Słyszeliście o kocie Schrödingera? Naukowcy stworzyli właśnie takiego kota z kryształu
W słynnym twierdzeniu z lat 30. ubiegłego wieku, którego autorem jest fizyk Erwin Schrödinger, kot zostaje uwięziony w pudełku i dzięki właściwościom, jakie posiadają cząstki kwantowe, wydaje się być jednocześnie żywym i martwym. Jak każdy z nas wie z własnego doświadczenia, do którego nie jest konieczny stopnień naukowy z fizyki, coś takiego jest niemożliwe w naszej rzeczywistości. W eksperymencie myślowym Schrödingera zasady świata kwantowego są przedstawione poprzez wyobrażenie kota umieszczonego wewnątrz pudełka, w którym znajduje się także fiolką z trucizną.
Mechanizm jej uwalniania jest kontrolowany przez rozpad radioaktywny, który jest całkowicie przypadkowym procesem o naturze kwantowej. Dopóki pudełko nie zostanie otwarte i sami nie zobaczymy kota na własne oczy, według zasad mechaniki kwantowej zwierzę powinno istnieć w stanie określanym jako superpozycja. To oznacza, że kot jest jednocześnie martwy i żywy. Jest tak, ponieważ cząstki kwantowe mogą istnieć w dwóch różnych stanach jednocześnie.
Czy obiekty mogą jednocześnie istnieć i nie istnieć?
Ponieważ większość efektów kwantowych zwykle rozpada się i znika w większych skalach, analogia Schrödingera miała na celu uzmysłowienie fundamentalnych różnic między naszym światem a tym w mikro skali. Co istotne nie istnieje jedna, konkretna granica między tymi dwoma skalami. To pozwoliło fizykom na próby zmuszenia złożonych obiektów w skali bliskiej do zwykłej rzeczywistości do wykazywania cech właściwych rzeczywistości kwantowej.
Jak tego dokonano? Naukowcy wprawili część kryształu szafiru w drgania, a następnie podłączyli go do obwodu nadprzewodzącego. To sprawiło, że zaczął on drgać w stanie superpozycji w taki sposób, że jego atomy poruszały się w dwóch kierunkach jednocześnie.
Następnie, aby potwierdzić, że rzeczywiście udało im się wprawić kryształ w podwójny stan, badacze zmierzyli odległość, jaka dzieliła dwa wibrujące stany kryształu. Choć wibracje miały skalę subatomową, czyli ich drgania ograniczały się do odległości równej miliardowej części jednej miliardowej metra, można je było wyraźnie odróżnić od przypadkowych drgań termicznych.
100 milionów miliardów atomów
W omawianym badaniu drgania były ograniczone do fragmentu kryształu składającego się z 100 milionów miliardów atomów, co odpowiada masie 16 mikrogramów. Jest to na tyle duża ilość, że gdyby wyodrębnić ją z reszty kryształu, byłaby widoczna gołym okiem. Teraz naukowcy zamierzają doprowadzić do tego, by zmianie mogła ulegać nie tylko masa kryształu, ale także stopień drgań, co będzie o wiele większym wyzwaniem.
W przyszłości naukowcy chcieliby jeszcze bardziej zwiększyć masę „kryształu Schrödingera", tworząc obiekty kwantowe w skali bardziej odpowiadającej naszej rzeczywistości. Dzięki temu, jak mają nadzieję, można by usprawnić proces przechowywania informacji w komputerach kwantowych, poszukiwania fal grawitacyjnych i ciemnej materii w kosmosie, a także doprowadzić do odkrycia, w jaki sposób efekty kwantowe znikają w świecie w skali makro. Jak stwierdził główny autor badania profesor fizyki w Laboratorium Fizyki Ciała Stałego na Politechnice Federalnej w Zurychu w Szwajcarii, Yiwen Chu:
Oczywiście w laboratorium nie możemy zrealizować eksperymentu z rzeczywistym kotem ważącym kilka kilogramów. Ale poprzez umieszczenie dwóch stanów oscylacyjnych kryształu w superpozycji, skutecznie stworzyliśmy kota Schrödingera ważącego 16 mikrogramów. Osiągnęliśmy nowy stan, w którym mechanika kwantowa najwyraźniej działa. Tak naprawdę dopiero zaczynamy rozumieć ten pośredni stan, w jakim znalazł się kryształ szafiru.
