Atomul în timpul unor măsurători cuantice

Universul pe care îl experimentăm în viața noastră de zi cu zi nu este tocmai ca cel pe care îl observăm de aproape.

Poziţia unui electron este nedefinită înainte ca electronul să fie observat, aceasta putând fi descrisă doar în termeni de probabilităţi.

Precum în experimentul mental cu pisica metaforică a lui Schrödinger, în care trebuia să ridicăm capacul cutiei în care se află pisica și să privim în interior pentru a afla starea acesteia, un electron se așază într-o poziție clară în jurul unui atom abia după ce este observat.

Recent, o echipă de fizicieni din Suedia, Germania și Spania a obţinut o serie de instantanee ale unui ion de stronțiu aflat într-un câmp electric şi a descoperit că tranziţia unui electron de la „posibil” la „realitate” nu este de tipul totul sau nimic.

Particulele subatomice nu pot fi descrise decât folosind seturi de probabilități, numite superpoziții, până când le cercetăm cu ajutorul unor sonde și le bombardăm cu radiaţii electromagnetice pentru a le determina, cu precizie, tipul, mărimea și alte caracteristici.

În lumea noastră clasică a absoluturilor, acest lucru este greu de imaginat. Chiar şi faimosul fizician Erwin Schrödinger a luat în derâdere această posibilitate atunci când a auzit-o pentru prima dată, prezentând un experiment de gândire care implică o pisică imaginară care poate fi atât vie, cât şi moartă, până ne uităm la ea.

În experimentul imaginar, o pisică este închisă într-o cutie şi probabilitatea ca aceasta să fie vie sau moartă este de 50%,  în funcţie de starea unei particule subatomice.

Erwin Schrödinger a arătat că până când nu ştim sigur starea în care se află pisica, aceasta este atât vie, cât și moartă , în tot acest timp pisica aflându-se într-o superpoziţie (suprapunere) a două sau mai multe stări posibile.

Schrödinger a considerat că această posibilitate este o prostie, la fel ca și Einstein, dar de atunci numeroase experimente au arătat că această pisică metaforică reprezintă într-adevăr o descriere exactă a modului în care funcționează fizica.

Inevitabil ne putem întreba dacă putem efectua o măsurătoare cuantică ideală prin care să determinăm caracteristicile unui sistem fără ca superpoziția acestuia să colapseze într-o stare finală perfect determinată.

În anii 1940, matematicianul John von Neumann a considerat că măsurarea unei părți a unui sistem cuantic, cum ar fi poziția unui electron pe o orbită, produce suficient zgomot cuantic care perturbă natura lui probabilistică.

Ani mai târziu, fizicianul Gerhart Lüders a contestat presupunerile lui von Neumann subliniind că unele proprietăţi ale unei particule ar putea rămâne neafectate în urma procesului de măsurare.

Deși în teorie fizicienii au fost de acord cu Lüders, nu este ușor de demonstrat experimental această presupunere pe baza măsurării anumitor acțiuni care au loc, în mod natural, fără a interfera între ele.

Pentru aceasta cercetătorii au efectuat un experiment cu un atom de stronțiu având electroni lipsă (ion) pe care l-au „fixat” într-o capcană de ioni.

Configuraţia experimentală folosită a fost similară celei utilizate în multe computere cuantice. Un fascicul laser forțează superpoziția electronilor din ion să se miște, deplasarea potențială a orbitei fiind confirmată prin detectarea radiaţiei emise pe măsură ce electronul cade înapoi pe vechea orbită.

Doar după detectarea acestei radiaţii se poate considera că poziția electronului a fost stabilită.

Capcană de ioni. Credit:F. Pokorny

„De fiecare dată când măsurăm orbita electronului, constatăm că electronul a fost pe o orbită inferioară sau superioară, dar niciodată între ele.

Măsurarea, într-un anumit sens, stabilește în care din cele două stări se află electronul”, a declarat fizicianul Fabian Pokorny din cadrul Universității din Stockholm.

Prin capturarea a numeroși fotoni pe măsură ce ionul de stronțiu a fost rotit în diferite stări cu ajutorul laserului, fizicienii au obţinut o imagine a evoluției acest proces care a avut o durată de o milionime de secundă.

Cercetătorii au descoperit că tranziția sistemului cuantic de la „posibil” la „realitate” nu este absolută. Aspecte ale acestuia pot fi măsurate, cum ar fi poziţia finală a electronului, fără a afecta alte caracteristici ale superpoziției sale care au rămas nedefinite. Exact cum susţinuse Lüders.

„Aceste descoperiri deschid o nouă perspectivă asupra funcționării lumii cuantice și sunt în concordanță cu predicțiile fizicii cuantice moderne”, afirmă cercetătorul principal Markus Hennrich din cadrul Universităţii din Stockholm.

Tranziţia electronului nu este instantanee. Pe baza unor imagini ale atomului cu unul dintre electronii săi aflat pe o orbită evidentă, cercetătorii au arătat că trecerea de la o orbită nedefinită către una specifică poate fi descrisă mai degrabă printr-o creștere a probabilității decât printr-o tranziţie bruscă.

Acesta nu este primul experiment care arată că tranziţiile cuantice ale electronului se desfăşoară mai degrabă precum „erupția unui vulcan” decât ca un comutator.

Din păcate, nimic din toate acestea nu ne ajută să înţelegem ce înseamnă cu adevărat tranziția posibilităților cuantice către o măsurătoare clară în marea schemă a lucrurilor, lăsându-ne în continuare să ne gândim la pisica lui Schrödinger care așteaptă cu răbdare în întuneric să fie descoperită.

Tot ce știm este că prin ridicarea capacului cutiei în care se află pisica nu eliminăm complet misterul din jurul acesteia, chiar dacă ea riscă o moarte mai lentă decât şi-ar fi imaginat von Neumann.

Această cercetare a fost publicată în Physical Review Letters.

Sursă: Science Alert