Fundamentalny problem kwantowej rzeczywistości
Przeniesienie zjawiska tłumienia z makroświata do skali kwantowej okazało się niezwykle trudne. Jak wyjaśnia Nam Dinh, student zaangażowany w badania, w fizyce klasycznej wiadomo, że kiedy obiekty wibrują lub oscylują, tracą energię z powodu tarcia, oporu powietrza i innych czynników. W świecie kwantowym nie jest to równie oczywiste, a sprawy wyraźnie się komplikują. Kluczową barierą było pogodzenie tłumienia z zasadą nieoznaczoności Heisenberga fundamentalną cechą rzeczywistości kwantowej. Dennis Clougherty, kierujący zespołem, zwraca uwagę na ten problem. Zachowanie zasady nieoznaczoności Heisenberga było nie lada wyzwaniem.
Czytaj też: Reakcje chemiczne wbrew prawom fizyki. Zagadka rozwiązana po 9 latach
Podstawą rozwiązania problemu stał się model opracowany przez brytyjskiego fizyka Horace’a Lamba w 1900 roku, opisujący klasyczne tłumienie wibrującej cząstki. Fizycy z Vermont dostosowali ten model do realiów kwantowych, co wymagało rozwiązania problemu wielu ciał, jednego z najbardziej złożonych w fizyce teoretycznej. Aby zachować zasadę nieoznaczoności, konieczne jest szczegółowe uwzględnienie interakcji atomu ze wszystkimi innymi atomami w ciele stałym. Żeby to osiągnąć, członkowie zespołu badawczego musieli oprzeć się na zaawansowanej metodzie matematycznej zwanej wielomodową transformacją Bogolubowa, prowadząc do stanu określanego jako “wielomodowa ściśnięta próżnia”.
Perspektywy i ograniczenia. Jakie będą dalsze kroki fizyków?
W teorii dokonane odkrycie umożliwia pomiary przekraczające standardowe ograniczenia kwantowe. Zmniejszając wspomnianą nieoznaczoność, fizycy będą mogli mierzyć położenie z dokładnością poniżej standardowego limitu kwantowego. To prowadzi do realizacji scenariusza, w którym tworzone są czujniki o bezprecedensowej czułości. Podobne metody matematyczne już teraz znajdują zastosowanie w wykrywaniu fal grawitacyjnych, czyli technologii nagrodzonej Noblem w 2017 roku. Te instrumenty potrafią rejestrować zmiany tysiąc razy mniejsze niż wynosi średnica jądra atomowego.
Czytaj też: Zapomnij o wszystkim co wiesz o fizyce kwantowej. Nowe odkrycie podważa fundamentalne założenia nauki
Praca opublikowana Physical Review Research powstała przy wsparciu National Science Foundation i NASA. Zaangażowanie agencji kosmicznej sugeruje potencjalne zastosowania w eksploracji kosmosu. Oczywiście historia nauki zna wiele przełomowych teorii, których praktyczne wdrożenie zajęło dekady. Ale skoro mogliśmy czekać niemal sto lat na rozwiązanie tak trudnej zagadki, to można uznać, że najważniejszy krok już za nami. Teraz przyjdzie pora na osiągnięcie praktycznych korzyści. Jeśli przewidywania się potwierdzą, możemy kiedyś zyskać narzędzia pomiarowe o czułości, która dziś wydaje się nie do osiągnięcia. W związku z tym warto uzbroić się w cierpliwość.