Nanocząstki sodu w dwóch miejscach jednocześnie
Eksperyment o nazwie MUSCLE polegał na obserwacji klastrów sodu zawierających od 5 do 10 tysięcy atomów. Dla porównania, średnica takiego obiektu to około 8 nanometrów, czyli rozmiar zbliżony do najcieńszych elementów współczesnych procesorów. Masa przekracza 170 tysięcy jednostek masy atomowej, czyniąc je cięższymi od wielu złożonych białek. Kluczem było zaobserwowanie zjawiska interferencji, czyli cechy typowej dla fal. Gdy nanocząstki przelatywały przez specjalnie skonstruowany interferometr, zachowywały się jak fale, tworząc charakterystyczny wzór. Analiza tego wzoru ujawniła, że każda z nich była rozmyta w przestrzeni na odległość 133 nanometrów. Oznacza to, iż pojedynczy kawałek metalu nie miał jednego, określonego położenia, lecz istniał jednocześnie w dwóch punktach oddalonych od siebie o dystans ponad dziesięciokrotnie większy niż jego własny rozmiar.
Czytaj też: Reguły gry w fizyce kwantowej do zmiany! Efekt Kondo zaskoczył ekspertów
Fizycy nazywają ten stan makroskopową superpozycją, nawiązując do słynnego kota Schrödingera. Tamten eksperyment myślowy dotyczył hipotetycznego zwierzęcia w stanie, który oznaczał, iż zwierzę było żywe i martwe jednocześnie. Tutaj mamy do czynienia z realnym, masywnym obiektem, który podróżował dwiema różnymi, klasycznie wykluczającymi się drogami w tym samym czasie.
Nowy rekord potwierdza teorię
Aby móc porównywać różne eksperymenty wykraczające poza mikroświat, naukowcy wprowadzili specjalną miarę zwaną makroskopowością. W tym badaniu jej wartość osiągnęła 15,5, co stanowi dziesięciokrotne poprawienie poprzedniego rekordu. Liczba ta potwierdza, że obserwujemy efekt kwantowy na bezprecedensową skalę. Dla fizyków teoretyków najważniejszy wniosek jest taki, iż standardowa mechanika kwantowa, opisana równaniem Schrödingera, sprawdza się doskonale nawet dla obiektów zawierających tysiące atomów. Nie potrzebuje żadnych poprawek czy dodatkowych założeń, które próbowałyby wymusić na niej przejście w fizykę klasyczną dla większych obiektów.
Intuicyjnie oczekiwalibyśmy, że tak duża bryła metalu będzie zachowywać się jak klasyczna cząstka. Fakt, że nadal wykazuje interferencję, pokazuje, że mechanika kwantowa obowiązuje nawet w tej skali i nie wymaga alternatywnych modeli – relacjonuje Sebastian Pedalino z Uniwersytetu Wiedeńskiego
Wynik ten stanowi mocny argument przeciwko tzw. modelom makrorealistycznym, które zakładały, że powyżej pewnej skali masa czy rozmiar powinny “zmusić” obiekt do zachowań zgodnych z naszą codzienną intuicją. Wygląda na to, iż natura nie uznaje takiej prostej granicy.
Precyzyjny czujnik i plany na przyszłość
Urządzenie zbudowane na potrzeby eksperymentu MUSCLE okazało się niezwykle czułym instrumentem pomiarowym, zdolnym do wykrywania niebywale małych sił. Plany naukowców są jednak jeszcze śmielsze. Masa badanych już klastrów sodu dorównuje masie niektórych wiroidów czy dużych białek. Kolejnym celem są obiekty o masie sięgającej megadaltonów, porównywalne z najmniejszymi wirusami. Teoria umożliwiająca takie badania, rozwijana od dwóch dekad przez Klausa Hornbergera i Stefana Nimmrichtera, jest już gotowa.
Czytaj też: Symulacje kwantowe na laptopach. Fizycy upraszczają skomplikowane obliczenia
Realizacja tych planów może w przyszłości pozwolić na testowanie fundamentalnych praw, jak zasada równoważności, z użyciem różnych form materii. Z punktu widzenia laika, najciekawsze jest jednak proste pytanie: jak duży obiekt może jeszcze zachowywać się kwantowo? Odpowiedź wciąż brzmi: nie wiemy, choć granica jest znacznie dalej, niż sądziliśmy.