Kvantové propletení v akci: Co nám říkají srážky v CERN
Musím vám něco říct. Tohle mě fakt dostalo.
Víte, jak je někdy člověku, když se dozví něco o vesmíru a prostě si musí chvíli sednout a nechat to na sebe působit? Tak přesně tohle teď zažívám.
Fyzikové z Oxfordské univerzity ve spolupráci s Velkým hadronovým srážečem (LHC) v CERNu – ano, tím obrovským podzemním prstencem ve Švýcarsku, kde rozbíjejí částice téměř rychlostí světla – právě ukázali něco neuvěřitelného. Prokázali, že kvantové propletení může přežít v těch nejnáročnějších podmínkách, jaké si dokážeme představit.
A nejen přežít. Doslova vzkvétat.
Co je vlastně to kvantové propletení?
Pojďme si to vysvětlit tak, aby to dávalo smysl i bez pětiletého studia fyziky. Představte si dvě částice, které vznikly společně nebo spolu nějak interagovaly. Jakmile jsou propletené, jsou propojené způsobem, který nedává smysl – ať je oddělíte jakkoli daleko.
Tady přichází ta šílená část: když změříte jednu částici, okamžitě víte něco o jejím partnerovi. Změříte spin jedné a ta druhá reaguje, jako kdyby spolu pořád mluvily na dálku. Mohly by být na opačných koncích vesmíru a spojení by pořád drželo.
Einstein s tímhle nebyl vůbec spokojený. Myslel si, že musí existovat nějaká skrytá proměnná, nějaké hlubší vysvětlení. Proslavil se tím, že tomu říkal "strašidelné působení na dálku" a roky se to snažil vyvrátit.
Mýlil se. (No dobře, v tomhle se mýlil. Jinak samozřejmě zůstává géniem.)
Těžké váhy kvantového světa
A tady přichází to, co dělá tenhle výzkum tak vzrušující.
Vědci znají propletení už desítky let a pozorovali ho v spoustě systémů – fotonech, elektronech, zachycených ionech, dokonce i top kvarcích. Jenže to všechno jsou relativně "ukázněné" kvantové systémy, které můžeme v laboratořích pečlivě studovat.
Tým z Oxfordu chtěl jít dál. Zajímalo je: dokáže propletení přežít v absolutním chaosu částicového srážeče?
Konkrétně se zaměřili na Z bosony. Tyto částice:
- Jsou neuvěřitelně těžké (tedy pro subatomární částice)
- Existují jen zlomek sekundy, než se rozpadnou
- Vznikají při rozpadu Higgsových bosonů
- Vytvářejí se, když protony narážejí jeden do druhého rychlostí 99,99 % rychlosti světla při energiích dosahujících třinácti bilionů elektronvoltů
Ano, čtete správně – mluvíme o částicích vznikajících při jedněch z nejnásilnějších srážek, jaké kdy lidstvo vyrobilo.
Hledání kvantové magie v troskách
Tady přichází ta chytrá část. Z bosony zmizí téměř okamžitě, ale zanechají stopy. Když se Z boson rozpadne, produkuje elektrony nebo miony (těžší bratránci elektronů). Detektor ATLAS na LHC dokáže tyto produkty rozpadu měřit s neuvěřitelnou přesností.
Analýzou úhlů, pod jakými tyto částice vyletěly, mohli vědci rekonstruovat spiny původních Z bosonů. A co myslíte? Našli korelace – kvantový otisk propletení – stále přítomné a funkční.
Jinými slovy: strašidelné působení bylo plně živé a vitální, a to v tomto prostředí extrémní energie a chaosu.
Profesor Alan Barr z Oxfordu, který se podílel na stavbě LHC a dlouhodobě tlačí na využití srážeče pro kvantové experimenty, to krásně shrnul:
"Najít ho v plné síle u částic tak těžkých a krátce žijících, jako jsou Z bosony, vznikajících při některých nejnásilnějších srážkách, které na Zemi dokážeme vyrobit – to ukazuje, jak fundamentální a odolný tento kvantový jev skutečně je."
Proč by nás to mělo zajímat (kromě toho, že je to cool)
Možná si říkáte: "Okay, fajn pro physics, ale proč bych si měl/měla dělat starosti?"
Spravedlivá otázka. Tady je pár důvodů:
1. Ukazuje to, že kvantová mechanika funguje všude. Nejenom že pozorujeme propletení v pečlivě kontrolovaných laboratorních podmínkách. Stejná pravidla, která jednoho dne možná pohánějí kvantové počítače, fungují v těch nejextrémnějších prostředích, které příroda nabízí.
2. Spojuje to dva světy. Tento výzkum je součástí rostoucího úsilí přiblížit kvantovou informační vědu – obor stojící za kvantovým počítáním – k fyzice vysokých energií. Vědci aplikují koncepty vyvinuté pro kvantové systémy na obrovská data z částicových srážečů a doufají, že najdou vzorce, které se nevejdou do našeho současného chápání.
3. Mohlo by to odhalit novou fyziku. Tyto techniky by mohly nakonec detekovat jemné efekty naznačující fyziku za hranicemi toho, co dnes známe – možná dokonce stopy o samotné podstatě reality.
Vesmír se ukazuje být víc propojený, než jsme si kdy dokázali představit.
Co si z toho odnést
Mám rád, že nás tenhle výzkum připomíná, jak divný a krásný kvantový svět je. Lidé si často myslí, že kvantová mechanika se děje jen v malých, křehkých laboratorních pokusech – snadno narušitelných, snadno ztracených.
Ale to není to, co tahle studie ukazuje.
Kvantové propletení není křehké. Není to jen laboratorní kuriozita. Je tkané do struktury samotné reality, přetrvává i když jsou částice vytvářeny v podmínkách, které by zničily skoro cokoliv jiného.
Stejné "podivné zákony kvantové mechaniky", které jednoho dne možná přinesou neuvěřitelně výkonné počítače, fungují všude v přírodě – možná způsoby, které jsme ještě ani nezačali chápat.
A upřímně? Přijde mi to takové uklidňující.