Czy jesteśmy o krok bliżej do teleportacji? Atom może znajdować się jednoczenie w dwóch różnych pozycjach!

Czy jest możliwe, aby w tym samym momencie strzelić gola i jednocześnie chybić? Według przewidywań mechaniki kwantowej – tak! Cząsteczki elementarne mogą przemieszczać się różnymi drogami w tym samym czasie. Naukowcy z Uniwersytetu w Bonn wykazali, że atom cezu również może zachowywać się w ten sposób.

W świecie makroskopowym obiekty przemieszczają się zgodnie z ustalonym porządkiem – piłka może poruszać się w danym czasie tylko w jedną stronę. W świecie mikro, jest zupełnie inaczej. Fizycy z Bonn opracowali eksperyment, który podważył tą zasadę – po przeprowadzeniu pierwszych prób wykazali, że atom może poruszać się dwoma różnymi ścieżkami w tym samym czasie, by finalnie na końcu drogi znaleźć się w jednym miejscu.

Osiągnięty wynik jest zgodny z założeniami mechaniki kwantowej, która w odniesieniu do mikroskopowych cząsteczek wykazuje zupełnie odmienne zachowania, od tych znanych nam w świecie makro doświadczeń.

Obiekty w świecie kwantowym nie poruszają się po jednej, dobrze zdefiniowanej ścieżce. Przeciwnie, mogą jednocześnie przyjmować różne ścieżki i kończyć swoją trasę w różnych miejscach na raz. Taka sytuacja w fizyce określana jest jako superpozycja różnych ścieżek.

Superpozycja odnosi się do słynnego eksperymentu myślowego z kotem Schrodingera, w którym kot jest jednocześnie martwy i żywy – znajduje się w superpozycji (w dwóch pozycjach), aż do momentu, w którym ktoś nie sprawdzi (nie dokona obserwacji), w jakim faktycznie stanie znajduje się kot.

Machnika kwantowa odnosi się do cząsteczek elementarnych, które tworzą atomy oraz całą materię. Okazuje się jednak, że jej zasady są adekwatne również w stosunku do bardziej skomplikowanych elementów przyrody a mianowicie atomów.

„Mechanika kwantowa pozwala także na superpozycje dużych makroskopowych obiektów, jest to jednak bardzo delikatny stan i już sama obserwacja piłki niszczy jej superpozycję i sprawia, że wybiera ona jedną lub drugą trajektorię swojego lotu” tłumaczy Dr. Andrea Alberti z Instytutu Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie w Bonn.

Czy zatem duże obiekty rządzą się innymi prawami?

Może być również tak, że piłka podporządkowuje się zupełnie innym zasadom fizyki niż te, które oddziaływają na pojedyncze atomy. W takim wypadku kula podążałaby zawsze określoną trajektorią, niezależnie od obserwacji i w przeciwieństwie do zasad odnoszących się do atomów.

Która z tych interpretacji jest prawidłowa?

W rozważaniu tej zagadki pomóc na schemat eksperymentu, opracowanego przez zespół fizyków eksperymentalnych z niemieckiej uczelni.

„Wyzwaniem było opracowanie systemu pomiaru dla położeń atomów, które pozwalają weryfikować makro-realistyczne teorie” tłumaczy fizyk.

Eksperyment polegał na tym, by za pomocą optycznej pęsety złapać jeden atom cezu i przeciągnąć go w dwóch różnych kierunkach. W makro realistycznych warunkach atom znalazłby się wtedy tylko w jednym położeniu, jednak w mechanice kwantowej atom zamiast tego, znajduje się w superpozycji w dwóch położeniach.

Obserwacja wykluczyła zatem możliwość zachowania się atomu zgodnie z zasadami odnoszącymi się do makro-rzeczywistości. Zamiast tego wyniki eksperymentu są zgodne z interpelacjami bazującymi na stanie superpozycji, która ulega zniszczeniu w momencie pośredniego pomiaru. Atom wybrał dwie różne ścieżki w jednym czasie.

„Nie jest to jeszcze dowód, że fizyka kwantowa może być aplikowana również do dużych obiektów” tłumaczy dr. Alberti. „Kolejnym krokiem będzie teraz odseparowanie pozycji atomu o kilka milimetrów od siebie. Jeśli nadal będziemy wykrywać superpozycje w naszych badaniach, makro-realistyczne teorie będą przeżywać kolejny krok w tył”.