8 Minutės
Kokia didelė gali būti kvantinė banga, kol ji nustoja elgtis kaip kvantinė materija ir pradeda elgtis kaip kieti objektai, su kuriais susiduriame kasdien? Naujausi eksperimentai stūmė šią ribą toliau, nei daugelis fizikų tikėjosi.
Vienos iš Vienos universiteto ir Duisburgo‑Essen universiteto tyrėjų komanda pranešė apie interferenciją, stebimą iš netikėtai didelio dalelės tipo: itin atšaldyto natrio atomų klasterio, maždaug 8 nanometrų skersmens ir sveriančio daugiau nei 170 000 atominių masės vienetų. Tai reiškia, kad šis klasteris pagal masę yra palyginamas su daugeliu didelių baltymų, o netgi su kai kuriais mažaisiais virusais. Visgi tinkamomis sąlygomis jis elgėsi kaip banga.
Skamba paradoksaliai, tačiau kvantinė mechanika daleles apibrėžia jų banginiais bruožais. Prieš atlikdami matavimą, kvantinis objektas nesėdi vienoje vietoje; jis egzistuoja superpozicijoje – daugelyje galimų būsenų tuo pačiu metu. Šias bangines savybes aiškiausiai pastebime su elektronais ir fotonais. Matyti jas objektuose, sudarytuose iš tūkstančių atomų, yra gerokai sudėtingiau. Aplinkos sąveikos greitai ištrina trapiąsias superpozicijas procese, kurį vadiname dekoherencija.
Eksperimente buvo panaudotas interferometras, sudarytas iš UV lazerio šviesos sukurtų difrakcinių grilių sekos. Natrio klasteriai buvo atšaldyti iki žemų temperatūrų ir vėliau praleisti per pirmąjį grilį, kuris priverstinai susiaurino jų trajektorijas. Už šio barjero jie išsiskleidė kaip bangos, kurių efektyvūs banginiai ilgiai svyravo tarp maždaug 10 ir 22 kvadrilijontųjų metro – skaičiai, pabrėžiantys, kokie mažyčiai yra interferencijų šypsnio tarpai, palyginti su pačios dalelės dydžiu. Vėlesni griliai tyrė susidariusią raštą ir patvirtino, kad klasteriai keliavo superpozicijoje kelių trajektorijų, o ne kaip taškiniai kulkos formos objektai.
Intuityviai galima manyti, kad toks didelis metalinis gabalas elgsis kaip klasikinė dalelė. Tačiau eksperimento rezultatai rodo ką kita: tinkamai izoliuoti ir valdomi mezoskopiniai objektai gali išlaikyti kvantinę elgseną ir sukelti aiškią interferenciją. Tai reiškia, kad kvantinė mechanika išlieka taikoma didesniu mastu, nei anksčiau manėme.
Komanda užfiksavo tai, ką fizikai vadina delokalizacija: klasterių masės centro padėtis nebuvo fiksuota per jų nematomą skrydį prietaisu. Delokalizacija apėmė atstumus, daug kartų viršijančius vieno klasterio dydį. Paprastais žodžiais tariant — šios metalinės sankaupos trumpam elgėsi kaip ištęstos bangos, o ne kaip kompaktiškos materijos kruopos.
Natrio klasteriai elgėsi kaip kvantiniai dariniai maždaug 200 000 atominių masės vienetų diapazone – tai dydis ir masė, palyginami su dideliais baltymais ir mažais virusais.
Kodėl tai svarbu ir kas laukia toliau
Makroskopiniu mastu dekoherencija paprastai laimi. Kasdieniai objektai sąveikauja su oro molekulėmis, šiluminiais fotonais ir laisvomis laukų įtakomis; šios sąveikos greitai susieja objektą su aplinka ir priverčia pasirinkti konkretų rezultatą. Būtent todėl mes niekada nematome kėdžių ar kačių vienu metu dviejose vietose. Tačiau kiekvienas toks stebėjimas — kaip šis natrio klasterių eksperimentas — pereina ribą tolyn, rodydamas, kad kvantiniai principai gali išsilaikyti giliau mezoskopiniame pasaulyje, nei tradiciškai manyta.
Praktinės ir filosofinės pasekmės yra reikšmingos. Praktiniu požiūriu gebėjimas valdyti didesnių dalelių interferenciją praturtina kvantinio jutimo ir itin tikslių matavimų metodikas, taip pat padeda inžinieriams projektuoti sistemas, kurios sumažina dekoherencijos poveikį. Filosofiniu požiūriu tai pagilina klausimus, ar superpozicijos iš tikrųjų žlunga į vieną realybę, ar kiekviena galimybė išsiskiria į platesnį multivisatos medį — interpretaciją, kuriai kai kurie mokslininkai teikia pirmenybę.
Tyrimo straipsnis, paskelbtas žurnale Nature, nepateikia galutinės ribos, kokio dydžio gali būti kvantinė banga. Vietoje to jis pateikia aiškų demonstravimą: tūkstančių atomų klasteriai vis dar paklūsta kvantinėje mechanikai, jei yra atskirti ir tvarkomi atsargiai. Rekordas buvo paslinktas. Kitas iššūkis yra lengvai suformuluojamas, bet sudėtingas įgyvendinti: kiek toli mes galime ištęsti bangą, kol aplinka prispaus ją pasirinkti vienai būsenai?
Kur ves ši kelionė — ar prie tvirtesnių kvantinių technologijų, ar prie gilesnių realybės mįslių — priklausys nuo būsimų eksperimentų. Kol kas žinia aiški ir tyliai stebinant: kvantinė elgsena nėra apribota tik mikroskopiniu pasauliu; su kantrybe ir tinkamais instrumentais ji gali pasirodyti tuomet, kai to mažiausiai tikimės.
Techniniai niuansai: interferometrija, banginiai ilgiai ir masė
Interferometrijos principas, taikytas šiame tyrime, remiasi klasikinio dvigubo plyšio idėja: jei dalelė arba dalelės gali keliauti per dvi (ar daugiau) alternatyvias trajektorijas, jų banginiai aspektai susilieja ir sukelia interferencinį raštą. Vietoj atvirų plyšių eksperimentatoriai naudojo keturias ar daugiau difrakcinių grilių, sudarytų iš UV lazerio šviesos, kurios vietoje mechaninių grotelių sukūrė erdvines fazines potencialų struktūras. Tokiu būdu buvo galima kontroliuoti sąlygas, kuriose klasteriai išlaikė koherenciją ir demonstravo interferenciją.
Minėtieji efektyvūs banginiai ilgiai – tarp maždaug 10 ir 22 kvadrilijontųjų metro (tai apie 1·10−14–2,2·10−14 m) – yra daug mažesni už pačių klasterių skersmenį (apie 8 nm arba 8·10−9 m). Šis santykis pabrėžia iššūkį: interferencijos briaunos yra labai smulkios ir reikalauja itin švarios aplinkos bei tikslaus detektavimo, kad būtų užfiksuotos. Tuo pačiu, paaiškinamas ir tai, kodėl eksperimentai su atomais ar elektronais dažniausiai demonstruoja banginius reiškinius daug lengviau — jų banginiai ilgiai yra artimesni eksperimentinių įrenginių erdviniam masteliui.
Masės vienetai — atominių masės vienetų (AMV arba u) skalė — leidžia palyginti skirtingų objektų inercines savybes. 170 000 AMV yra reikšminga vertė mezoskopiniame kontekste: tai jau toli nuo pavienių atomų ir molekulių, bet vis dar gerokai mažiau už rutulio daleles, kurias matome plika akimi. Eksperimentavimas šiame tarpsnyje leidžia testuoti įvairias dekoherencijos teorijas ir kvantinės klasikinės ribos modelius.
Ką reiškia delokalizacija ir kaip ją aptikti
Delokalizacija reiškia, kad masės centro padėtis nėra vienareikšmė kol objektas nėra išmatuotas. Įprastomis kasdienėmis sąlygomis objektai greitai praranda delokalizaciją dėl aplinkos sąveikų — oro molekulių sudūrimų, terminių sukrėtimų ir elektromagnetinių trikdžių. Eksperimento metu mokslininkai sumažino šias įtakos: veikė vakuumas arba itin praretinta terpė, žema temperatūra ir ekranuota elektroninė aplinka.
Aptikti delokalizaciją leidžia interferencinis raštas: jeigu masės centro kvantinis aprašas apima kelias trajektorijas, tada po jų susiliečiant interferencijos kontrastas parodo, kad klasteriai nebuvo taškiniai objektai vienu metu. Tokie matavimai reikalauja aukštos signalo ir triukšmo santykio, patikimos fono slopinimo priemonės ir kartais — statistinės analizės, nes vienas kitas trajektorijų derinys gali būti retas ir reikalauti didelio bandymų skaičiaus užfiksavimo.
Praktiniai pritaikymai ir mokslinės pasekmės
Šio tipo eksperimentai turi kelis svarbius praktinių taikymų ir mokslo kryptis. Pirma, jie padeda tobulinti kvantinio jutimo priemones – pavyzdžiui, aukštos jautrumo interferometrus, kurie gali matuoti nedidelius poslinkius, gravitacinius signalus ar kitus fizikos parametrus. Antra, supratimas, kaip sumažinti dekoherenciją, yra kertinis elementas kuriant stabilias kvantines skaičiavimo sistemas ir kvantinių tinklų komponentus.
Be to, tokie tyrimai leidžia testuoti teorinius modelius, kurie bando paaiškinti kvantinės klasikinės ribos kilmę: ar perėjimas vyksta dėl aplinkos sąveikų (ekologinė arba dekoherencijos interpretacija), ar reikia naujų fizikos principų, ribojančių kvantinę superpoziciją objektams virš tam tikros masės ar erdvinio masto. Iki šiol dauguma eksperimentinių rezultatų palaiko standartišką kvantinę mechaniką, tačiau tyrimų plėtra į didesnius mastus išlaiko diskusijas gyvas.
Būsimi eksperimentai ir technologiniai iššūkiai
Tolimesni eksperimentai sieks dar didesnių klasterių interferencijos, ilgesnio koherencijos laiko ir didesnio kontroliuojamumo. Tam reikės pažangesnių vakuminių sąlygų, tolesnio izoliavimo nuo elektromagnetinių trikdžių, jautresnių detektorių ir galbūt naujų metodų klasterių paruošimui bei manipuliacijai. Taip pat bus svarbu išplėsti teoretinį supratimą apie dekoherencijos mechanizmus konkrečiose eksperimentinėse sąlygose, kad būtų galima prognozuoti, kada ir kaip kvantinė elgsena turėtų dingti.
Gilinant šiuos tyrimus, galimos ir naujos praktinės kryptys: kvantinės sensorikos įrenginiai, kuriuose didesni objektai suteikia geresnę agreguotą signalų sąveiką; hibridinės kvantinės klasikinės sistemos, kuriose mezoskopiniai kvantiniai objektai sąveikauja su nanomechaniniais resonatoriais; bei eksperimentai, testuojantys fundamentalius kvantinės interpretacijos variantus.
Išvados
Šio natrio klasterių eksperimento svarba yra dviguba: jis praktiškai demonstruoja, kad kvantinės savybės gali pasirodyti mezoskopiniuose objektuose, ir kartu suteikia tyrėjams naują bandymų lauko ribą, kur galima patikrinti kvantinės mechanikos galimybes. Kiek toli galima stumti šią ribą, išliks atviru klausimu, bet kiekvienas naujas žingsnis priartina mus prie geresnio kvantinių sistemų valdymo ir gilina supratimą apie pačią realybę.
Trumpai tariant: kvantinė elgsena nėra vien tik mikroskopinių dalelių privilegija. Su tinkamomis priemonėmis, tinkama izoliacija ir kruopščiu eksperimento dizainu mezoskopiniai objektai — net ir tokie, kuriuos pagal masę galima būtų lyginti su dideliais baltymais ar mažais virusais — gali parodyti banginę prigimtį. Tai ne tik iššūkis mūsų intuicijai, bet ir galimybė tolimesniems moksliniams atradimams bei technologiniams proveržiams.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą