Размитите квантови ефекти са наблюдавани в най-големия мащаб досега

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

19/08/2024

Физика

Изследване на квантовите ефекти на Хол води до откритието на нови състояния на материята

06/10/2017

Физика

Тежките атоми размиват границата между квантовата механика и теория на относителността

02/05/2017

Физика

Физици отгледаха котки на Шрьодингер, за да разкрият границите на квантовия свят

04/03/2016

Физика

Намериха горната граница на квантовия свят