. Katse tehti väga madalal temperatuuril, ent nüüd on vasesoola põimumist avastatud ka toatemperatuuril või kõrgemalgi.
Austria teaduste akadeemia kvantoptika ja kvantinformatsiooni instituudi professoril Anton Zeilingeril käsil olev eksperiment tahab näha, kas makro-skoopilised objektid võivad käituda nõnda, et me ei saa ütelda, et neil on omadused, enne kui me neid mõõdame. Kas näiteks liikuv peegel võib käituda kvantmehaanika reeglite kohaselt?
Lihtsustatult öeldes tulistatakse võnkuvat peeglit laserist pärit footonitega ja püütakse registreerida, kas peegel jääb tavapärasesse olekusse või satub erinevate olekute liitolekusse, nii nagu näiteks aatomid ja molekulidki.
Siin tuleb aga mängu Ludwig Boltzmanni konstant, mis tagab, et peegel liigub niikuinii, kui keskkond on soe. Sestap tuleb see niipalju kui võimalik maha jahutada, suisa absoluutse nulli lähedale. „Nanoteadus on rajatud. Aju-uuringud on rajatud. Tahame teha midagi tõeliselt uut,” kommenteerib Anton Zeilinger oma katsete mõtet. Ta näitab ka seni astronoomilisteks vaatlusteks kasutatud teleskoopi, mille kaudu on kavas saata kvantnähtusi pikkade vahemaade taha. Siiani on Zeilinger ja ta kolleegid mõõtnud kahe footoni olekute põimumise 144 km vahemaa kaugusel.
Linnud kasutavad põimumist
Punarinnad on tillukesed linnud, kes lendavad igal aastal Eestist ja Skandinaaviast Prantsuse Ekvatoriaal-Aafrikasse talvituma. Nagu teisedki rändlinnud, saavad nad sellega kergesti hakkama. Pikka aega on arvatud, et kusagil lindude peas võib olla kompass. Siis jälle on kahtlustatud neid taevatähtede tundmises. Kuid kui linnud pandi magnetvälja ja muudeti selle suunda, selgus, et nad ei tunne sellist kannapööret ära. Kuid nad tajuvad Maa magnetvälja jõujoone kallet maapinna suhtes. See on kõik, mida nad rändamiseks vajavad. Pimedad linnud aga kaotavad magnetvälja tajumise võime. Järelikult on see kuidagimoodi seotud nende silmadega.
Kümne aasta eest oletas Illinoisi ülikooli linnusõbrast teadlane Thorsten Ritz, et tegemist võib olla kvantpõimumisega. Edaspidi selgus, et linnu silmas on molekule, milles kaks elektroni moodustavad põimunud paari, mille koguspinn on null. Kui see molekul neelab nähtavat valgust, siis on elektronipaar väga tundlik keskkonnamuutustele, mille hulka kuulub ka magnetväli. Magnetväli mõjub mõlemale elektronile eraldi ja see muudab käimasoleva keemilise reaktsiooni kulgu. Keemiline signaal satub närvirakkude võrgustikku ja see teebki magnetvälja linnule nähtavaks. Neid molekule on uuritud ka laboritingimustes ja saadud sama tulemus. Kvant-põimumine kestab linnu silmas umbes sada mikrosekundit, tõe-lise silmapilgu, ja sellest linnule piisab.
Ka taimed võivad osata põi-mumist kasutada fotosünteesis, millega nad teevad päikeseenergiast keemilise energia. Valgus ergastab elektrone taimerakkudes ja need leiavad oma koha keemilise reaktsiooni keskuses. Klassikaline füüsika seda mehhanismi ei seleta. Fotosüntees on väga efektiivne tänu kvantmehaanikale, kus osake ei läbi vahemaid üksnes üht, vaid mitut teed pidi korraga. Taimerakkude elektriväljad võivad sobimatud teed kustutada ja nõnda suurendada elektroni tõhusust reaktsioonikeskuse leidmisel. Selline põimumine kestab vaid sekundi murdosa ja haarab molekule, milles on umbes 10 000 aatomit.
Uus teadusharu kvantbioloogia püüab avastada, kas kvant-põimumist võib esineda ka suuremates elussüsteemides. Näiteks inimese ajus.
