Atomii care sfidează realitatea: experimentul ce arată că materia poate fi în două locuri deodată

Mecanica cuantică oferă din nou un rezultat care contrazice felul în care percepem realitatea la scară obișnuită. O echipă de cercetători de la Australian National University a reușit, pentru prima dată, să măsoare corelații de tip Bell în impulsul unor atomi de heliu, nu doar în proprietăți interne, precum spinul. Pe scurt, experimentul confirmă încă o dată că, la scară microscopică, materia se comportă într-un mod care pare imposibil în viața de zi cu zi: particulele pot exista în superpoziție, adică în mai multe stări simultan, iar două particule pot rămâne legate prin entanglement chiar și atunci când sunt separate. Rezultatul nu răstoarnă teoria, dar o confirmare de acest fel este extrem de importantă tocmai pentru că predicțiile mecanicii cuantice rămân atât de stranii.

Mai important decât efectul spectaculos este însă ce urmează. Pentru că atomii au masă, spre deosebire de fotoni, acest tip de experiment deschide o cale reală spre studierea relației dintre lumea cuantică și gravitație. Aici se află una dintre cele mai mari probleme nerezolvate din fizică: mecanica cuantică explică excelent universul foarte mic, iar relativitatea generală descrie impecabil gravitația și structura spațiu-timpului, însă cele două teorii nu se împacă bine una cu alta. Tocmai de aceea, noul rezultat este văzut ca un pas important spre teste mai ambițioase, care ar putea apropia cercetătorii de o viitoare teorie unificată.

Cum au reușit fizicienii să „prindă” entanglementul în mișcarea atomilor

Experimentul a pornit de la nori ultrareci de heliu, aduși într-o stare specială numită condensat Bose-Einstein. În această stare, atomii încep să se comporte colectiv, aproape ca o singură undă de materie. Cercetătorii au pus aceste grupuri de atomi să se ciocnească în condiții extrem de controlate, iar în urma coliziunilor s-au format perechi de atomi corelate cuantic. Noutatea nu este doar că acești atomi au devenit entanglați, ci faptul că entanglementul a fost observat în impulsul lor, adică în felul în care se deplasează prin spațiu.

Apoi, atomii au fost lăsați să cadă printr-un interferometru special, unde traseele posibile s-au suprapus. Locul în care au ajuns pe detector a depins de impulsul lor, iar distribuția rezultatelor a arătat exact semnătura așteptată de teoria cuantică. Cu alte cuvinte, înainte de măsurare, atomii nu aveau o singură traiectorie clară, ci existau într-o combinație de posibilități. Asta înseamnă, într-un limbaj accesibil, că materia s-a comportat ca și cum ar fi fost „în două locuri deodată”.

Vezi și:

Românii vor avea patru zile libere la rând. Când este programată următoarea minivacanță

Fenomenul este greu de acceptat intuitiv pentru că tot ce vedem în jurul nostru pare să aibă o singură poziție și o singură stare la un moment dat. În lumea particulelor, însă, regulile sunt altele. Până în clipa în care are loc măsurarea, sistemul poate exista într-o superpoziție de stări. Iar când vorbim despre două particule entanglate, măsurarea uneia influențează instantaneu descrierea celeilalte, chiar dacă distanța dintre ele este mare.

De ce această descoperire contează dincolo de efectul „wow”

Entanglementul a mai fost demonstrat de multe ori, inclusiv în experimente cu fotoni și cu alte proprietăți ale atomilor. Diferența esențială aici este că atomii sunt obiecte materiale, compuse și cu masă, ceea ce îi face sensibili la gravitație. Tocmai acest detaliu îi entuziasmează pe fizicieni. Dacă poți controla și măsura superpoziția și entanglementul în sisteme materiale tot mai mari, începi să testezi direct granița dintre mecanica cuantică și relativitatea generală. Iar aceasta este zona în care se caută de zeci de ani răspunsul la întrebarea cum poate fi descris universul printr-o singură teorie coerentă.

Autorii studiului spun deschis că drumul până la astfel de teste este încă lung. Pentru a închide complet așa-numita „locality loophole”, particulele ar trebui separate pe distanțe mai mari decât cele folosite în prezent, iar instalația experimentală ar trebui extinsă considerabil. Cu toate acestea, demonstrația actuală arată că direcția este una reală, nu doar teoretică. Este încă un moment în care ideile care păreau cândva aproape filosofice sunt validate pas cu pas în laborator.

Vezi și:

„Întoarcerea în timp” poate fi posibilă, dar nu ca în filme. Experimentul cu fotoni care i-a uimit pe fizicieni

Mai mult decât atât, experimentul are și o valoare simbolică uriașă. Confirmă că realitatea, la nivel fundamental, nu este obligată să respecte intuiția umană. Ceea ce pentru noi pare absurd poate fi perfect natural pentru univers. Iar fiecare astfel de rezultat îi obligă pe cercetători să împingă mai departe limitele experimentelor, în speranța că, într-o zi, vor reuși să lege elegant două dintre cele mai importante construcții teoretice din istoria științei.

În forma lui actuală, experimentul nu oferă încă „teoria tuturor”, dar confirmă spectaculos că lumea microscopică funcționează exact atât de ciudat pe cât spun ecuațiile. Iar uneori, în știință, tocmai această confirmare face cel mai mare zgomot.