Slučajnost ne postoji?

Kada izgovaramo rečenicu “slučajnost je htjela” ili “slučajno smo se sreli”, zapravo nesvjesno činimo nešto izvanredno. Mi personificiramo slučajnost, pretvaramo je u neku vrstu svjesnog entiteta koji namješta naše živote poput nevidljivog dirigenta kozmosa. No što ako je slučajnost samo ime koje dajemo onome što ne razumijemo? Ovo pitanje vodi nas u srce jednog od najdubljih misterija s kojim se čovječanstvo ikada suočilo, misterija koji su stoljećima pokušavali riješiti najveći filozofi, a kasnije i fizičari.

Iluzija slučajnosti u svakodnevnom životu

Zamislimo na trenutak da bacamo novčić u zrak. Većina ljudi reći će da je ishod potpuno slučajan, da ovisi isključivo o sreći hoće li pasti pismo ili glava. No pogledajmo što se zapravo događa u tom naizgled jednostavnom činu. U trenutku kada vaš palac pokreće novčić, on mu daje određenu kutnu brzinu koja ovisi o snazi koju ste primijenili i točnom kutu vašega pokreta. Novčić potom putuje putanjom koju savršeno opisuju Newtonovi zakoni gravitacije, a otpor zraka usporava njegovu rotaciju prema jednadžbama mehanike fluida.

Kada novčić napokon padne u vaš dlan, broj okretaja koje je napravio nepogrešivo određuje hoće li pokazati pismo ili glavu. Fizičari su to i dokazali konstruirajući strojeve koji bacaju novčić i predviđaju ishod sa stopostotnom točnošću. Slučajnost kod bacanja novčića nije ništa drugo doli iluzija rođena iz naše nesposobnosti da izmjerimo i izračunamo sve varijable u igri.

Ovu viziju slučajnosti kao pukoga neznanja formalizirao je matematičar Pierre-Simon Laplace početkom devetnaestoga stoljeća. Laplace je zamislio hipotetsko božanstvo, kasnije prozvano Laplaceov demon, koje bi poznavalo položaj i brzinu svake čestice u svemiru. To bi biće moglo izračunati cjelokupnu prošlost i budućnost kozmosa jer bi za njega svaki događaj bio posljedica onoga što mu je prethodilo. U takvu svemiru slučajnost doista ne bi postojala, bila bi tek naziv za našu nesposobnost da izračunamo previše složene sustave.

Kaos i efekt leptira

Čak i u okvirima klasične fizike počele su se pojavljivati pukotine u toj savršeno determinističkoj slici. Krajem devetnaestoga stoljeća matematičar Henri Poincaré otkrio je da određeni deterministički sustavi mogu pokazivati kaotično ponašanje. Neznatna promjena u početnim uvjetima može dovesti do potpuno različitih ishoda, što danas poznajemo kao efekt leptira.

Metafora o leptiru koji zamahom krila u Brazilu može teorijski izazvati tornado u Teksasu nije magija nego matematička stvarnost. Pokušamo li, na primjer, držati olovku u ravnoteži na njezinu vrhu, teorijski je to moguće, zakoni fizike to ne zabranjuju. No u praksi će najmanja vibracija, najmanji struj zraka ili najmanja neravnina na površini uzrokovati pad olovke. Ovisno o tome pod kojim će točno kutem djelovati ta mikroskopska perturbacija, olovka će pasti udesno ili ulijevo.

Vremenska prognoza savršen je primjer takva ponašanja. Poznate su nam jednadžbe koje upravljaju atmosferom, iste one koje opisuju gibanje planeta, a ipak ne možemo pouzdano predvidjeti vrijeme za tri tjedna. Atmosfera je kaotičan sustav u kojem mali uzroci proizvode velike učinke. No kaos nije slučajnost, on je praktična nepredvidivost unutar determinističkoga sustava.

Suvremena iluzija predvidivosti

Danas je iluzija slučajnosti poprimila nove, sofisticiranije oblike. Kada Netflix preporuči film koji će vam se svidjeti, kada Google pretpostavi vaš upit prije nego što ste ga dovršili ili kada vaš pametni telefon predvidi vašu jutarnju rutu, zapravo svjedočimo modernoj verziji Laplaceova demona.

Algoritmi prikupljaju ogromne količine podataka o vašemu prošlom ponašanju kako bi predvidjeli vaše buduće postupke. Oni ne poznaju položaj svake čestice u svemiru, ali poznaju vaše navike, sklonosti i obrasce ponašanja. I često to čine s uznemirujućom preciznošću. Postavlja se pitanje jesmo li doista toliko predvidljivi ili nam ti algoritmi jednostavno otkrivaju da je ono što smo smatrali slučajnošću bila samo zamaskirana složenost koju sami nismo mogli uočiti.

Ulazak u kvantni svijet

Do sada se sve što smo nazivali slučajnošću pokazalo kao nešto drugo, neznanje, složenost, deterministički kaos. No postoji li istinska slučajnost, ona koja ne bi proizlazila iz našega manjka informacija nego bi bila upisana u samu prirodu stvarnosti? Da bismo odgovorili na to pitanje, moramo napustiti svijet novčića i algoritama i zaroniti u svijet beskonačno maloga.

Priča počinje u devetnaestom stoljeću u prašnjavim laboratorijima gdje su fizičari pokušavali otkriti tajne atoma. Očekivali su pronaći minijaturni svijet koji funkcionira prema istim pravilima kao i naš makroskopski svijet. Umjesto toga otkrili su nešto mnogo zbunjujuće. Godine 1896. Henri Becquerel slučajno otkriva radioaktivnost. Postavio je uranijeve soli na fotografsku ploču umotanu u crni papir i kada je razvio ploču, otkrio da je njezina površina izložena zračenju. Uranij spontano emitira nevidljivo zračenje koje prolazi kroz materiju.

Uzmimo jedan radioaktivni atom, recimo uranij 238. Znamo da će se on raspasti i pretvoriti u torij 234. Znamo čak i vjerojatnost s izuzetnom preciznošću. Polovica atoma uranija 238 raspadne se za otprilike četiri i pol milijarde godina. No ono što ostaje misterij jest da ne možemo predvidjeti kada će se točno određeni atom raspasti. Ne zato što nam nedostaju informacije nego zato što navodno nema ničega što bi se moglo predvidjeti.

Atom se može raspasti u sljedećoj sekundi ili za milijardu godina. Ne postoji signal koji najavljuje raspad, nema unutarnjega sata koji otkucava, nema skrivenih varijabli koje određuju sudbonosni trenutak. Kao da taj atom u svakom trenutku baca nevidljivi novčić i raspast će se kada dobije pismo. No taj novčić ne slijedi Newtonove zakone, on se pokorava potpuno drugačijim pravilima koja prkose našoj najosnovnijoj logici.

Eksperiment s dvije pukotine

Da bismo razumjeli koliko kvantni svijet prkosi našoj intuiciji, moramo opisati eksperiment koji je sve promijenio. Zamislimo zid probušen s dva paralelna otvora, a iza toga zida postavimo zaslon koji može detektirati udar čestica. Pošaljimo elektrone jedan po jedan prema otvorima, kao da ispaljujemo mikroskopske ping-pong loptice prema dvama otvorima u zidu.

Kada bismo elektrone promatrali kao klasične čestice, očekivali bismo dvije pruge na zaslonu koje odgovaraju elektronima koji su prošli kroz svaki otvor. No to se uopće ne događa. Umjesto dviju pruga dobivamo interferentni uzorak, naizmjenične pruge jake i slabe intenzitete, točno kao da su elektroni valovi koji prolaze kroz oba otvora istodobno i međusobno interferiraju.

Ako pored jednoga od otvora postavimo detektor koji će zabilježiti kroz koji otvor elektron prolazi, interferentni uzorak trenutačno nestaje. Elektron se tada ponaša kao normalna čestica i prolazi samo kroz jedan otvor. Sam čin promatranja mijenja ponašanje elektrona. Kada nitko ne gleda, on prolazi kroz oba otvora. Kada promatramo, on bira jedan otvor.

Načelo neodređenosti

Godine 1927. Werner Heisenberg formulirao je ono što će postati jedan od najpoznatijih i najčešće pogrešno shvaćenih principa fizike, načelo neodređenosti. To načelo kaže da ne možemo istodobno točno izmjeriti određene parove svojstava čestice. Što točnije izmjerimo položaj elektrona, to manje možemo znati njegovu brzinu i obrnuto.

Dugo vremena fizičari su smatrali da ta neodređenost proizlazi iz činjenice da za mjerenje položaja elektrona moramo osvijetliti foton koji neizbježno remeti elektron. No eksperimenti su pokazali da je to objašnjenje nedostatno. Problem je dublji od pukoga remećenja uzrokovanoga mjerenjem. Nije riječ o tome da smo neizvjesni o svojstvima čestica, riječ je o tome da ta svojstva ne postoje na određen način prije mjerenja.

Kvantna mehanika otkriva nam viziju svijeta koja prkosi našoj svakodnevnoj logici. Prije mjerenja elektron nije u određenom stanju, on postoji u takozvanoj superpoziciji stanja. On je istodobno prošao kroz lijevi i kroz desni otvor, nalazi se u stanju koje nema ekvivalenta u našem makroskopskom svijetu.

Stanje čestice u kvantnoj mehanici opisuje se takozvanom valnom funkcijom koja sadrži sve vjerojatnosti, vjerojatnost pronalaska čestice ovdje ili ondje, s ovom ili onom brzinom. Prije mjerenja čestica je posvuda odjednom prema vjerojatnostima definiranima tom funkcijom. U trenutku mjerenja valna funkcija se urušava, sve mogućnosti nestaju osim jedne koja postaje stvarnost. A izbor te određene mogućnosti potpuno je slučajan, određen isključivo vjerojatnošću kodiranom u valnoj funkciji.

Velika rasprava Einstein protiv Bohra

To tumačenje kvantne mehanike pokrenulo je jednu od najstrastvenijih rasprava u povijesti znanosti. S jedne strane Albert Einstein, otac teorije relativnosti, odbijao je prihvatiti da je svemir u osnovi slučajan. S druge strane Niels Bohr, utemeljitelj kopenhaške škole tumačenja kvantne mehanike, tvrdio je da je kvantna slučajnost stvarna i nesvodiva.

Einstein nije mogao prihvatiti da svemirom upravlja slučajnost. Njegova čuvena izreka da Bog ne igra kockice sa svemirom odražavala je duboko uvjerenje da je kvantna mehanika nepotpuna. Mora da postoje skrivene varijable, tajna svojstva čestica koja još ne poznajemo, a koja određuju njihovo ponašanje. Prema Einsteinu, čestice imaju točno određena svojstva i prije mjerenja, poput skrivenih karata u špilu. Kada bismo poznavali te tajne karte, mogli bismo predvidjeti ishod svakoga mjerenja.

Bohr je naprotiv tvrdio da je kvantna slučajnost stvarna i nesvodiva. Za njega svojstva čestica ne postoje prije mjerenja, stvarnost je u osnovi probabilistička. Čestice nemaju skrivene karte, one su u stanju superpozicije sve do trenutka mjerenja.

Bellov teorem i konačni dokaz

Godine 1964. irski fizičar John Bell koji je radio u CERN-u revolucionirao je naše razumijevanje stvarnosti. Bell nije tražio slavu, on je jednostavno želio razumjeti je li Einstein bio u pravu. Ono što je otkrio poljuljat će temelje fizike i prisiliti nas da prihvatimo kako je svemir još čudniji nego što smo zamišljali.

Bellova genijalnost bila je u tome što je čisto filozofsko pitanje pretvorio u precizan matematički test. Rasprava između Einsteina i Bohra činila se nerješivom, kako eksperimentalno dokazati imaju li čestice skrivena svojstva ili su doista u neodređenu stanju. Bell je pronašao genijalan način da odgovori na to pitanje.

Njegovo razmišljanje bilo je zapanjujuće jednostavno. Ako je Einstein u pravu i čestice imaju predodređena svojstva, tada određene korelacije izmjerene među isprepletenim česticama moraju poštovati precizna matematička ograničenja. Ako su ta ograničenja prekršena, onda je Einstein u krivu, a Bohr u pravu.

Da bismo razumjeli Bellovo razmišljanje, prvo moramo shvatiti što je kvantna isprepletenost. Zamislimo dvije čestice stvorene zajedno u procesu koji čuva određena svojstva. Na primjer, dva fotona emitirana istodobno iz pobuđenoga atoma. Ti su fotoni isprepleteni, njihova svojstva ostaju povezana čak i kada su razdvojena velikim udaljenostima.

Ako izmjerimo polarizaciju prvoga fotona i ustanovimo da je vertikalno polariziran, trenutačno znamo da će njegov isprepleteni partner, čak i ako se nalazi na drugom kraju galaktike, biti horizontalno polariziran. Ta korelacija savršena je i trenutačna. Einstein je to nazivao sablasnim djelovanjem na daljinu i odbijao je povjerovati u njega.

Bell je osmislio eksperiment kojim bi se testirala ta hipoteza. Uzmimo dva isprepletena fotona i pošaljimo ih prema dvama udaljenim detektorima. Svaki detektor može mjeriti polarizaciju pod različitim kutovima. Eksperimentator može odabrati kut mjerenja u posljednjem trenutku kada su fotoni već na putu.

Ako je Einstein u pravu i fotoni imaju predodređenu polarizaciju, tada korelacije među mjerenjima moraju poštovati određena matematička ograničenja. Bell je izračunao ta ograničenja i izrazio ih u obliku nejednakosti. Ta čuvena nejednakost kaže da ako čestice imaju predodređena svojstva, određeni matematički izraz nikada ne može biti veći od dva.

No kvantna mehanika predviđa da ta granica može biti prekršena. U određenim konfiguracijama kvantna teorija predviđa najveću vrijednost od otprilike 2,83. Ta razlika između dva i 2,83 može se činiti malenom, no krije golem filozofski značaj. Ako mjerenja daju vrijednost veću od dva, to znači da je Einstein bio u krivu. Čestice nemaju predodređena svojstva, one su doista u neodređenu stanju prije mjerenja.

Godine 1982. Alain Aspect izveo je eksperiment koji je presudio u toj raspravi. Rezultati su bili nedvosmisleni, izmjerene korelacije jasno su prekršile Bellove nejednakosti. Umjesto klasične granice od dva, Aspect je izmjerio vrijednosti blizu 2,7, upravo ono što predviđa kvantna mehanika.

Priroda kvantne isprepletenosti

Često postoji veliki nesporazum o isprepletenim česticama. Mnogi misle da su to dvije čestice koje međusobno trenutačno razmjenjuju informacije, što bi značilo komunikaciju bržu od svjetlosti, što je tehnički nemoguće. Kada su dvije čestice isprepletene, treba ih razumjeti kao jedan jedinstven kvantni sustav, čak i ako su razdvojene svjetlosnim godinama.

One ne komuniciraju u uobičajenu smislu, one jednostavno više nisu odvojene. One čine jedan te isti kvantni objekt protegnut kroz prostor. Kada izmjerimo jednu isprepletenu česticu, dobivamo slučajan rezultat, ali taj rezultat trenutačno određuje stanje njezina partnera, čak i ako se nalazi na drugom kraju svemira.

Kako ta informacija može putovati brže od svjetlosti? Odgovor je da nikakva informacija ne putuje. Isprepletene čestice ne šalju jedna drugoj poruke, one su jednostavno dva aspekta iste kvantne stvarnosti. Poput novčića koji bismo mogli prerezati na pola, svaka polovica, čak i odvojena galaktikama, ostala bi povezana s drugom. Kada jedna polovica odluči pokazati pismo, druga automatski pokazuje glavu, ne zato što je primila signal, nego zato što je to isti novčić.

Posljedice kvantne slučajnosti

Aspectov eksperiment prisiljava nas da prihvatimo uznemirujuću stvarnost. Svemir sadrži nesvodivu slučajnost, slučajnost koja se ne može eliminirati više informacija jer ne postoje skrivene informacije. Ta kvantna neodređenost ima iznimno važnu posljedicu, budućnost još ne postoji.

Budućnost nije zapisana negdje u jednadžbama svemira koja čeka da bude otkrivena. Ona se stvara postupno, događaj po događaj, kvantni izbor po kvantni izbor. Svaki put kada se radioaktivna čestica raspadne, svemir nasumično bira trenutak toga raspada. Svaki put kada foton prođe kroz polupropusno zrcalo, svemir odlučuje hoće li proći ili će se odbiti. Ti izbori nisu određeni ničim osim čistom slučajnošću.

Paradoksalno, ova slučajnost koja kao da unosi kaos u svemir istodobno je pokretač kreativnosti i složenosti. U potpuno determinističkom svemiru sve bi bilo predvidljivo, ne bi bilo mjesta iznenađenju, inovaciji, nastanku novih struktura. Kvantna slučajnost razbija taj unaprijed napisani scenarij, ona unosi novost, nepredvidljivost i kreativnost u kozmos.

Sloboda svemira da se iznenadi

Ako budućnost nije predodređena, onda sam koncept sudbine gubi smisao. Ne postoji kozmički plan unaprijed napisan, nema fatalnosti upisane u zvijezde, nema unaprijed iscrtanoga puta kojim bismo trebali ići. Kvantna neodređenost oslobađa nas ideje da je sve unaprijed određeno. Ona nam govori da se svemir neprestance izmišlja i da mi sudjelujemo u tom izmišljanju.

To ne znači da je u svakom trenutku sve moguće. Zakoni fizike i dalje vrijede, kvantne vjerojatnosti strogo su definirane. No u okvirima tih zakona ostaje mali prostor za manevriranje, prostor neodređenosti u kojem budućnost može poprimiti različite oblike.

Kvantna slučajnost nije mana svemira, to je možda njegova najdragocjenija karakteristika. Ona je ta koja sprječava svemir da bude dosadna deterministička mašina. Ona omogućuje kreativnost, novost, pojavu neočekivanoga. Ona uvodi slobodu u kozmos, ne nužno ljudsku slobodu, to je složenije pitanje, već temeljniju slobodu, slobodu svemira da sam sebe iznenadi.

Ta spoznaja o kvantnoj slučajnosti otkriva nam nešto izvanredno. U našem svemiru budućnost nikada nije unaprijed napisana. Svaki trenutak donosi nove mogućnosti, nove izbore, nova rađanja stvarnosti. I dok se te riječi čitaju, negdje u svemiru jedan atom bira trenutak svojega raspada, jedan foton bira hoće li proći kroz zrcalo, i svemir se malo po malo, izbor po izbor, nastavlja stvarati.