Miksi emme näe kvanttihulluutta arjessa? – Uusi kokeilu antaa vastauksen tyyliin "ei mitään"
Tunnistatko sen tunteen, kun kerrot joltakin kvanttifyysikasta ensimmäistä kertaa? Silmät pyöristyvät, kulmakarvat nousevat, ja melkein näet heidän pohtivan, oletko lukenut liikaa scifiä.
Joo, sama tilanne minullakin.
Mutta asia on näin: kvanttimekaniikka on oikeasti outoa. Todella outoa. Ja se, että elämme maailmassa, jossa nuo omituiset kvantti-ilmiöt vain... katoavat... on yksi fysiikan suurimmista mysteereistä.
Se kissa, joka aloitti kaiken
Muistutetaanpas köyhästä Schrödingerin kissasta. Huojuat ehkä ideaa – itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger keksi ajatuskokeilun, jossa sinetöidyssä laatikossa oleva kissa on yhtä aikaa sekä elossa että kuollut, kunnes avaamme laatikon katsomaan.
Tämä on tietysti yksinkertaistus (Schrödinger tarkoitti sen kritiikiksi tietyille kvanttimekaniikan tulkinnoille), mutta idea tallentaa jotain totuutta siitä, miten kvanttijärjestelmät toimivat. Hiukkaset voivat olla useiden tilojen yhdistelmissä, niin sanotuissa superpositioissa – vähän kuin kolikon ollessa pyörässä ilmassa, jolloin se on sekä kruuna että klaava, paitsi paljon oudommin.
Mutta tässä se kultainen kysymys: jos atomit ja hiukkaset voivat olla näissä outouksissa, miksi kissat eivät? Miksi me emme? Miksi kaikki tuo kvanttihulluus katoaa, kun skaalataan arkimaailmaan?
Kun kvanttioutous haipuu
Fyysikoilla on sana tälle haihtumiselle: dekoherenssi. Se on prosessi, jossa kvanttiefektit huuhtoutuvat vähitellen pois, kun järjestelmät ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa. Mutta ikävä totuus on – kukaan ei oikeasti ymmärrä, miksi ja miten tämä tapahtuu.
Yksi idea, joka on pyörinyt ympärillä vuosikymmeniä, liittyy painovoimaan. Ajatus menee näin: ehkäpä Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria – hänen teoriansa painovoimasta – luo pieniä, väistämättömiä vapinaa avaruuden kudokseen. Nämä pienet heilahtelut voisivat vähitellen täristä kvanttisuperpositioita, kunnes ne hajoavat.
Aika intuitiivinen idea, myönnettävästi. Painovoima on kaikkialla, eikö? Se vaikuttaa kaikkeen. Joten ehkä se on syypää siihen, miksi kvanttihulluus katoaa meidän mittakaavassamme.
Kokeilu
No, tutkijaryhmä juuri suoritti kokeen tämän idean testaamiseksi. Ja missä he sen tekivät? Maan alla. Erittäin syvällä maan alla.
INFN Gran Sasso -laboratorio Italy sijaitsee noin 1,4 kilometrin kalliokerroksen alla. Se on suunnilleen se syvyys, jossa sinun täytyisi olla, jos haluaisit välttyä suurimmalta osalta avaruudesta tulevaa säteilyä, joka piiskaa meitä joka sekunti. Se on yksi hiljaisimmista paikoista maan päällä herkille fysiikkatutkimuksille.
Tutkijat käyttivät detektorin, joka rakennettiin saksiumkiteen palasen ympärille – noin kahvimukin kokoista. He suojivat sen kupari- ja lyijykerroksilla, luoden pienen fysiikan suojapaikan.
Kokeilun taustalla oli nokkela idea: jos avaruudella todella on näitä pieniä heilahteluja ennusteiden mukaan, ne saivat sähköisesti varautuneet hiukkaset värisemään ja lähettämään heikkoa elektromagneettista säteilyä. Sitä säteilyä pitäisi pystyä havaitsemaan – tosin erittäin, erittäin heikkona.
Joten he katsoivat. Ja odottivat. He keräsivät dataa 62 päivää yhtä putkeen, huolellisesti huomioiden jokaisen odotetun taustasäteilyn.
Mitä he löysivät?
Ei mitään.
Ei mitään voi olla jotain
Nyt tiedän mitä ajattelet. "He löysivät ei mitään? Se on turhauttavaa."
Mutta odota – tämä on oikeasti iso juttu. Kun teet perustavanlaatuista fysiikkaa, väärrien ideoiden poissulkeminen on yhtä tärkeää kuin uusien löytäminen. Ajattele sitä koodin debuggaamisena, paitsi koodi on universumi ja me yritämme selvittää, mitkä matemaattiset ohjeet sitä ohjaavat.
Löytämällä ei signaalia, ryhmä on käytännössä poissulkenut yhden vanhimmista ja luonnollisimmista painovoimasta johtuvan dekoherenssin malleista. Károlyházy-malli – esitetty jo 1960-luvulla – sai merkittäviä kokeellisia rajoituksia.
"Jokainen kvanttigravitaatiolähestymistapa päätyy ennustamaan minimaalisen pituuden olemassaoloa, joka liittyy avaruuden mittauksen epävarmuuteen," selitti Kristian Piscicchia, yksi tutkijoista. Tämä kokeilu auttaa kaventamaan, mitkä näistä lähestymistavoista saattavat todella kuvata todellisuutta.
Mitä tämä tarkoittaa?
Tässä oma näkemykseni: fysiikka on jännittävimmillään, kun se poistaa mahdollisuuksia. Emme vain horju pimeässä – me methodisesti veistämme pois väärät polut. Ja se vie meitä lähemmäs oikeaa vastausta, vaikka emme olisi vielä löytäneet sitä.
Mysteeri siitä, miksi kvantti-ilmiöt haipuvat makroskooppisessa maailmassamme, pysyy ratkaisemattomana. Mutta nyt tiedämme, että yksi tietty painovoima-pohjainen selitys ei toimi. Haku jatkuu, mutta nyt se on kapeampi.
Kuten Catalina Curceanu, yksi johtavista tutkijoista, asian ilmaisi: "Signaalin puuttuminen on itsessään merkittävä tieteellinen tulos."
En voisi olla enemmän samaa mieltä. Tiede ei aina ole uusien asioiden löytämistä – joskus se on varmojen "ei tämäkään" -vastausten antamista. Ja juuri näin tapahtui tässä.
Joten kun joku seuraavan kerran kysyy sinulta Schrödingerin kissasta, voit kertoa heille: olemme hitaasti, metodisesti selvittämässä, miksi tuo kissa on aina joko elossa tai kuollut, ei koskaan molempia. Ja teemme sen poissulkemalla vääriä selityksiä, yksi kokeilu kerrallaan.
Aika siistii, eikö?