W jednym ze wspomnianych eksperymentów naukowcy z Uniwersytetu Wiedeńskiego pokazali, że niewielkie grudki metalu, czyli nanocząstki złożone z tysięcy atomów sodu, zachowują się zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej. Oznacza to, iż nie mają jednej, określonej pozycji, a zamiast tego mogą istnieć w stanie rozmycia przestrzennego, czyli po prostu superpozycji. W rzeczywistości oznacza to, iż taki obiekt jest jednocześnie w obu miejscach, dopóki nie zostanie zmierzony.
Eksperyment polegał na przepuszczeniu tych nanocząstek przez układ trzech precyzyjnych siatek laserowych. W jego trakcie każda cząstka nie wybiera jednej trajektorii, a podąża wieloma możliwymi drogami naraz. Na końcu układu powstaje charakterystyczny wzór interferencyjny. Jest to dowód na to, że cząstka zachowywała się jak fala, a nie klasyczny obiekt o jednej pozycji. Co szczególnie istotne, skala tego zjawiska jest bezprecedensowa: badane cząstki miały średnicę około 8 nanometrów i masę przekraczającą 170 tysięcy jednostek masy atomowej, a więc większą niż wiele białek.
Czytaj też: Przełom w fizyce kwantowej. Naukowcy potwierdzili uniwersalne prawo wzrostu w dwóch wymiarach
Fizycy określają taki stan jako odpowiednik słynnego eksperymentu myślowego Schrödingera z równie słynnym kotem. Tutaj zamiast futrzaka mamy jednak metalową grudkę, która jednocześnie istnieje w dwóch stanach przestrzennych. Kluczowe jest to, iż jej rozmycie jest wielokrotnie większe niż jej własny rozmiar, co jeszcze bardziej podkreśla skalę zjawiska.
Równolegle do tych badań zespół z Australian National University wykonał ważny krok naprzód, obserwując splątanie kwantowe atomów helu poruszających się w przestrzeni. W tym przypadku naukowcy udowodnili, że nie tylko światło (fotony), lecz również cząstki posiadające masę mogą jednocześnie istnieć w wielu stanach i lokalizacjach, pozostając przy tym wzajemnie powiązane w sposób natychmiastowy, niezależnie od odległości.
To odkrycie jest szczególnie istotne, ponieważ dotychczas większość eksperymentów kwantowych dotyczyła właśnie światła lub bardzo małych układów. Atomy, w przeciwieństwie do fotonów, podlegają grawitacji i trudniej utrzymać je w stanie kwantowym. Mimo to badaczom udało się wykazać, że także i one mogą znajdować się jednocześnie w wielu miejscach i interferować same ze sobą.
W codziennym doświadczeniu obiekty mają jasno określoną pozycję i trajektorię. Na przykład piłka nie znajduje się jednocześnie w dwóch miejscach. Tymczasem wyniki badań sugerują, że dziwność mechaniki kwantowej nie znika nagle wraz ze wzrostem rozmiaru obiektu, a stopniowo przechodzi w znaną nam rzeczywistość.
Czytaj też: Nieznany wcześniej sposób wiązania tlenu przez metale zapoczątkował nowy rozdział w chemii
Nowe osiągnięcia ustanawiają również rekordy w makroskopowości eksperymentów kwantowych, czyli miary określającej, jak duże i złożone obiekty mogą wykazywać efekty kwantowe. W przypadku wiedeńskiego eksperymentu uzyskano wynik znacząco przewyższający wcześniejsze próby, co dodatkowo ogranicza możliwość istnienia alternatywnych teorii fizycznych konkurujących z mechaniką kwantową.
A co z praktyką? Tak precyzyjne układy interferencyjne mogą w przyszłości posłużyć jako niezwykle czułe detektory sił, a także narzędzia do badania właściwości materiałów na poziomie pojedynczych cząstek. Co więcej, eksperymenty z coraz większymi obiektami mogą pomóc w zbliżeniu dwóch wielkich filarów fizyki: mechaniki kwantowej i teorii względności, które do dziś pozostają trudne do pogodzenia.
