Kvantinė mechanika jau daugelį metų erzina sveiką protą: ji teigia, kad dalelė gali elgtis kaip banga, kad du objektai gali išlikti susieti net būdami dideliu atstumu ir kad gamta mūsų intuicijos leidimo neprašo. Šį kartą fizikai pademonstravo dar vieną kasdienę logiką išbandantį reiškinį: jie stebėjo atomų poras būsenoje, kurioje jų judėjimas buvo kvantiškai susietas, o patys atomai elgėsi taip, tarsi vienu metu galėtų būti dviejose vietose.
Šviesa jau seniai yra mėgstamiausias eksperimentų apie nelokalumą ir susietumą objektas, tačiau fotonai šiuo požiūriu yra „patogūs“: jie neturi rimties masės, juos lengviau valdyti optinėmis sistemomis. Atomai yra masyvūs, juos veikia gravitacija, todėl panašų efektą pademonstruoti būtent su jais turi kitokį svorį – tiesiogine ir perkeltine prasme.
Dėl to naujasis rezultatas sulaukė didelio dėmesio. Tyrėjai pridėjo ypač svarbų eksperimentinį „dėlionės gabalą“ prie vaizdo, kurį teorija numatė seniai, bet masyvioms dalelėms praktiškai įrodyti buvo nepaprastai sudėtinga. Fizikoje dažnai nutinka taip, kad tai, kas lygtimis aprašyta dešimtmečius, vis dar laukia savo momento laboratorijoje. Šį kartą toks momentas, panašu, atėjo.
Ne apie paprastą „buvimą dviejose vietose“
Lengviausia šią temą suvesti į skambią frazę, kad atomas „yra dviejose vietose vienu metu“. Tai patrauklu, tačiau per daug supaprastina tai, kas iš tiesų buvo pademonstruota. Eksperimento esmė – susietumas judėjime, tiksliau, atomų impulse. Mokslininkai atliko Belo koreliacijų matavimą helio-4 atomų poroms, kurios buvo susietos būtent impulso atžvilgiu.
Dauguma ankstesnių nelokalumo demonstracijų buvo susijusios su dalelių vidinėmis būsenomis, pavyzdžiui, fotonų poliarizacija ar atomų sukinio (spino) būsena, o ne su tuo, kaip dalelės juda erdvėje. Šiuo atveju kalbama ne apie „bendrą paslaptį“ dalelių viduje, o apie kvantinį ryšį, susiejantį patį jų judėjimo būdą.
Kai tokios koreliacijos pažeidžia Belo nelygybes, klasikinis realybės vaizdas tampa per ankštas: rezultato nebeįmanoma paaiškinti paprastu lokalių, „paslėptų“ savybių rinkiniu. Todėl eksperimentas laikomas svarbiu – jis perkelia nelokalumo tyrimus į sritį, kur nelokalumo nešėju tampa masyvių dalelių judėjimas.
Helis pasirodė idealus „aktorius“ itin sudėtingam vaidmeniui
Eksperimentas atliktas su itin šaltais metastabilaus helio-4 atomais. Toks pasirinkimas nebuvo atsitiktinis: metastabilus helis leidžia labai tiksliai registruoti pavienius atomus ir jų impulsus po susidūrimų. Dėl to komanda galėjo sekti dalelių poras ir tikrinti, ar jų elgesys iš tiesų turi susietumo „parašą“, o ne tėra paprastas statistinis sutapimas.
Sunkumas tas, kad dirbant su masyviomis dalelėmis viskas tampa sudėtingiau nei su šviesa. Atomus reikia atšaldyti, paruošti, sukelti tinkamus susidūrimus, o vėliau iš duomenų ištraukti itin subtilias koreliacijas. Tai primena skirtumą tarp šviesos spindulio nukreipimo per veidrodžių sistemą ir bandymo tą pačią choreografiją atlikti su materijos „grūdeliais“, kurie turi inerciją ir neatleidžia eksperimentinių netikslumų.
Ankstesni bandymai ne visada duodavo vienareikšmius rezultatus. Nors teorinės prielaidos žinomos seniai, realių atomų judėjime tokį efektą ilgą laiką buvo sunku patikimai pademonstruoti. Šį slenkstį tyrėjams pavyko įveikti ir kartu sukurti pagrindą tolesniems bandymams.
Kodėl fizikai taip siekia susieti būtent atomus?
Ilgą laiką garsiausi kvantiniai eksperimentai rėmėsi fotonais, nes šviesa yra patogus tokių efektų nešėjas: ją lengva nukreipti, atskirti, išmatuoti, o fotonai puikiai tinka susietumui ir Belo nelygybių pažeidimams tikrinti. Tačiau šviesa neatspindi viso fizikinio pasaulio: ji neturi rimties masės, o gravitaciją „jaučia“ ne taip, kaip įprasta materija.
Todėl eksperimentai su atomais turi kitą prasmę: kai panašūs reiškiniai parodomi masyviose dalelėse, atsiveria įdomesnė erdvė naujiems testams. Tai jau pasakojimas ne vien apie subtilų šviesos elgesį, bet apie tai, kiek kvantinės gali būti medžiagos dalelės, iš kurių sudaryti mums įprasti objektai. Kuo labiau mokslininkai stumia šią ribą, tuo aštresnis tampa klausimas, kur baigiasi kvantinis pasaulis ir prasideda kasdienė tikrovė.
Tai taip pat reikšmingas žingsnis tyrimuose, siekiančiuose geriau suprasti mechanikos kvantų ir gravitacijos ryšį. Viena didžiausių šiuolaikinės fizikos problemų – šių dviejų teorinių „tvarkų“ suderinimas į vieną nuoseklų vaizdą. Susieti atomai šios užduoties neišsprendžia akimirksniu, tačiau suteikia naujo tipo eksperimentinę aikštelę, kurioje drąsias idėjas galima tikrinti praktiškai.
