Kun kvanttimekaniikka kohtasi painovoiman — ja ne tulivat toimeen

Tässä on jotain melko hurjaa mietittäväksi.

Kuvittele, että pidät kädessäsi yhtä atomia — yhtä ainoaa, pientä atomia — ja teet jotain, minkä vuoksi se on olemassa kahdessa paikassa samanaikaisesti. Se on kvanttisuperpositio, ja se kuulostaa täysin järjettömältä, kunnes muistat, että atomit tekevät tätä jatkuvasti silloin, kun kukaan ei katso.

Nyt pudota se.

Mitä tapahtuu?

Juuri tätä fyysikot testasivat, ja rehellisesti sanottuna? Löydös on sekä ilmeinen että äärimmäisen kiehtova.

Kaksi fysiikan jättiläistä (jotka eivät tule toimeen keskenään)

Kerron, miksi tämä koe on tärkeä, koska se käsittelee kahta tieteen suurinta nimeä, jotka eivät suostu pelaamaan samassa joukkueessa.

Toisella puolella on kvanttimekaniikka — teoria, joka selittää atomien ja pienten hiukkasten käyttäytymisen. Se on outoa, se on vastoin inhimillistä intuitiota, ja se toimii hämmästyttävän hyvin. Hiukkaset voivat olla useassa tilassa yhtä aikaa. Ne voivat tunneloitua seinien läpi. Ne voivat olla kytköksissä toisiinsa tavalla, joka sai myös Einsteinin epämukavaksi (hän kutsui sitä kuuluisasti "hämyräksi toiminnaksi etäisyyden päässä").

Toisella puolella on Einsteinin painovoimateoria — yleinen suhteellisuusteoria. Tämä on teoria, joka selittää, miksi esineet putoavat, miten planeetat kiertävät, ja miksi aika kulkee eri tahtiin nopeudesta ja etäisyydestä massiiviseen kappaleeseen riippuen. Se on elegantti, se on todistettu todeksi lukemattomia kertoja, ja se kuvaa maailmankaikkeutta kosmisella tasolla.

Tässä on ongelma: nämä kaksi teoriaa eivät tule toimeen keskenään.

No, eivät ne oikeasti "vihaa" toisiaan — se olisi typerää — mutta fyysikot ovat yrittäneet lähes vuosisadan ajan yhdistää ne yhdeksi teoriaksi, eikä kukaan ole onnistunut. Kumpikin toimii täydellisesti omalla reviirillään, mutta heti kun yrität soveltaa molempia yhtä aikaa, homma hajoaa käsiin.

Se on kuin sinulla olisi kaksi ystävää, jotka ovat molemmat loistavia yksittäin, mutta muuttuvat täydeksi katastrofiksi samassa huoneessa.

Mitä tutkijat oikeasti tekivät?

Koe julkaistiin lehdessä Science Advances, ja sen takana oli tutkijaryhmä Ben-Gurionin yliopistosta, Ulmin yliopistosta ja Oxfordin yliopistosta — mukaan lukien legendaarinen Roger Penrose, joka on käytännössä voittanut Nobelin fysiikasta.

He rakensivat jotain nimeltä Kvantti-Galilei-interferometri. Tiedän, tiedän — paljon hienoja sanoja. Mutta tässä yksinkertainen versio:

He ottivat rubidium-atomien pilviä (äärimmäisen kylmiä, melkein absoluuttisen nollan tuntumaan) ja jakoivat jokaisen atomin kvanttiaallon kahteen eri polkuun. Yksi polku pysyi paikallaan, magneettikenttien hallinnassa. Toinen polku pääsi putoamaan vapaasti, kuten pallon, jonka olet heittänyt ilmaan.

Sitten — tässä tulee se jännittävä osuus — he yhdistivät nuo kaksi polkua takaisin yhteen ja tarkkailivat, miten aallot interferoivat keskenään.

Ajattele sitä niin kuin pudottaisit kaksi kiveä lampeen hieman eri aikaan ja katsoisit, miten aallokkeet kohtaavat. Niiden aaltojen ero kertoo jotain siitä, mitä kummallekin kivelle tapahtui sen pienen matkan aikana.

Gravitaatioperiaate saa kvanttipäivityksen

Nyt Einstein astuu takaisin kuvioon.

Einsteinin ekvivalenssiperiaate on yksi hänen painovoimateoriansa peruspilareista. Perusajatus on kauniin yksinkertainen: painovoima ja kiihtyvyys ovat erottamattomia. Jos olet suljetussa huoneessa, et pysty sanomaan, tunnetko painovoimaa siksi, että seisot Maan pinnalla, vai siksi, että huonetta kiihdytetään avaruudessa. Henkilö vapaassa pudotuksessa tuntuu painottomalta massasta riippumatta.

Tätä periaatetta on testattu toistuvasti tavallisilla, jokapäiväisillä esineillä, ja se on pitänyt aina paikkaansa.

Mutta tässä on kysymys, jota tutkijat pohtivat: päteekö se edelleen, kun "esineesi" ei oikeastaan ole yhdessä paikassa lainkaan? Kun se on kvanttiaalto, joka on superpositiossa ja seuraa kahta eri polkua samanaikaisesti?

Juuri tämä tekee tästä kokeesta niin erikoisen. He eivät pudottaneet vain palloa. He pudottivat jotain, joka oli metafyysisesti kahdessa paikassa yhtä aikaa, ja he halusivat nähdä, kohteliko painovoima molempia polkuja Einsteinin ennustamalla tavalla.

Ja vastaus? Kyllä.

Heidän mittaamansa kvanttivaihe — käytännössä pieni kvantti-"sormenjälki", jonka putoava aalto jätti — vastasi täsmälleen sitä, mitä ennustettaisiin, jos Einsteinin ekvivalenssiperiaatetta sovellettaisiin kvanttikohteeseen.

Miksi tällä on väliä?

Okei, joten jotkut tiedemiehet pudottivat atomeja monimutkaisessa laitteistossa ja Einstein osoittautui jälleen oikeaan. Eikö olekin suuri juttu?

Mutta tässä syy, miksi tämä on suuri juttu.

Meillä ei edelleenkään ole teoriaa, joka yhdistäisi kvanttimekaniikan ja painovoiman onnistuneesti. Ehdokkaita on — merkkijonoteoria, silmukkakvanttipainovoima — mutta kukaan ei ole onnistunut murtamaan koodia. Yksi syy on, että meillä ei ole kunnollista kokeellista dataa siitä, mitä tapahtuu näiden kahden maailman risteyskohdassa.

Tämä koe antaa ensimmäisen todellisen vilauksen tuolle alueelle. On kuin vihdoin saisimme nuo kaksi riitaista ystävää samaan huoneeseen ja huolellisesti tarkkailisimme, miten he vuorovaikuttavat.

Professori Ron Folman, joka johti tutkimusta, tiivisti sen kauniisti: "Tämä on ainutlaatuinen artikkeli siinä mielessä, että se yhdistää vaativan kokeen pitkälle menevään teoreettiseen tulkintaan koskien yhtä fysiikan perustavanlaatuisimmista kysymyksistä."

Ja Oxfordin professori Vlatko Vedral lisäsi: "Tämä koe työntää kvanttimekaniikan yhteen sen intrigioivimmista rajoista, painovoimaan, ja osoittaa, että..."

No, lainaus katkesi siihen, mutta uskaan veikkaavani, mihin hän oli menossa. Se osoittaa, että kvanttimekaniikka ei hajoa, kun painovoima astuu kuvaan. Ainakaan tässä regiimissä.

Mitä tämä tarkoittaa tulevaisuudelle?

Älkää käsittäkö minua väärin — en aio väittää, että tämä koe ratkaisi yhtäkkiä kaiken. Olemme edelleen pitkän, pitkän matkan päässä kaiken teoriaasta. Mutta tällaiset kokeet ovat murusia, jotka saattavat lopulta johtaa meidät perille.

Joka kerta kun työnnämme rajaa kvantin ja klassisen, pienen ja massiivisen välillä, opimme jotain uutta. Ja toistaiseksi maailmankaikkeus kertoo, että molemmat "parhaat" teoriamme pitävät sisällään enemmän totuutta kuin mitä joskus haluaisimme myöntää — vaikka ne olisivat samassa huoneessa.

Joten jos joku seuraavaksi kertoo sinulle, että fysiikka on selvittänyt kaiken, voit muistuttaa heitä, ettei meillä edelleenkään ole saatu Einsteinia ja kvanttimekaniikkaa toimimaan sovussa.

Mutta hei — nyt me vähintään tiedämme, että ne suostuvat olemaan samassa huoneessa.