Fyysikot tekivät jotain, mitä kukaan ei pitänyt mahdollisena

Ota nyt kunnolla tämä sisään.

Tutkijat ovat löytäneet kvanttisidoksen — sen saman "yhtä kaukaisuudesta huolimatta yhteen kytkeytyneen" ilmiön, jonka Einstein kutsui "häijyksi toiminnaksi etäisyyden päähän" — jostain, jonka voi fyysisesti nostaa käteensä. Kristallista. Sokeripalan kokoisesta kristallista.

En tiedä sinusta, mutta mulle sanottiin aikanaan, että kvanttiefektit tapahtuvat vain atomaarisella tasolla. Yksittäiset atomit. Pienet hiukkaset. Asiat, joita voi havaita vain äärimmäisen tarkoissa laboratorio-olosuhteissa. Ajatus siitä, että kvanttikummallisuus voisi olla olemassa makroskooppisessa mittakaavassa, jonkun paljaalla silmällä nähtävissä ja kämmenellä tunnettavissa? Se tuntui tieteiskirjallisuudelta.

Mutta näköjään ei olekaan.

Muurahaisten tapa selittää maailma

Wienin teknillisen yliopiston tutkijat eivät yrittäneet todistaa, että koko kristalli voisi olla kahdessa tilassa yhtä aikaa — kuten Schrödingerin kuuluisa kissa. Sen sijaan he kysyivät toisenlaisen kysymyksen: voisiko kristallin sisällä olevat hiukkaset käyttäytyä yhteensovitetusti kvanttitanssissa?

Lead researcher professori Silke Bühler-Paschen kuvaa tätä kauniisti. Hänen mukaansa kannattaa ajatella muurahaisten pesää. Kun potkaiset pesää, vastaus ei tule yhdestä ainoasta muurahaisesta — vaan koko yhdyskunnan yhteisestä toiminnasta. Muurahaiset ovat kietoutuneet yhteen kollektiivisessa käyttäytymisessään.

Sitä tutkijat etsivät. Ei kvanttikissaa, vaan kvanttimuurahaisten pesää.

Ja tässä tulee se hullu osuus: he löysivät sen.

Miten mitata kvanttisidosta?

Tässä kohtaa tarina menee nerokkaaksi. Tutkimusryhmä käytti niin sanottua kvantti-Fisherin informaatiota — käsitettä, joka karkeasti ottaen mittaa sitä, miten herkästi kvanttijärjestelmä reagoi muutoksiin.

Ydinajatus on tämä: jos hiukkaset käyttäytyvät itsenäisesti — kuin tuntemattomat ihmiset väkijoukon keskellä — järjestelmän reaktio häiriöön on rajallinen. Jokainen hiukkanen vaikuttaa omalla panoksellaan, ei sen enempää.

Mutta jos hiukkaset ovatkin kvanttisidoksissa keskenään? Silloin koko järjestelmä voi reagoida tavalla, joka ylittää reilusti sen, mitä pelkkä yksittäisten panosten summa antaisi olettaa. Kollektiivinen käyttäytyminen luo jotain, joka on enemmän kuin osiensa summa.

Ajattele vaikka orkesteria. Yksi viulunsoittaja pystyy soittamaan kaunista musiikkia. Mutta viisikymmentä muusikkoa yhdessä, todella synkronoituna, pystyvät luomaan jotain mullistavaa. Sama pätee kvanttijärjestelmiin: sidokset mahdollistavat eräänlaisen kvanttiharmonion.

Metallit, jotka käyttäytyvät oudosti

Testatakseen teoriaansa tutkijat valmistivat kristallin ceriumista, palladiumista ja piistä. Tämä aine kuuluu outojen metallien luokkaan — ja fyysikot ovat painineet näiden materiaalien parissa vuosikymmeniä.

Oudot metallit käyttäytyvät... oudosti. Niiden sähköiset ominaisuudet eivät noudata tavallisia lakeja, jotka hallitsevat useimpia materiaaleja. Ne johtavat sähköä tavalla, jota emme täysin ymmärrä, ja ne on yhdistetty korkean lämpötilan suprajohtavuuteen — mikä on aika merkittävä juttu mahdollisten sovellusten kannalta.

Grenoblen tutkimuslaitoksessa tohtoriopiskelija Federico Mazza ampui neutroneja tähän kristalliin ja mittasi tarkasti, miten se vastasi. Tulokset? Selvää näyttöä siitä, että jotain epätavallista oli tapahtumassa.

"Tavallisessa materiaalissa voisi olettaa, että neutroneihin siirtyy energiaa vain yhdelle hiukkaselle", Mazza selittää. Mutta data ei näyttänyt siltä. Sen sijaan vastekuvio osoitti, että vähintään yhdeksän kvanttisidoksissa olevaa yksikköä käyttäytyi yhdessä.

Yhdeksän hiukkasta, kaikki lukittuneina kvanttiembrassa, yhteensovittamassa käyttäytymistään tavalla, joka haastaa klassisen fysiikan.

Miksi tällä on väliä?

"Waow, siistiä" -faktorin lisäksi tällä löydöllä on oikeaa merkitystä.

Ensinnäkin se siltaa kaksi maailmaa, jotka eivät aina keskustele keskenään: kvantti-informaatiotiede ja kiinteän aineen fysiikka. Tutkijat ovat kehittäneet teoreettisia työkaluja, kuten kvantti-Fisherin informaatio, abstrakteissa kvanttilaskennan yhteyksissä, ja nyt niitä sovelletaan todellisten materiaalien ymmärtämiseen laboratoriotasolla.

Mutta se, mikä oikeasti kiinnostaa: tämä saattaisi vihdoin selittää, miksi oudot metallit käyttäytyvät niin oudosti.

Tuore tutkimus osoitti, että sähkövirta liikkuu outojen metallien läpi epätavallisen vähällä kohinalla — vähemmällä "sumentumalla" kuin voisi odottaa. Uudet kvanttisidostulokset tarjoavat mahdollisen selityksen: sen sijaan että hiukkaset liikkuisivat itsenäisesti ja loisisivat satunnaisia vaihteluita, elektronit saattavat olla yhteensovitettuja kvanttisidosten kautta, mikä luonnostaan vähentää noita vaihteluita.

Se on kuin eroa sen välillä, että kaoottinen väkijoukkо kaikki yrittää ahtautua oven läpi yhtä aikaa — tai synkronoitu tanssiryhmä liikkuu täydellisessä muodostelmassa. Toinen luo kohinaa ja kaaosta; toinen virtaa sulavasti.

Isompi kuva

Elämme jännittävää aikakautta, jolloin kvanttimekaniikan rajoja työnnetään pidemmälle kuin kukaan uskalsi kuvitella. Vielä äskettäin ajatus kvanttiefekteistä millimetrien mittakaavan kristalleissa olisi vaikuttanut naurettavalta. Nyt se on kokeellinen todellisuus.

Toki tämä ei tarkoita, että Schrödingerin kissa olisi pian kristallilaatikossa. Tässä havaittu kvanttikäyttäytyminen on kollektiivista ja hienovaraista — kristalli itsessään ei ole kahdessa tilassa yhtä aikaa. Mutta se tarkoittaa, että kvanttisidokset ovat laajemmin levinneitä kuin kuvittelimme, piilossa paikoissa, joita emme osanneet edes etsiä.

Ja rehellisesti? Siinä on kauneus. Maailmankaikkeus jatkaa yllättämistään, osoittaen, että intuitiomme siitä, mikä on "normaalia", on vain rajoitteita, jotka olemme asettaneet itsellemme.

Kun seuraavan kerran katsot kristallia — vaikka kvartsigeodia ikkunalaudallasi tai suolakkia pöydälläsi — muista: se saattaa tallentaa kvantisalaisuuksia. Tuhansia hiukkasia, mahdollisesti tanssimassa yhdessä tavalla, jota emme voi nähdä suoraan, käyttäytymässä sääntöjen mukaan, joiden ymmärtämiseen ihmiskunnalta meni vuosisatoja.

Miten olisi ajatuskokeilu?