Przez długi czas uważano, że prawa mechaniki kwantowej dotyczą tylko małych obiektów, takich jak fotony. Jednak fizycy udowodnili, że bardzo duże ciała (według standardów świata molekularnego) mogą przestrzegać tych zasad.
Prawdopodobnie nie raz słyszałeś o eksperymencie myślowym, który sformułował austriacki fizyk Erwin Schrödinger - tym z kotem, pudełkiem i radioaktywnym izotopem. Zgodnie z warunkami eksperymentu kot może być jednocześnie martwy i nie martwy, czyli znajduje się w stanie pewnego rodzaju kwantowej niepewności - „superpozycji”. Cóż, naukowcy nie umieszczali kotów w pudełkach, po prostu przeprowadzili ten sam eksperyment z ogromną cząsteczką 2000 atomów.
Superpozycja kwantowa była testowana niezliczoną ilość razy na małych układach, a fizycy z powodzeniem wykazali, że poszczególne cząstki mogą znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie. Ale na podobną skalę tego rodzaju eksperymentu nigdy wcześniej nie przeprowadzono.
Eksperyment ten pozwala naukowcom udoskonalić hipotezy mechaniki kwantowej i lepiej zrozumieć, jak faktycznie działa ta tajemnicza gałąź fizyki - a także jak prawa mechaniki kwantowej łączą się z bardziej tradycyjnymi prawami fizyki klasycznej na większą skalę. „Nasze wyniki wykazują doskonałą zgodność z teorią kwantową i nie można ich wyjaśnić za pomocą klasycznej fizyki” - argumentują naukowcy w swoim artykule.
W szczególności nowe badania obejmują równanie Schrödingera, które opisuje, jak nawet pojedyncze cząstki mogą zachowywać się jak fale i pojawiać się w kilku miejscach jednocześnie. Najłatwiej opisać ich interakcję jak zmarszczki w stawie, do którego wrzuciłeś kilka kamieni na raz.
Aby udowodnić swoją hipotezę, naukowcy przeprowadzili eksperyment z dwoma szczelinami - doświadczenie dobrze znane fizykom kwantowym. Zwykle polega na wyrzucaniu pojedynczych cząstek światła (fotonów) przez dwie szczeliny. Gdyby fotony działały jak cząsteczki, wynikowa projekcja światła na drugą stronę pokazałaby tylko jeden pasek. Ale w rzeczywistości światło rzucane po drugiej stronie wykazuje wzór interferencji - wiele pasm, które oddziałują jak fale. Jak widać, dowód nie wymaga nawet bardzo czułego sprzętu.
Schemat eksperymentu.
Wydaje nam się, że fotony znajdują się w dwóch miejscach jednocześnie, jak kot Schrödingera. Ale, jak wiele osób wie, kot znajduje się w dwóch stanach, dopóki nie ma zewnętrznego obserwatora. Po otwarciu pudełka stan kota staje się pewny - jest żywy lub martwy.
Film promocyjny:
Tak samo jest z fotonami. Gdy tylko osoba zmierzy lub zaobserwuje światło bezpośrednio, superpozycja znika, a stan fotonu zostaje ustalony. To jedna z głównych tajemnic tkwiących w sercu całej mechaniki kwantowej.
Naukowcy powtórzyli eksperyment z dwoma szczelinami, ale zamiast użyć fotonów, wykorzystali elektrony, atomy i małe cząsteczki. Ale teraz fizycy pokazali, że ogromne cząsteczki podlegają tym samym zasadom! Zespół wykorzystał ogromne zespoły atomów złożone z 2000 „części”, aby stworzyć kwantowe wzory interferencyjne, tak jakby zachowywały się jak fale i znajdowały się w więcej niż jednym miejscu w tym samym czasie.
Te kolosalne cząsteczki znane są jako „oligotetrafenylopiryny wzbogacone w łańcuchy fluoroalkilosulfanylowe”, a niektóre z nich miały masę 25 000 razy większą od atomów wodoru. Jednak wraz ze wzrostem rozmiarów cząsteczki stają się również mniej stabilne, więc naukowcy byli w stanie interferować z nimi tylko przez siedem milisekund za każdym razem, używając nowo opracowanego urządzenia - interferometru materii falowej. Trzeba było wziąć pod uwagę nawet takie czynniki, jak obrót Ziemi i przyciąganie grawitacyjne samych atomów. Cóż, praca była tego warta.
Teraz wiemy, że zasady mechaniki kwantowej odnoszą się nie tylko do małych obiektów, takich jak fotony, ale także do znacznie większych ciał. Poprzedni rekord to cząsteczka o zaledwie 800 atomach - uważano, że jest to granica, po której zamiast praw fizyki kwantowej zaczynają działać prawa fizyki klasycznej. Ale to nie koniec: zespół jest przekonany, że już wkrótce będzie mógł ustanowić nowy rekord.
Wasilij Makarow