Неопределеността на квантовия свят е демонстрирана в най-големия досега мащаб, изследвайки границите на квантовата механика.
Повече от един милиард атоми в стъклено топче действат като единна квантова вълна, което е решаваща стъпка в процеса на интерференция на макроскопичната материя със самата себе си и проверка на теориите за квантовата гравитация.
В началото на 20-ти век физиците осъзнават, че в малки мащаби материята изглежда размита.
Въпреки че предишни експерименти са показвали, че частици като електроните или атомните ядра могат да се държат и като частици, и като вълни, като интерферират помежду си като вълни в паднали камъни в езеро.
Тази вълнова природа означава, че позициите на частиците не могат да бъдат точно определени, а могат да бъдат описани само като облак от вероятности, докато този облак не бъде нарушен от външно взаимодействие, например измерване.
Това явление, наречено делокализация, (че една квантова частица може в известен смисъл да съществува едновременно на множество места), е основен принцип на квантовата механика и изглежда е универсално за миниатюрните частици.
Повечето физици предполагат, че делокализацията съществува и в много по-големи мащаби, но че не я виждаме, защото крехкият, подобен на вълна облак от вероятности се разрушава от безброй взаимодействия с други частици. Не е ясно обаче докъде се простира размитата природа на квантовия свят за големите обекти и дали те могат да бъдат наблюдавани, ако тези взаимодействия бъдат премахнати.
Сега Масимилиано Роси (Massimiliano Rossi) от ETH Цюрих в Швейцария и колегите му са измерили квантовата вълнова природа на стъклено топче с размер 100 нанометра, което е една десета от ширината на човешки косъм и съдържа милиарди атоми.
За да измерят размитата природа на топчето, Роси и екипът му първо е трябвало да локализират позицията му с изключителна точност. Това е било необходимо, за да се гарантира, че измерената делокализация не се дължи само на неквантовата неопределеност, че не се знае къде е точно частицата, или на случайно разклащане, причинено от топлината. За тази цел те улавят топчето с помощта на инфрачервен лазер, който може да измери точно позицията на частицата и да регистрира случайното ѝ трептене. Освен това поставят топчето и лазера в екстремен вакуум, така че след като частицата е делокализирана, нейната деликатна квантова природа няма да бъде нарушена от преминаващи молекули.
След като позицията на топчето е измерена, изследователите за момент изключват лазера, което кара вълновата природа на топчето да вземе връх.
"Ако изключим лазера, това, което се случва, е подобно на хвърлянето на камък в езерото", обяснява Роси. "Първоначално повърхността се разклаща само на мястото на камъка, само водата около този камък, но ако след това изчакате известно време, тази вълна започва да се разширява и да се разпространява."
След това те включват отново лазера и записват позицията на топчето.
Повтаряйки този експеримент стотици пъти, изследователите получават картина на размитата природа на топчето в мащаб от пикометри, около 100 000 пъти по-малък от самото топче. Следващата стъпка ще бъде записването на вълновата природа на топчето на разстояния с дължина, равна на дължината на самото топче, което ще даде възможност за провеждане на интерференчни изследвания, подобни на известния експеримент с двойния процеп, но с макроскопична материя, отбелязва Роси.
Подобни експерименти ще ни позволят също така да проверим възможни теории за квантовата гравитация. Физиците все още не знаят дали гравитацията на най-фундаменталното си ниво е съставена от дискретни нива и енергии, както е светлината, или е гладка и неделима в същите мащаби на дължината като квантовите явления.
Трудно е да се провери природата на гравитацията на малки дължини, защото тя е сравнително много по-слаба от другите сили, но това би имало ефект върху еволюцията на вълната, която Роси и екипът му са измерили, посочва Хендрик Улбрихт (Hendrik Ulbricht) от Университета в Саутхемптън, Великобритания .
По-специално, еволюцията на вълната на топчето би изглеждала по различен начин в зависимост от това дали гравитацията е квантова или непрекъсната, смята Улбрихт.
"Ако сте в състояние да генерирате [интерференция с] друга частица като тази, тогава бихте могли да изследвате как тя еволюира след това и дали гравитацията играе роля в нейната еволюция", посочва Улбрихт. "Тогава ще можете да отговорите на този вид въпроси на квантовата гравитация. Това са вълнуващи неща."
Справка: Quantum Delocalization of a Levitated Nanoparticle; Massimiliano Rossi, Andrei Militaru, Nicola Carlon Zambon, Andreu Riera-Campeny, Oriol Romero-Isart, Martin Frimmer, Lukas Novotny; https://arxiv.org/abs/2408.01264
Източник: Fuzzy quantum effects have been seen on the largest scale yet, New Scientist
Още по темата
Физика
Изследване на квантовите ефекти на Хол води до откритието на нови състояния на материята
Физика
Тежките атоми размиват границата между квантовата механика и теория на относителността
Физика
Физици отгледаха котки на Шрьодингер, за да разкрият границите на квантовия свят
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари