Kot Schrödingera na sterydach
Zjawisko superpozycji kwantowej to jeden z tych fenomenów, które trudno pojąć zdrowym rozsądkiem. Mówiąc najprościej, cząstka może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie, dopóki ktoś jej nie zaobserwuje. Słynny eksperyment myślowy Erwina Schrödingera z kotem, który jest jednocześnie żywy i martwy, właśnie to ilustruje. Wiedeński zespół postanowił sprawdzić, jak daleko można tę ideę rozciągnąć. Członkom zespołu badawczego udało się wprowadzić w stan superpozycji skupiska zawierające ponad 7000 atomów sodu. Co więcej, „wersje” tej samej nanocząstki istniały w dwóch miejscach oddalonych od siebie aż o 133 nanometry. To odległość ponad dwudziestokrotnie większa niż szerokość samych badanych obiektów.
Czytaj też: Światło w kształcie pączka uratuje Wi-Fi? Nowa fizyka obiecuje koniec z gubieniem zasięgu
Wyniki opublikowane w Nature pokazują rekordową wartość tzw. makroskopijności, która sięgnęła 15.5. To prawdziwy skok, biorąc pod uwagę, że poprzedni rekord oscylował wokół 1.5. Masa tych nanocząstek to około 170 kilodaltonów, co porównywalne jest z niektórymi wirusami czy dużymi cząsteczkami białek. W skali mikroświata to już prawdziwi giganci. Sebastian Pedalino, główny autor badania, podkreśla uniwersalność mechaniki kwantowej, która nie powinna stawiać fundamentalnych ograniczeń związanych z rozmiarem.
Sześć metrów precyzji
Sam eksperyment to majstersztyk inżynierii. Jego sercem był dwumetrowy interferometr, umieszczony wewnątrz sześciometrowej komory próżniowej. Naukowcy wykorzystali wiązki ultrafioletowego światła laserowego, tworząc coś w rodzaju „siatki”, przez które przechodziły nanocząstki. Zasada działania przypomina klasyczne doświadczenie z dwiema szczelinami, gdzie cząstka zachowuje się jak fala.
Nie wiesz, przez którą ze szczelin przeszła cząstka lub funkcja falowa – musisz założyć, że przeszła przez wszystkie, co tworzy wzór interferencyjny – dodaje Pedalino
Doprowadzenie tego pomysłu do końca wymagało pokonania gigantycznych przeszkód. Konieczne było utrzymanie niemal idealnej próżni, ścisła kontrola temperatury cząstek, a nawet korygowanie drobnych efektów związanych z ruchem obrotowym Ziemi, które mogłyby zniszczyć delikatny stan kwantowy. Przełom nastąpił po latach mozolnej pracy, na wiosnę 2024 roku.
Co dalej z kwantową rzeczywistością?
Bezpośredni wniosek z eksperymentu brzmi niemal banalnie: standardowa mechanika kwantowa działa. Równanie Schrödingera nie potrzebuje poprawek nawet dla obiektów tej wielkości. Choć to potwierdzenie istniejącej teorii, ma głębokie znaczenie filozoficzne. Oznacza to, iż dziwne prawa kwantów są naprawdę uniwersalne. Równocześnie wyniki obalają niektóre alternatywne teorie, które przewidywały, że dla określonej masy funkcja falowa musi się „załamać”, zmuszając obiekt do wyboru jednego stanu. Jeśli takie granice istnieją, leżą znacznie dalej.
Najciekawsze może być jednak to, co planują naukowcy dalej. Zespół chce wykorzystać ten sam układ do badania małych wirusów i innych cząstek biologicznych. To otwiera drogę do zupełnie nowego sposobu badania świata nanobiologii za pomocą narzędzi mechaniki kwantowej. Być może w końcu uda się uchwycić moment, w którym świat kwantowy przechodzi w klasyczny. A może okaże się, że takiego ostrego podziału po prostu nie ma. Eksperyment z Wiednia pokazuje, że nasza intuicja zawodzi na każdym kroku. Zasady, które wydają się absurdalne w skali naszego codziennego życia, nadal obowiązują dla obiektów zbudowanych z tysięcy atomów.