Nou record în superpoziţia cuantică: 2.000 de atomi în două locuri diferite în acelaşi timp

Probabil că aţi auzit de experimentul mental, imaginat de fizicianul E. Schrödinger, în care o pisică este închisă într-o cutie şi aceasta poate să fie vie sau moartă în funcţie de starea unei particule subatomice.

Acest experiment ilustrează ce se întâmplă atunci când se aplică interpretarea Copenhaga a mecanicii cuantice asupra obiectelor din viața de zi cu zi. Pisica cuantică trăieşte istorii paralele perfect posibile, cele două istorii, de a fi vie sau moartă, putând coexista până în momentul în care cineva deschide cutia.

Motivul pentru care acest lucru ni se pare imposibil este faptul că intuiția noastră umană nu este familiarizată cu acest concept. Cu toate acestea, acest lucru este perfect posibil în conformitate cu regulile ciudate ale mecanicii cuantice.

Motivul este acela că spectrul posibilităților în universul cuantic este imens. Matematic, o stare cuantică este suma (sau superpoziția) tuturor stărilor posibile. În cazul pisicii lui Schrödinger, aceasta se află într-o stare de superpoziție a celor două stări posibile: ”vie” şi ”moartă”.

Oamenii de știință au reușit recent să aplice această teorie în cazul unor molecule uriașe formate din 2.000 de atomi.

Superpoziția cuantică a fost testată de nenumărate ori pe sisteme mai mici, fizicienii arătând cu succes că particule individuale pot fi în două locuri simultan. Cu toate acestea, până în prezent un astfel de experiment nu a mai fost realizat la această scară.

Credit: Yaakov Fein/University of Vienna

Experimentul le-a permis oamenilor de știință să rafineze ipotezele mecanicii cuantice, să înțeleagă mai bine modul cum funcționează această ramură a fizicii și cum pot fi aplicate legile mecanicii cuantice în cazul unor molecule.

„Rezultatele noastre sunt conforme cu teoria cuantică și ele nu pot fi explicate cu ajutorul fizicii clasice”, afirmă cercetătorii în lucrarea publicată.

Fizicianul austriac Erwin Schrödinger a înţeles că electronii, atomii sau oricare alte particule subatomice nu pot fi descrise ca nişte bile de biliard, care se află exact acolo unde ne așteptăm şi exact în momentul când ne așteptăm.

În schimb, trebuie să admitem că particulele au poziții care sunt răspândite în spațiu și că nu putem cunoaşte cu precizie locul unde se află o anumită particulă, la un moment dat. În schimb, putem cunoaşte doar care este probabilitatea de a găsi particula într-un anumit loc.

Noul studiu implică ecuația Schrödinger, care descrie modul în care particulele individuale pot acționa ca unde în mai multe locuri simultan.

Pentru a testa acest lucru, oamenii de știință au realizat un experiment cu două fante care este foarte familiar în rândul fizicienilor din domeniul mecanicii cuantice.

În mod obişnuit, experimentul implică trimiterea unor particulelor individuale de lumină (fotoni) în direcţia unui perete în care există două fante. Dacă fotonii ar acționa, pur și simplu, ca particule, atunci vom obţine un model format din două linii verticale pe ecranul din spatele peretelui, corespunzătoare poziţiei celor două fante.

În realitate, se formează un model de interferență care demonstrează că particulele de lumină pot acționa și ca unde.

Credit: Johannes Kalliauer/Wikimedia, CC-BY-SA 3.0

Se pare că fotonii se pot afla simultan în două locuri diferite, precum pisica din experimentul imaginat de Schrödinger. Aceasta poate fi în două stări diferite, atât timp cât nu este observată. De îndată ce cutia în care se află este deschisă, pisica poate fi vie sau moartă.

La fel este și în cazul fotonilor. De îndată ce starea fotonului este măsurată sau observată direct, superpoziția cuantică dispare și starea fotonului este stabilită. Acesta este unul dintre misterele mecanicii cuantice.

Experimentul cu două fante a fost efectuat cu electroni, atomi și molecule mai mici. Recent fizicienii au reuşit să folosească în cadrul experimentului molecule grele, formate din până la 2.000 de atomi, obţinând modele de interferență cuantică, ca și cum moleculele s-ar comporta ca unde și s-ar afla în mai multe locuri simultan.

Unele molecule utilizate în acest experiment au fost de peste 25.000 de ori mai masive decât atomul de hidrogen.

Pe măsură ce se utilizează molecule tot mai grele, acestea devin tot mai puțin stabile. Cu toate acestea, oamenii de știință au reuşit să obţină superpoziţia simultană a acestora timp de 7 milisecunde, dovedind că şi aceste molecule „gigant” se pot afla în două locuri simultan, precum atomii mult mai mici.

Mecanica cuantică descrie lumea subatomică, iar mecanica clasică descrie lumea macroscopică, ceea ce înseamnă că cu cât moleculele utilizate în experimentul cu fantă dublă sunt mai mari cu atât mai mult ne apropiem de granița dintre mecanica cuantică şi fizica clasică.

Recordul anterior în cazul acestui tip de experiment a implicat molecule având o mărime de până la 800 de atomi.

„Experimentele noastre arată că mecanica cuantică, cu toată ciudățenia ei, este, de asemenea, uimitor de robustă și sunt optimist că în viitor o vom testa în cazul unor particule şi mai masive decât cele din experimentul de față”, a declarat fizicianul Yaakov Fein de la Universitatea din Viena, Austria.

Cercetarea a fost publicată în Nature Physics.

Sursă: Science Alert