Wyobraź sobie coś naprawdę szalonego.
Trzymasz w dłoni jeden, pojedynczy atom. Robisz coś, dzięki czemu istnieje on w dwóch miejscach jednocześnie. To jest kwantowa superpozycja — zjawisko, które brzmi jak brednia z filmu sci-fi, ale atomy robią to na co dzień, kiedy akurat ich nie obserwujesz.
A teraz puść go.
Co się stanie?
Właśnie to postanowili sprawdzić fizycy i — szczerze? — wyniki są jednocześnie oczywiste i fascynujące.
Dwóch Króli Fizyki (Którzy Nie Potrafią Się Dogadać)
Muszę wyjaśnić, dlaczego ten eksperyment jest tak istotny, bo łączy dwie największe teorie nauki — i sprawia, że obie wychodzą z twarzą.
Z jednej strony mamy mechanikę kwantową — teorię opisującą, jak zachowują się atomy i maleńkie cząstki. Jest dziwna, niezgodna z intuicją, ale działa znakomicie. Cząstki mogą znajdować się w wielu stanach naraz. Potrafią przenikać przez ściany. Są połączone w sposób, który sprawiał, że sam Einsteinowi było niezręcznie (nazwał to "upiornym oddziaływaniem na odległość").
Z drugiej strony mamy ogólną relatywistność Einsteina — teorię grawitacji. Wyjaśnia, dlaczego rzeczy spadają, jak planety krążą wokół gwiazd, i dlaczego czas płynie inaczej w zależności od prędkości lub odległości od obiektu o wielkiej masie. Elegancka, wielokrotnie potwierdzona, opisuje kosmiczną skalę wszechświata.
Problem? Te dwie teorie nie umieją ze sobą współpracować.
Fizycy próbują je połączyć od prawie stu lat i jakoś nikomu to nie wychodzi. Każda działa idealnie w swoim obszarze, ale kiedy próbujesz zastosować obie naraz — wszystko się sypie.
Jak dwóch znajomych, którzy świetnie radzą sobie osobno, ale zamieniają się w katastrofę, gdy spotkają się w jednym pokoju.
Co Dokładnie Zrobili Naukowcy?
Eksperyment, opublikowany w Science Advances, przeprowadzili badacze z Uniwersytetu Ben-Gurion w Negew, Uniwersytetu w Ulm i Uniwersytetu Oksfordzkiego — w tym legendarnego Rogera Penrose'a, laureata Nagrody Nobla.
Zbudowali coś, co nazwali Kwantowym Interferometrem Galileusza. Wiem, brzmi poważnie. Ale wersja prosta:
Wzięli chmury atomów rubidu (schłodzone niemal do zera bezwzględnego) i rozdzielili kwantową falę każdego atomu na dwie ścieżki. Jedna ścieżka została na miejscu, unieruchomiona przez precyzyjnie kontrolowane pola magnetyczne. Druga mogła swobodnie spadać — jak piłka, którą rzucasz w górę.
A potem — najciekawsze — połączyli te dwie ścieżki z powrotem i obserwowali, jak fale ze sobą interferują.
Pomyśl o tym jak o wrzucaniu dwóch kamyków do stawu w różnych momentach i patrzeniu, jak nakładają się na siebie tworzone przez nie fale. Różnice w tych falach mówzą coś o tym, co działo się z każdym kamykiem podczas jego małej podróży.
Zasada Równoważności Dostaje Kwantowy Update
Tu wraca Einstein.
Jego zasada równoważności to fundament teorii grawitacji. Idea jest prosta i piękna: grawitacja i przyspieszenie są nieodróżnialne. Zamknięty w pokoju nie jesteś w stanie stwierdzić, czy czujesz ciężar, bo stoisz na Ziemi, czy dlatego, że pokój jest przyspieszany przez przestrzeń. Osoba w swobodnym spadaniu czuje się nieważka, niezależnie od masy.
Zasadę tę sprawdzano wielokrotnie na zwykłych obiektach i zawsze się sprawdzała.
Ale pytanie brzmiało: czy nadal działa, gdy twój "obiekt" właściwie nie znajduje się w jednym miejscu? Gdy jest kwantową falą istniejącą w superpozycji, podążającą dwoma ścieżkami jednocześnie?
Dlatego ten eksperyment jest tak wyjątkowy. Naukowcy nie puszczali zwykłej piłki. Puszczali coś, co metafizycznie znajdowało się w dwóch miejscach naraz — i chcieli sprawdzić, czy grawitacja potraktuje obie ścieżki tak, jak przewidział Einstein.
I odpowiedź? Tak.
Mierzona przez nich kwantowa faza — czyli maleńki kwantowy "ślad" pozostawiony przez spadającą falę — idealnie odpowiadała temu, czego oczekiwalibyśmy, stosując zasadę równoważności do obiektu kwantowego.
Dlaczego Powinno Cię To Obchodzić?
No dobra, jacyś naukowcy puścili atomy w skomplikowanej aparaturze i Einstein znów miał rację. I co z tego?
A dlatego, że to ma znaczenie.
Wciąż nie mamy teorii łączącej mechanikę kwantową z grawitacją. Są kandydaci — teoria strun, pętlowa grawitacja kwantowa — ale nikomu nie udało się rozwiązać tej zagadki. Jednym z powodów jest brak dobrych danych eksperymentalnych na temat tego, co dzieje się na styku tych dwóch światów.
Ten eksperyment daje nam pierwszy prawdziwy wgląd w te tereny. Jakbyśmy w końcu zdołali zaprosić obu kłócących się przyjaciół do jednego pokoju i ostrożnie obserwowali, jak ze sobą interagują.
Profesor Ron Folman, który kierował badaniami, powiedział pięknie: "To wyjątkowa praca, łącząca trudny eksperyment z dalekosiężną interpretacją teoretyczną, dotycząca jednego z najbardziej podstawowych pytań fizyki."
A profesor Vlatko Vedral z Oksfordu dodał: "Ten eksperyment przesuwa mechanikę kwantową na jeden z najbardziej intrygujących frontów — grawitację — i pokazuje, że..."
No cóż, cytat się urwał, ale chyba wiemy, dokąd zmierzał. Pokazuje, że mechanika kwantowa nie rozpada się, gdy pojawia się grawitacja. Przynajmniej w tym rejonie.
Co To Oznacza dla Przyszłości
Nie będę udawać, że ten eksperyment nagle rozwiązał wszystko. Wciąż jesteśmy bardzo daleko od ujednoliconej teorii wszystkiego. Ale takie eksperymenty to okruchy chleba, które mogą nas kiedyś do niej zaprowadzić.
Za każdym razem, gdy poszerzamy granicę między kwantowym a klasycznym, między mikro a makro, dowiadujemy się czegoś nowego. I jak dotąd, wszechświat mówi nam, że obie nasze "najlepsze" teorie mają w sobie więcej prawdy, niż czasem chcemy przyznać — nawet gdy spotykają się w jednym pokoju.
Więc następnym razem, gdy ktoś powie ci, że fizyka już wszystko wie, możesz mu przypomnieć, że wciąż nie potrafimy zmusić Einsteina i mechaniki kwantowej do współpracy.
Ale hej — przynajmniej teraz wiemy, że są skłonne przebywać w jednym pomieszczeniu.