W klasycznej fizyce zmiana punktu obserwacji jest prosta: ruch statku kosmicznego względem Ziemi czy porównanie dwóch układów odniesienia można opisać równaniami Einsteina. Gdy jednak przeniesiemy się do świata kwantów, w którym obiekty istnieją w superpozycjach stanów, taka zamiana perspektyw staje się niemal niemożliwa. Dotychczas, aby opisać zjawisko “z punktu widzenia” cząstki, trzeba było brać pod uwagę cały stan Wszechświata, a to wymagało niepraktycznych założeń.
Czytaj też: Kwantowy skok w elektronice stał się faktem. Naukowcy mogą teraz obserwować to, co było tylko w teorii
Badacze z Instytutu Optyki i Informacji Kwantowej Austriackiej Akademii Nauk (IQOQI) oraz Université Libre de Bruxelles pokazali, że można to zrobić inaczej. Ich nowe podejście, opisane w Communications Physics, pozwala przełączać się między różnymi kwantowymi ramami odniesienia bez wiedzy o “reszcie kosmosu”. To radykalna zmiana w myśleniu o obserwacji w skali mikro.
Jak wygląda Wszechświat “z perspektywy” cząstki elementarnej?
Inspiracją były słynne eksperymenty myślowe Einsteina, w których promień światła odbija się między lustrami w poruszającym się statku. Dla astronauty i dla obserwatora na Ziemi droga światła wygląda inaczej, ale oba opisy da się przeliczyć. W mechanice kwantowej problem komplikuje fakt, że sam statek – czy jakikolwiek obiekt – może znajdować się w superpozycji, a jego parametry nie są jednoznaczne.
Czytaj też: To może być rewolucja. To niewielkie urządzenie zmniejsza emisje komputerów kwantowych 10 000 razy
Esteban Castro-Ruiz z IQOQI i Ognyan Oreshkov z Brukseli opracowali matematyczną ramę, która omija ten kłopot. Zamiast opisywać cały Wszechświat, dzielą analizowany układ na mniejsze podsystemy, w których można precyzyjnie wskazać cząstki pełniące rolę obserwatora i obserwowanego. Dla trzech elektronów oznacza to, że pierwszy z nich można w pełni opisać z punktu widzenia dwóch pozostałych – nawet jeśli wszystkie pozostają w stanach splątanych.
Nowa koncepcja wprowadza pojęcie tzw. kwantowej ramy odniesienia. W klasycznej fizyce ramą jest układ współrzędnych, w kwantowej – sama cząstka, która może znajdować się w superpozycji. Oreshkov wyjaśnia, że do pełnego opisu potrzebny jest dodatkowy podsystem zawierający informacje o relacjach między wszystkimi elementami. Gdy rama jest klasyczna, ten podsystem nie ma znaczenia. Gdy jest kwantowa – staje się kluczem do zrozumienia, jak pęd i położenie są ze sobą powiązane.
Dzięki tej konstrukcji badacze mogą płynnie przechodzić między różnymi perspektywami, uzyskując kompletną funkcję falową całego systemu z punktu widzenia wybranej cząstki – coś, co wcześniej wydawało się niemożliwe.
Nowe narzędzie to nie tylko elegancja matematyczna. Może ono dostarczyć brakującego elementu w wielkiej układance fizyki: połączeniu mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności. Relatywistyka zakłada gładką czasoprzestrzeń i klasyczne ramy odniesienia, podczas gdy mechanika kwantowa operuje na probabilistycznych superpozycjach.
Esteban Castro-Ruiz z IQOQI mówi:
Jednym z największych wyzwań w fizyce jest unifikacja kwantów i grawitacji. Nasze podejście może podsunąć nowe wskazówki, jak to zrobić.
Jeśli metoda znajdzie potwierdzenie w eksperymentach, może pomóc w badaniach czarnych dziur, wczesnego Wszechświata czy innych ekstremalnych zjawisk, w których pojęcie klasycznego obserwatora przestaje mieć sens.