— Published on 06/10/2019 / Bug.hr.
Novi eksperimenti s kvantom superpozicijom makromolekula pokazuju da je granica između kvantog i klasičnog svijeta puno bliža klasičnom, što ima važne implikacije za alternativne teorije i za primjene
Edwin Hubble svojedobno je rekao da je povijest astronomije zapravo povijest pomicanja horizonta. Ta se slikovita izjava lijepo može proširiti na cijelu prirodnu znanost: povijest znanosti zapravo je povijest pomicanja granica. Gotovo svakodnevno znanost ruši neke zablude, mitove i predrasude te neprekidno pomiče granice svojeg znanja, širi zamišljeni obzor poznatog na račun dotad nepoznatog.
Osim u prenesenom smislu, o pomicanju granica ponekad govorimo i u doslovnom smislu. Primjerice, nove spoznaje neprekidno korigiraju naš odgovor na pitanje na kojoj skali prestaju dominirati zakonitosti kvantnog svijeta, a gdje počinju dominirati zakonitosti klasičnog svijeta. Gdje je granica kvantne fizike? Na kraju krajeva, postoji li uopće takva granica?
U prvim desetljećima dvadesetog stoljeća razvijena je potpuno nova grana fizike, kvantna mehanika, koja je brzo postala ključni potporanj moderne fizike. Drugi takav potporanj je teorija relativnosti. Kvantna mehanika opisuje fizičke sustave atomskog i subatomskog svijeta, dakle ponašanje atoma, atomskih jezgara, nukleona i elementarnih čestica. Pokazalo se da su predviđanja koje daje kvantna mehanika izvanredno dobra, ali i izvanredno čudna. Ponašanje čestica u mikrosvijetu ispalo je tako bizarno da se mnogi fizičari s tim nikad nisu mogli pomiriti. Einstein je primjerice do kraja života odbijao prihvatiti probabilističko svojstvo kvantog svijeta, premda je dao mnoge važne doprinose razvoju kvantne fizike.
Uglavnom, otkriveno je da se objekti u atomskom i subatomskom svijetu pokoravaju zakonima kvantne fizike koji su bitno različiti od zakona klasične fizike kojima se pokoravaju makroskopski objekti. Crta koja je dijelila mikrosvijet od makrosvijeta s vremenom s pomicala prema sve većim česticama.
.
Dvojna priroda tvari
Jedna od ključnih odrednica kvantnog svijeta je dvojna priroda tvari. Najprije se pokazalo da elektron, elementarna čestica s masom, nema samo čestična nego i valna svojstva, naime da se u određenim situacijama ponaša kao val. Tipična situacija u kojoj valna priroda elektrona očituje je interferencija.
Interferencija je dobropoznata i tipično valna pojava mjestimičnog pojačanja ili smanjenja intenziteta dvaju ili više koherentnih valova. Interferencijski uzorak sigurna je potvrda valne pojave. Opaziv je za sve vrste valova, i elektromagnetske (primjerice svjetlost) i mehaničke (primjerice valove na vodi).
Šokantno je bilo otkriće da interferencijski uzorak mogu stvoriti i elektroni. To je značilo da elektroni osim čestične imaju i valnu prirodu, u nekim se situacijama ponašaju kao čestice, a u nekim kao valovi. Kasnije se pokazalo da ista stvar vrijedi i za atomske jezgre i za atome. Načelno, svaka čestica ima i valna svojstva samo što je valna duljina to manja što je masa čestice veća pa je za masivne čestice valna priroda potisnuta u korist čestične. Dakle, tvar ima dvojnu prirodu, ali se ona iskazuje otprilike do razine atoma. Udžbenici fizike dvojnu prirodu tvari definiraju kao kvantni fenomen na atomskoj razini.
.
Eksperiment s dvije pukotine
Slavni eksperiment s dvije pukotine za svjetlost je prvi put proveden davne 1801. godine. Dvije uske pukotine djeluju kao dva koherentna izvora pa svjetlost na udaljenom zastoru biva na nekim mjestima pojačana, a na nekim oslabljena. Vide se takozvane svijetle i tamne pruge. Ovisno o geometriji pokusa mogu se dobiti i drukčiji uzorci, primjerice kolobari. No, u pozadini je uvijek isto načelo koje nazivamo načelom superpozicije. Pojednostavljeno rečeno, superpozicija je zbrajanje učinaka dvaju valova. Kod mehaničkih valova to je lako razumijeti, zbrajaju se otkloni valova. Ako dva koherentna vala (s istom valnom duljinom i istom amplitudom), recimo dva morska vala, dođu na isto mjesto u isto vrijeme i to tako da jedan, na tom mjestu u to vrijeme, ima vrh brijega, a drugi, na tom mjestu u to vrijeme, dno dola, onda im se učinci ponište pa je ukupni otklon nula. Ako se sastane brijeg s brijegom onda je ukupni učinak dvostruki brijeg. Jednostavno. No, kako to funkcionira s elektronom?
Ako elektron pokušamo zamisliti kao malu kuglicu koja jaše na nekakvom valu, kao plovak kojega ljulja morski val, brzo upadamo u probleme. Naime, kad se s elektronom napravi eksperiment s dvije pukotine onda se pokazuje da nije moguće utvrditi kroz koju je pukotinu prošao elektron. Zatvorimo li jednu od pukotina interferencijski uzorak iščezava.
Mogli biste reći: interferencijsku sliku formira snop elektrona pa neki prolaze kroz jednu pukotinu, a neki kroz drugu i onda se se superpozicija događa s dva vala od kojih jedan pripada jednom, a drugi drugom elektronu. No, da to nije tako može se pokazati smanjivanjem intenziteta snopa do krajnosti kad elektrone puštamo jednog po jednog. Dakle, pustimo jednog pa malo pričekamo, pa pustimo drugog pa pričekamo i tako dalje. Vrhunac bizarnosti je da i u takvoj konfiguraciji eksperimenta nastaje interferencijski uzorak što znači da elektron interferira sam sa sobom. Ako se ne možete maknuti od predodžbe elektrona kao male kuglice onda ste u velikom problemu, jer svaki je elektron prošao kroz obje pukotine istodobno.
Dobro, možda ćete nastaviti inzistirati na klasičnim predodžbama pa reći: možda elektron i nije čestica nego je nekakav val. Međutim, isti eksperiment ponovljen je i s protonom i atomskom jezgrom i cijelim atomom. I svaki put nastaje interferencijski uzorak. Dakle, i atom prolazi istodobno kroz obje pukotine. Načelno, i veći objekti imaju valna svojstva samo su valne duljine jako male pa je sve teže opaziti interferenciju. No, načelno, trebalo bi biti moguće. Kad bismo dizajnirali dovoljno osjetljiv instrument – interferometar – možda bismo vidjeli i interferenciju velikih molekula.
.
Bečka istraživačka grupa Markusa Arndta
Trebalo je vremena da se takav instrument napravi, da se nađu rješenja za mnoge tehničke poteškoće. No, u konačnici, to je ostvareno. Bečka istraživačka grupa, koju vodi Markus Arndt, nedavno je objavila rezultate svojih eksperimenata s posebnim interferometrom zvanim LUMI (Long-Baseline Universal Matter-Wave Interferometer). Čestice s kojima su radili su divovske u odnosu na atome. Radi se o makromolekulama s nekih 2000 atoma po molekuli. I te su velike čestice dale lijep interferencijski uzorak. Ako si pomoću predodžbi iz svakodnevnog iskustva (a druge ni nemamo) pokušamo dočarati nastanak tog interferencijskog uzorka onda ispada da su i te gromade od molekula prošle istodobno kroz obje pukotine odnosno da su bile na dva mjesta u isto vrijeme. Stručno se to kaže da su narušile načelo lokalnosti što je jedna od svetinja klasične fizike. Osim toga, udžbeničku definiciju dvojne prirode tvari sada možemo korigirati: kvantni fenomen ne samo na atomskoj nego na makromolekularnoj razini.
.
Od kvantne superpozicije do kvantnih računala
S obzirom na masu tih makromolekula koje su iskazale kvantnu superpoziciju u interferometru LUMI mogu se isključiti neki modeli, ili neke interpretacije kvantne teorije, koje predviđaju iščezavanje valne prirode tvari iznad odeđene mase čestice. Ako i postoji neka čvrsta granica između kvantnog i klasičnog svijeta sad znamo da je ona puno bliže klasičnom svijetu nego što smo dosad smatrali. Ako granice nema onda bismo možda i mi, pod određenim okolnostima, mogli biti na dva mjesta u isto vrijeme.
No, postoji važnije implikacije ovih rezultata. Oni bi, naime, mogli biti od velike pomoći u realizaciji nadolazećih kvantnih tehnologija, posebno kvantnih kompjutora. A to je tema o kojoj ćemo imati prilike više čuti na predavanju Prirode uživo 10. listopada u Knjižnici i čitaonici Bogdana Ogrizovića u Zagrebu.