Fizičari prvi put osmotrili kvantno sprezanje u impulsu masivnih čestica

Naučnici su prvi put osmotrili kvantno sprezanje u impulsu masivnih čestica. Rezultat, koji se čekao decenijama, mogao bi pomoći fizičarima da istraže odnos između kvantne mehanike i gravitacije.

Prvi put je osmotreno kvantno sprezanje u načinu na koji se atomi fizički kreću — pretvarajući fenomen koji je Albert Ajnštajn svojevremeno opisao kao „sablasno delovanje na daljinu“ u još jasniju stvarnost.

Preporučujemo

U novoj studiji, istraživači su demonstrirali da parovi ultrahladnih atoma helijuma mogu biti kvantnomehanički povezani putem svog impulsa — stepena koliko brzo i u kom pravcu se čestica kreće, uzimajući u obzir njenu masu.

Kvantno sprezanje je jedna od najneobičnijih odlika kvantne mehanike. Kad su dve čestice spregnute, merenje jedne momentalno utiče na drugu. Naučnici su to ranije demonstrirali kod fotona (paketa svetlosti) i kod unutrašnjih spinskih stanja atoma, ali nikad kod kretanja čestica sa masom.

Ovo je važno jer atomi imaju masu, a masa reaguje na gravitaciju; fotoni ne. Atomi spregnuti putem impulsa mogli bi jednog dana pokretati kvantne senzore dovoljno precizne da detektuju podrhtavanja prostor-vremena poznata kao gravitacioni talasi ili da mapiraju unutrašnjost Zemlje.

Hvatanje spregnutosti na delu

Prvo je izabran atom helijuma jer može biti zadržan u dugoročnom pobuđenom stanju sa trajanjem od oko dva sata — što je „praktično beskonačno“ u eksperimentima koji traju samo 20 do 30 sekundi, rekao je Šon Hodžmen, fizičar sa Australijskog nacionalnog univerziteta.

Ta unutrašnja energija znači da svaki atom udara u detektor sa dovoljno snage da se registruje individualno. Tako je omogućena rekonstrukcija punog trodimenzionalnog impulsa oblaka sa rezolucijom pojedinačnog atoma.

Da bi stvorili impulsom spregnute parove atoma, istraživači su počeli sa oblakom helijuma ohlađenim skoro do apsolutne nule. Normalno atomi jure nezavisno. Međutim, ako ih dovoljno ohladite, usporavaju skoro do mirovanja. Njihovi kvantni identiteti se rasplinjuju u kolektivni objekat nazvan Boze-Ajnštajnov kondenzat.

Zatim je taj kondenzat pomoću laserskih pulseva podeljen u tri grupe: jednu gurnutu nagore, jednu gurnutu nadole i jednu koja ostaje stacionarna. Dok su se pokretni oblaci kretali kroz onaj stacionarni, parovi atoma su se sudarali i rasejavali u suprotnim smerovima, formirajući sferične ljuske koreliranih parova. Fizičari to nazivaju „vencima rasejanja“.

Pri dovoljno niskoj gustini, samo jedan par se raseje u jednom eksperimentalnom ciklusu. Ili imate par na jednoj poziciji ili par na drugoj, rekao je Hodžmen. Spregnuto stanje je superpozicija oba.

Da bi dokazali da je sprezanje stvarno, istraživači su koristili interferometarsku metodu, prvi put demonstriranu kod fotona 1990. godine, a sad prvi put proširenu na talase materije.

„Interferencija se javlja samo ako je atom zaista u superpoziciji oba stanja“, objašnjava Hodžmen. Izmerene korelacije ne mogu se objasniti nijednom klasičnom teorijom.

Rezultat je, iako uzbudljiv, uglavnom poslužio da potvrdi „udžbeničke“ teorije fizike. Kvantna mehanika predviđa upravo ovakvo ponašanje, ali ga to ne čini manje zbunjujućim. Atomi se u malim razmerama pojavljuju kao „razmazani“, a ne kao posebne loptice. I to izgleda zaista čudno, dodao je Hodžmen.

Već se radi na moćnijoj verziji testa koja uključuje sudar dva izotopa helijuma, helijuma-3 i helijuma-4, koji su bitno različite vrste čestica — radi kreiranja parova spregnutih i u impulsu i u masi istovremeno.

„Iz perspektive kvantne gravitacije, kako uopšte zabeležiti gravitacioni opis takvog stanja? To se ne može opisati u okviru opšte teorije relativnosti. Ove vrste stanja predstavljale bi pravi izazov za teorije kvantne gravitacije“.

(Telegraf Nauka/Live Science)