Fizycy pobili wcześniejsze rekordy, skutecznie wprowadzając zbiór 7000 atomów sodu w stan kwantowy przypominający kota Schrödingera, przybliżając sprzeczne z intuicją realia mechaniki kwantowej do codziennych obserwacji. Eksperyment, szczegółowo opisany w czasopiśmie Nature z 21 stycznia, pokazuje, że dziwne zachowanie, które wcześniej ograniczało się do cząstek subatomowych, można teraz zaobserwować w coraz większych, choć wciąż mikroskopijnych, układach.
Superpozycja kwantowa: poza subatomowymi
Przełom polega na superpozycji kwantowej – zjawisku, w którym cząstka istnieje w kilku stanach jednocześnie, dopóki nie zostanie zmierzona. Koncepcja ta, słynnie zilustrowana przez eksperyment myślowy Schrödingera dotyczący kota w pudełku (zarówno martwego, jak i żywego do czasu zaobserwowania), była od dawna rozumiana teoretycznie, ale udowodnienie jej istnienia przy użyciu coraz bardziej makroskopowych obiektów pozostawało ciągłym wyzwaniem.
Zespół kierowany przez Sebastiana Pedalino z Uniwersytetu Wiedeńskiego skierował wiązkę nanocząstek sodu przez wąską szczelinę. W przeciwieństwie do klasycznych cząstek, które przechodziłyby prosto, nanocząstki wykazywały wzorzec interferencyjny – wyraźny znak, że zachowywały się jak fale i cząstki jednocześnie, istniejące w kilku miejscach jednocześnie. Wynik ten przesuwa granice tego, co wcześniej uważano za możliwe, ustanawiając nowy rekord dla największego obiektu zaobserwowanego w tym stanie.
Dlaczego to ma znaczenie: dekoherencja i separacja kwantowo-klasyczna
Główną przeszkodą w obserwacji superpozycji w większych systemach jest dekoherencja. Świat kwantowy jest kruchy; nawet niewielkie interakcje z otoczeniem prowadzą do załamania się superpozycji, zmuszając cząstkę do przejścia w jeden, określony stan. Większe obiekty łatwiej wchodzą w interakcję z otoczeniem, co sprawia, że stabilna superpozycja jest niezwykle trudna.
Powodzenie tego eksperymentu zależy od wyizolowania nanocząstek sodu w celu zminimalizowania dekoherencji. Praca zespołu jest znacząca, ponieważ nie tylko potwierdza istnienie superpozycji na większą skalę, ale także otwiera drogę do badania bardziej złożonych układów, w tym potencjalnie cząsteczek biologicznych, w stanach kwantowych. Może to zrewolucjonizować takie dziedziny, jak biochemia i materiałoznawstwo, umożliwiając naukowcom badanie ich podstawowych właściwości w zupełnie nowy sposób.
Długa droga do zakłóceń
Pedalino wspomina dwa lata niejednoznacznych wyników, zanim w końcu dostrzegł wzór interferencji. „Przez dwa lata patrzyłem na płaskie linie” – powiedział. Przełom nastąpił nieoczekiwanie: płaska linia na ich detektorach rozszerzyła się, stając się wyraźnym znakiem fali kwantowej.
Zespół określił ilościowo „makroskopijność” nanocząstek na poziomie 15,5, co znacznie przekracza poprzednie rekordy. Sugeruje to, że granica między światem kwantowym i klasycznym nie jest stała, ale można ją przesunąć dalej dzięki udoskonalonym technikom eksperymentalnym.
“Sama mechanika kwantowa nie stawia żadnych ograniczeń. I to właśnie testujemy.” – Sebastian Pedalino, Uniwersytet Wiedeński
Sukces tego eksperymentu stanowi punkt zwrotny w zrozumieniu fundamentalnej natury rzeczywistości. Zwiększając skalę, w jakiej można obserwować zjawiska kwantowe, badacze przybliżają się do rozwiązania jednej z najdłużej utrzymujących się tajemnic fizyki. Możliwość badania większych, bardziej złożonych systemów w superpozycji zapowiada nową erę odkryć naukowych.
