Particulele subatomice şi proprietăţile lor ciudate

Lumea cuantică este caracterizată de o serie de fenomene stranii care nu pot fi explicate cu ajutorul fizicii clasice. Acesta este motivul pentru care lumea cuantică are propriul set de legi fizice care fac obiectul mecanicii cuantice. Un astfel de fenomen misterios, pe care Albert Einstein l-a denumit cândva drept o „acțiune înfricoşătoare la distanță”, este inseparabilitatea cuantică.

Pe scurt, inseparabilitatea cuantică este un fenomen din fizica cuantică în care particulele elementare se corelează reciproc şi interacţionează într-un mod previzibil între ele, indiferent de cât de departe se află unele faţă de altele. Chiar dacă sunt separate în spaţiu, două particule aflate într-o stare de inseparabilitate cuantică păstrează între ele o conexiune fundamentală prin care la orice acțiune efectuată asupra unei particule, ceealaltă particulă pereche va răspunde instantaneu.

În acest fel, un observator ce măsoară starea unei particule elementare poate prezice cu precizie valorile măsurătorilor ce corespund unui alt observator ce analizează starea unei alte particule elementare care este corelată cuantic cu prima şi care se află la mare distanţă de aceasta.

Acest comportament bizar al particulelor elementare, care devin indisolubil legate între ele, a fost denumit de către Einstein drept o „acțiune înfricoşătoare la distanță”, deoarece în conformitate cu teoria relativităţii particulele elementare nu pot interacţiona instantaneu între ele. Teoria relativității afirmă că viteza maximă de transmitere a informaţiei nu poate depăşi viteza luminii în vid.

Deși inseparabilitatea cuantică pare un fenomen ştiinţifico-fantastic, această proprietate a lumii cuantice este reală și poate fi observată.

În urmă cu 50 de ani, fizicianul John Bell a sugerat că trebuie să existe o limită superioară, descrisă de „Inegalitatea lui Bell”, a gradului de corelare între măsurătorile efectuate asupra fiecărui membru al unei perechi de particule corelate cuantic, fiecare particulă din Univers având propriile sale proprietăți măsurabile.

Cu toate acestea, fizicienii au observat corelații care depășesc această limită superioară, ceea ce confirmă existenţa fenomenului de inseparabilitate cuantică.

În experimentele anterioare au fost identificate anumite „lacune” sau incertitudini, astfel încât pe baza acestora nu s-a putut dovedi că inseparabilitatea cuantică este într-adevăr o realitate fizică.

În prezent, cercetătorii de la MIT, University of Vienna, dar şi din alte institute de cercetare, încearcă să rezolve aceste „lacune”.

Libertatea de alegere a fost considerată o astfel de „lacună”, deoarece s-a sugerat că datorită intervenției factorului uman, adică prin modul de configurare a experimentului, alegerea particulelor inseparabile cuantic, măsurătorile efectuate asupra particulelor, etc, în experimente pot fi evidențiate anumite caracteristici specifice fenomenului de inseparabilitate cuantică, în condiţiile în care ele nu există în realitate.

„Scepticismul cu privire la fenomenul inseparabilităţii cuantice nu mai poate fi susţinut cu aceeaşi tărie ca până acum. Chiar dacă nu am eliminat complet incertitudinea, am micșorat-o cu 16 ordine de mărime”, a declarat cercetătorul David Kaiser, profesor de fizică la MIT.

Concluziile cercetătorilor au fost publicate în revista Physical Review Letters.

„Stele aliniate”

Pentru a elimina orice dubiu, cercetătorii au verificat inegalitatea lui Bell cu ajutorul unor fotoni proveniţi de la stele.

Oamenii de ştiinţă de la University of Vienna și din cadrul Academy of Sciences din Austria au configurat o sursă de fotoni inseparabili cuantic pe acoperișul unui laborator universitar din Viena. În fiecare experiment pe care l-au efectuat, ei au trimis fotonii inseparabili cuantic, în direcții opuse, către 2 detectoare amplasate în clădirea Austrian National Bank și, respectiv, într-o altă clădire din cadrul University of Vienna.

De asemenea, cercetătorii au amplasat telescoape în cele două locaţii ale detectoarelor pe care le-au orientat către anumite stele de la care puteau să recepţioneze suficienţi fotoni. Dintre aceste stele, cea mai apropiată stea se află la o distanţă aproximativă de 600 de ani-lumină.

Inseparabilitatea cuantică testată cu ajutorul stelelorInegalitatea lui Bell testată cu ajutorul stelelor. Credit: Christine Daniloff/MIT

„În acele nopți, stelele s-au aliniat”, a declarat Andrew Friedman, cercetător la MIT.

În acest fel, detectoarele oamenilor de ştiinţă au reuşit să capteze un număr mare de fotoni.

În cele câteva microsecunde înainte ca fotonii inseparabili cuantic să ajungă la detectoare, cercetătorii au utilizat fiecare telescop pentru a măsura proprietăţile fotonilor proveniţi de la stele, mai exact dacă lungimea de undă a acestor fotoni era deplasată spre domeniul de energie mică (roşu) al spectrului electromagnetic sau spre domeniul de energie mare (albastru), în comparaţie cu o lungime de undă de referinţă.

Cercetătorii au utilizat această proprietate aleatoare a unor fotoni, care au fost generaţi în urmă cu 600 de ani, pentru a determina care proprietate a fotonilor inseparabili cuantic, care intră în detectoare, este măsurată.

În cazul fotonilor având o lungime de undă deplasată spre roşu, dispozitivul experimental a măsurat polarizarea fotonului inseparabil cuantic după o anumită direcţie, iar în cazul fotonilor având o lungime de undă deplasată spre albastru, dispozitivul a măsurat polarizarea fotonului inseparabil cuantic după o direcţie diferită.

În acest fel cercetătorii au reuşit să măsoare aproximativ 100.000 de perechi de fotoni inseparabili cuantic, iar „rezultatele măsurătorilor sunt în concordanță cu predicţiile mecanicii cuantice și nu cu predicțiile lui Einstein”, a explicat Kaiser.

Pe baza fotonilor proveniţi de la stele, cercetătorii au reuşit să verifice mult mai precis inegalitatea lui Bell, în comparaţie cu experimentele anterioare, precizia măsurătorilor fiind îmbunătăţită de 16 ori.

Acest experiment reprezintă un nou exemplu privind modul cum progresul tehnologic ne ajută să observăm şi să înţelegem mai bine Universul, concluzia cercetătorilor fiind aceea că inseparabilitatea cuantică este într-adevăr o realitate fizică.

Sursă: Phys, Futurism