Umieścili jeden kawałek metalu w dwóch miejscach jednocześnie. Dobrze czytasz
Naukowcy przeprowadzili zdumiewający eksperyment kwantowy, który brzmi wręcz nieprawdopodobnie. Wykazali, że maleńkie cząsteczki metalu, zbudowane z tysięcy atomów, mogą istnieć w wielu miejscach jednocześnie.
Fizycy udowodnili, że nawet maleńkie kawałki metalu mogą zachowywać się zgodnie z dziwnymi zasadami mechaniki kwantowej, istniejąc w stanach rozproszonych w wielu miejscach jednocześnie.
W niezywkłym badaniu, którego wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Nature, naukowcy z Uniwersytetu Wiedeńskiego i Uniwersytetu Duisburg-Essen dowiedli, że metaliczne nanocząstki zbudowane z tysięcy atomów sodu nadal wykazują zachowania kwantowe, mimo że są znacznie większe i cięższe niż cząstki zazwyczaj stosowane w tego typu eksperymentach.
Osiągnięcie to stanowi jeden z najtrudniejszych jak dotąd testów mechaniki kwantowej w skali zbliżonej do świata makroskopowego.
Fizyka kwantowa opisuje świat, w którym materia może zachowywać się zarówno jak cząstka, jak i fala. Naukowcy wielokrotnie potwierdzili to niezwykłe zachowanie elektronów, atomów i małych cząsteczek za pomocą eksperymentów interferencyjnych i eksperymentów z dwiema szczelinami.
Jednak w życiu codziennym zwykłe obiekty, takie jak skały, pył czy kulki, zdają się podlegać przewidywalnym prawom fizyki klasycznej, pozostając w jednym miejscu i poruszając się po określonych ścieżkach. Nikt nie widzi swojego kubka w dwóch różnych miejscach jednocześnie.
Wiedeński zespół badawczy, kierowany przez Markusa Arndta i Stefana Gerlicha, po raz pierwszy rozszerzył jednak efekty kwantowe na znacznie większe metaliczne nanocząstki. Klastry sodu użyte w eksperymencie miały średnicę około 8 nm, podobną do współczesnych elementów tranzystorowych. Każdy klaster miał również masę przekraczającą 170 000 jednostek masy atomowej, co czyniło go cięższym niż większość białek.
Nawet w tej skali cząstki nadal wytwarzały mierzalną interferencję kwantową. Interferencja kwantowa to zjawisko, w którym możliwe drogi lub stany cząstki nakładają się na siebie jak fale, przez co wzmacniają albo wygaszają prawdopodobieństwo wykrycia jej w konkretnym miejscu. To właśnie dlatego elektron, foton czy nawet większa cząsteczka może w eksperymencie zachowywać się tak, jakby jednocześnie sprawdzała kilka możliwości, a dopiero pomiar ujawniał jeden wynik.
Intuicyjnie można by oczekiwać, że tak duża bryła metalu będzie zachowywać się jak cząstka klasyczna. Fakt, że nadal interferuje, pokazuje, że mechanika kwantowa jest prawidłowa nawet w tej skali i nie wymaga modeli alternatywnych – mówi główny autor i doktorant Sebastian Pedalino.
Więcej na Spider's Web:
Tworzenie bryły metalu Schrödingera
Aby przeprowadzić eksperyment, naukowcy stworzyli ultrazimne klastry sodu zawierające od 5000 do 10 000 atomów. Cząsteczki te przemieszczały się następnie przez trzy siatki generowane przez ultrafioletowe wiązki laserowe.
Pierwsza wiązka laserowa ustaliła położenie każdego klastra z dokładnością około 10 nm i umieściła cząstki w superpozycji kwantowej, co oznaczało, że mogły one podążać przez aparat wieloma ścieżkami jednocześnie. Ponieważ te możliwe ścieżki nakładały się na siebie w dalszej części eksperymentu, wytworzyły wykrywalny pasiasty wzór interferencyjny, który odpowiadał przewidywaniom teorii kwantowej.
Wyniki wskazują, że cząstki nie zajmowały jednej, ustalonej pozycji podczas lotu. Zamiast tego ich stan kwantowy rozprzestrzenił się na obszarze kilkadziesiąt razy większym niż same cząstki.
Fizycy opisują te stany jako stany kota Schrödingera, nawiązując do słynnego eksperymentu myślowego austriackiego fizyka Erwina Schrödingera, w którym kot jest jednocześnie martwy i żywy, dopóki nie zostanie zaobserwowany. W tym przypadku naukowcy opisują skupiska metali jako będące jednocześnie tu i nie tutaj.
Dlaczego nie widzimy kwantowych kubków i krzeseł
Skoro metaliczna nanocząstka może zachowywać się jak fala, to dlaczego nie widzimy takich efektów w zwykłym świecie? Odpowiedź kryje się w zjawisku dekoherencji. Obiekty większe, cieplejsze i bardziej złożone bez przerwy oddziałują z otoczeniem. Zderzają się z cząsteczkami powietrza, emitują i pochłaniają promieniowanie, wymieniają energię z podłożem, są bombardowane przez światło. Każde takie oddziaływanie niszczy delikatną informację o superpozycji.
W efekcie kwantowe zachowanie nie tyle znika dlatego, że teoria przestaje działać, ile staje się praktycznie niewidoczne. Świat klasyczny można traktować jak wynik ciągłego „podsłuchiwania” obiektów przez otoczenie. Im większy obiekt, tym trudniej odizolować go od wszystkiego, co mogłoby zdradzić, którą drogą się poruszał.
Dlatego eksperyment z metalicznymi nanocząstkami jest tak wymagający. Trzeba było stworzyć warunki, w których grudka metalu złożona z tysięcy atomów nie zostanie natychmiast sprowadzona do klasycznego zachowania. W praktyce oznacza to ekstremalną kontrolę nad źródłem cząstek, laserami, próżnią, temperaturą i pomiarem.
Rekordowy test mechaniki kwantowej
Teoretyczne podstawy tego typu eksperymentu zostały opracowane w ciągu ostatnich dwóch dekad przez Klausa Hornbergera (Uniwersytet w Duisburgu i Essen), który był również współautorem nowego badania. Hornberger i Stefan Nimmrichter (ówczesny Uniwersytet Wiedeński) wprowadzili wcześniej koncepcję makroskopowości, czyli metodę porównywania, jak silnie różne eksperymenty testują granice mechaniki kwantowej.
W pracy pojawia się pojęcie makroskopowości, która dotyczy obiektów, cech lub zjawisk analizowanych w dużej skali, w przeciwieństwie do świata mikro. To miara, która pozwala porównywać różne eksperymenty kwantowe i oceniać, jak daleko przesuwają one granicę testowania superpozycji. Nie chodzi tylko o to, czy cząstka jest ciężka. Liczy się również to, jak długo utrzymuje się stan kwantowy i na jak dużą skalę przestrzenną zostaje rozciągnięty.
W nowym eksperymencie zespół osiągnął wartość makroskopowości μ = 15,5. Według naukowców, jest to wynik o rząd wielkości lepszy od poprzednich eksperymentów na świecie.
Aby osiągnąć ten sam poziom precyzji testów z wykorzystaniem elektronów, naukowcy musieliby zachować superpozycje kwantowe elektronów przez prawie 100 mln lat. Metaliczne nanocząstki w Wiedniu osiągnęły ten poziom w zaledwie około jednej setnej sekundy.
Cięższy obiekt, choć trudniejszy do kontrolowania, pozwala sprawdzać mechanikę kwantową w reżimie, w którym ewentualne odstępstwa od teorii powinny być łatwiejsze do zauważenia. Jeśli istnieją jakieś ukryte mechanizmy powodujące, że duże obiekty same z siebie przestają być kwantowe, takie doświadczenia są jednym z najlepszych sposobów, by je wykryć.
Na razie nic takiego nie wykryto.
Przyszłe zastosowania i większe eksperymenty kwantowe
Oprócz testowania podstaw fizyki, praca ta może pomóc naukowcom zrozumieć, dlaczego w świecie mikroskopowym dominują efekty kwantowe, podczas gdy codzienne obiekty wydają się normalne i klasyczne.
Zespół planuje zbadać jeszcze większe cząstki i dodatkowe materiały w przyszłych badaniach, potencjalnie poszerzając te testy o kilka rzędów wielkości. Oczekuje się, że ulepszona infrastruktura eksperymentalna i zmodernizowany sprzęt umożliwią jeszcze dokładniejsze pomiary.
To nie jest teleportacja. To coś ważniejszego
Eksperyment może kusić do sensacyjnych uproszczeń, ale jego znaczenie nie polega na tym, że naukowcy zrobili pierwszy krok do przenoszenia metalowych obiektów przez pokój. Nie chodzi też o teleportację, science fiction ani sztuczkę z ukrywaniem cząstek. Chodzi o fundamentalne pytanie: czy mechanika kwantowa jest pełnym opisem rzeczywistości również dla coraz większych obiektów?
Wynik z Wiednia wzmacnia odpowiedź: tak, przynajmniej w tej skali. Metaliczna nanocząstka, choć złożona z tysięcy atomów, nadal może zachowywać się jak fala materii. To oznacza, że granica między „kwantowym” a „klasycznym” nie jest prostą linią wyznaczoną rozmiarem. Jest raczej efektem oddziaływania z otoczeniem, utraty koherencji i praktycznych ograniczeń pomiaru.
To ważne także dla technologii. Interferometria fal materii może w przyszłości pomagać w bardzo precyzyjnych pomiarach, badaniu właściwości nanocząstek, testowaniu modeli grawitacji kwantowej i sprawdzaniu alternatywnych teorii, które próbują modyfikować równanie Schrödingera. Autorzy wcześniejszych prac wskazywali, że podobne platformy mogą być rozwijane w stronę eksperymentów z jeszcze cięższymi cząstkami, nawet w zakresie megadaltonów.
Najciekawsze w tym eksperymencie jest to, że nie obala on mechaniki kwantowej, lecz robi coś odwrotnego. Pokazuje, że teoria, która wydaje się absurdalna z punktu widzenia zdrowego rozsądku, nadal działa tam, gdzie intuicja zaczyna protestować. Grudka metalu z tysięcy atomów powinna, w naszym codziennym wyobrażeniu, być po prostu małą grudką metalu. A jednak w odpowiednich warunkach zachowuje się jak obiekt kwantowy.
Nie znaczy to, że jutro zobaczymy krzesło w superpozycji albo samochód jadący dwiema drogami naraz. Znaczy to jednak, że świat klasyczny, który uważamy za oczywisty, jest tylko wygodnym przybliżeniem. Pod spodem nadal działa mechanika kwantowa. Czasem trzeba tylko bardzo dobrego laboratorium, ultrafioletowych laserów i odrobiny sodu, żeby ją zobaczyć.
