Dlho sa verilo, že zákony kvantovej mechaniky sa vzťahujú iba na malé objekty, ako sú fotóny. Fyzici však dokázali, že veľmi veľké telá (podľa štandardov molekulárneho sveta) sa môžu riadiť týmito pravidlami.
Pravdepodobne ste už viackrát počuli o myšlienkovom experimente, ktorý kedysi formuloval rakúsky fyzik Erwin Schrödinger - ten istý s mačkou, škatuľkou a rádioaktívnym izotopom. Podľa experimentálnych podmienok môže byť mačka súčasne mŕtva a nie mŕtva, to znamená, že je v stave určitej kvantovej neistoty - „superpozície“. Vedci nedali mačky do škatúľ, práve experimentovali s obrovskou molekulou 2 000 atómov.
Kvantová superpozícia bola nespočetne krát testovaná na malých systémoch a fyzici úspešne preukázali, že jednotlivé častice môžu byť súčasne na dvoch miestach. Ale v podobnom rozsahu sa tento druh experimentu ešte nikdy neuskutočnil.
Tento experiment umožňuje vedcom spresniť hypotézy kvantovej mechaniky a lepšie porozumieť tomu, ako toto tajomné odvetvie fyziky v skutočnosti funguje - ako aj to, ako sa zákony kvantovej mechaniky kombinujú s tradičnejšími zákonmi klasickej fyziky vo väčšom rozsahu. „Naše výsledky ukazujú vynikajúcu zhodu s kvantovou teóriou a nedajú sa vysvetliť z hľadiska klasickej fyziky,“tvrdia vedci vo svojej práci.
Nový výskum obsahuje najmä Schrödingerovu rovnicu, ktorá opisuje, ako sa môžu jednotlivé častice správať ako vlny a objavujú sa na viacerých miestach súčasne. Najjednoduchší spôsob, ako opísať ich vzájomné pôsobenie, je ako vlnenie v rybníku, do ktorého ste hodili niekoľko kameňov naraz.
Aby dokázali svoju hypotézu, vedci založili experiment s dvoma štrbinami - skúsenosť známa kvantovým fyzikom. Zvyčajne pozostáva z premietania jednotlivých častíc svetla (fotónov) cez dve štrbiny. Keby sa fotóny správali iba ako častice, výsledná projekcia svetla na druhú stranu by ukázala iba jeden prúžok. V skutočnosti však svetlo premietané na druhej strane vykazuje interferenčný vzorec - veľa pásiem, ktoré interagujú ako vlny. Ako vidíte, dôkaz nevyžaduje ani veľmi citlivý hardvér.
Experimentálna schéma.
Zdá sa nám, že fotóny sú súčasne na dvoch miestach, ako je Schrödingerova mačka. Ako však veľa ľudí vie, mačka je v dvoch štátoch, pokiaľ nemá vonkajšieho pozorovateľa. Po otvorení škatule je stav mačky istý - je živý alebo mŕtvy.
Propagačné video:
To isté platí pre fotóny. Hneď ako osoba priamo zmeria alebo pozoruje svetlo, superpozícia zmizne a stav fotónu sa ustáli. Toto je jedno z hlavných tajomstiev jadra všetkej kvantovej mechaniky.
Vedci zopakovali experiment s dvoma štrbinami, ale namiesto použitia fotónov použili elektróny, atómy a malé molekuly. Fyzici však teraz ukázali, že obrovské molekuly dodržiavajú rovnaké pravidlá! Tím použil obrovské súbory atómov zložené z 2 000 „častí“na vytvorenie kvantových interferenčných vzorcov, akoby sa správali ako vlny a boli súčasne na viac ako jednom mieste.
Tieto kolosálne molekuly sú známe ako „oligotetrafenylporfyríny obohatené fluóralkylsulfanylovými reťazcami“a niektoré z nich predstavovali 25 000-násobok hmotnosti atómov vodíka. Ale s rastúcou veľkosťou molekúl sa tieto molekuly stávajú aj menej stabilnými, takže vedci ich dokázali rušiť naraz iba pomocou siedmich milisekúnd za použitia novo vyvinutého zariadenia - interferometra s vlnovou hmotou. Museli sa zohľadniť aj také faktory, ako je rotácia Zeme a gravitačná príťažlivosť samotných atómov. Práca stála za to.
Teraz vieme, že pravidlá kvantovej mechaniky platia nielen pre malé objekty, ako sú fotóny, ale aj pre oveľa väčšie telá. Predchádzajúci záznam bol molekula iba 800 atómov - verilo sa, že toto je limit, po ktorom začnú zákony z klasickej fyziky fungovať namiesto zákonov kvantovej fyziky. Ale to nie je koniec: tím je presvedčený, že veľmi skoro sa podarí vytvoriť nový rekord.
Vasily Makarov