Když házíte atom a gravitace ho stejně chytí — i když je na dvou místech zároveň

Tohle je docela divoká myšlenka k uvěření.

Představte si, že držíte jeden jediný atom — takový mikroskopický kousek hmoty — a provedete s ním něco, díky čemu existuje na dvou místech současně. Tomu se říká kvantová superpozice, a zní to jako sci-fi, dokud si neuvědomíte, že atomy tohle dělají běžně, když se na ně nikdo nedívá.

Teď ten atom pusťte.

Co se stane?

Přesně tohle teď fyzici otestovali, a upřímně? Výsledek, který našli, je zároveň logický i naprosto fascinující.

Dvě největší teorie fyziky, které se nesnášejí

Pojďme si vysvětlit, proč je tenhle experiment důležitý. Je to totiž takový malý konflikt dvou největších hvězd celé vědy.

Na jedné straně máme kvantovou mechaniku — teorii, která popisuje, jak se chovají atomy a elementární částice. Je to divné, jde proti zdravému rozumu, ale funguje to bezvadně. Částice můžou být ve více stavech najednou. Můžou procházet skrz překážky. Můžou být propojené způsoby, které samotnému Einsteinovi dělaly nepohodlí (proslulý výraz „strašidelné působení na dálku" pochází právě od něj).

Na druhé straně máme Einsteinovu obecnou relativitu — teorii gravitace. Ta vysvětluje, proč věci padají, jak obíhají planety, a proč čas plynule různě rychle podle toho, jak se pohybujete nebo jak blízko jste něčemu hmotnému. Je elegantní, byla nesčetněkrát potvrzena a popisuje vesmír v velkých měřítkách.

A tady je ten háček: tyhle dvě teorie si prostě nerozumí.

Ne, že by se nesnášely — to by bylo hloupé — ale fyzici se téměř sto let snaží tyto dvě teorie spojit do jedné ucelené struktury a nikdo to zatím nedokázal. Každá funguje skvěle ve svém vlastním světě, ale jakmile se je pokusíte aplikovat obě najednou, všechno se rozsype.

Je to jako mít dva kamarády, kteří jsou skvělí každý sám o sobě, ale v jedné místnosti se z nich stane totální chaos.

Co tedy tihle vědci vlastně udělali?

Experiment vyšel v časopise Science Advances a vedli ho výzkumníci z Ben-Gurion University of the Negev, Univerzity v Ulmu a Oxfordské univerzity — včetně legendárního Rogera Penrose, držitele Nobelovy ceny za fyziku.

Vytvořili zařízení, které se jmenuje Kvantový Galileo interferometr. Jo, je toho hodně najednou. Ale tady je ta jednoduchá verze:

Vzali oblaka atomů rubidia (extrémně studené, téměř na absolutní nulu) a rozdělili kvantovou vlnu každého atomu na dvě samostatné dráhy. Jedna dráha zůstala na místě, držená pečlivě kontrolovanými magnetickými poli. Druhá dráha padala volně, jako míček hozený do vzduchu.

A pak — tady přichází ta zajímavá část — tyhle dvě dráhy zase spojili a sledovali, jak vlny interferují.

Představte si to jako když hodíte dva kamínky do rybníka v mírně odlišných časech a sledujete, jak se jejich vlny potkávají. Rozdíl v těch vlnách vám něco prozradí o tom, co se s každým kamínkem během jeho cesty dělo.

Einsteinův princip ekvivalence dostává kvantovou verzi

Tady se Einstein vrací na scénu.

Einsteinův princip ekvivalence je jedním ze základních pilířů jeho gravitační teorie. Základní myšlenka je nádherně jednoduchá: gravitace a zrychlení jsou nerozlišitelné. Když sedíte v uzavřené místnosti, nemůžete poznat, jestli cítíte váhu proto, že stojíte na Zemi, nebo proto, že vás místnost zrychluje vesmírem. Člověk v volném pádu pociťuje beztížný stav bez ohledu na svou hmotnost.

Tento princip byl opakovaně testován s běžnými, každodenními objekty a pokaždé obstál.

Ale tady je ta otázka: platí to pořád, když váš „objekt" vlastně není na jednom místě? Když je to kvantová vlna, která existuje ve superpozici a sleduje dvě dráhy současně?

Proto je tenhle experiment tak výjimečný. Nevzdávali jen míček. Vzdávali něco, co bylo metafyzicky na dvou místech najednou, a chtěli zjistit, jestli s tím gravitace zachází tak, jak Einstein předpověděl.

A odpověď? Ano.

Kvantová fáze, kterou naměřili — v podstatě drobná kvantová „stopa" padající vlny — přesně odpovídala tomu, co byste předpověděli, kdybyste aplikovali Einsteinův princip ekvivalence na kvantový objekt.

Proč by vás to mělo zajímat?

Dobře, takže nějací vědci vhadili atomy do složitého zařízení a Einstein se zase ukázal jako správný. Velká věc, ne?

Jenže — tohle je velká věc.

Pořád nemáme teorii, která by úspěšně spojila kvantovou mechaniku a gravitaci. Kandidáti existují — teorie strun, smyčková kvantová gravitace — ale nikdo zatím nepřišel na správné řešení. Jedním z důvodů je, že nemáme dostatek kvalitních experimentálních dat o tom, co se děje na průsečíku těchto dvou světů.

Tenhle experiment nám dává první skutečný pohled do tohoto území. Je to jako kdybychom konečně dostali ty dva hádající se kamarády do jedné místnosti a opatrně sledovali, jak spolu interagují.

Profesor Ron Folman, který studii vedl, to vyjádřil krásně: „Toto je jedinečný článek, protože spojuje náročný experiment s dalekosáhlým teoretickým výkladem k jedné z nejzákladnějších otázek fyziky."

A profesor Vlatko Vedral z Oxfordu dodal: „Tento experiment tlačí kvantovou mechaniku do jednoho z nejúžasnějších frontierů — gravitace — a ukazuje, že..."

No, citát byl useknutý, ale myslím, že tušíme, kam mířil. Ukazuje to, že kvantová mechanika se nerozbíjí, když se zapojí gravitace. Alespoň ne v tomto režimu.

Co to znamená pro budoucnost

Nez迷sím, že by tenhle experiment najednou vyřešil všechno. Pořád jsme daleko od jednotné teorie všeho. Ale experimenty jako tenhle jsou drobky, které nás tam jednou můžou dovést.

Pokaždé, když posuneme hranici mezi kvantovým a klasickým, mezi nepatrným a masivním, zjistíme něco nového. A zatím nám vesmír říká, že obě naše „nejlepší" teorie mají v sobě víc pravdy, než si někdy připouštíme — i když jsou ve stejné místnosti.

Takže až vám příště někdo bude tvrdit, že fyzika má všechno vymyšlené, můžete mu připomenout, že Einstein a kvantová mechanika spolu pořád nevycházejí.

Ale aspoň teď už víme, že jsou ochotni být ve stejné místnosti.

Zdroj: Science Daily