Na najmanjim razinama stvarnosti, naša intuitivna percepcija svijeta više ne vrijedi. Fizika na tim skalama postaje neodlučna, što je činjenica koju je sve teže zanemariti dok dublje ulazimo u svijet čestica koje čine naš svemir. Kako bi bolje razumjeli ove fenomene, fizičari su morali osmisliti potpuno novi okvir zasnovan na vjerojatnosti, a ne na sigurnosti. Taj okvir nazivamo kvantna teorija, koja opisuje razne fenomene, od spregnutosti do superpozicije.
Klasika protiv kvantne teorije
Iako stoljeće eksperimenata pokazuje koliko je kvantna teorija korisna za objašnjavanje onoga što vidimo, teško je napustiti klasičan pogled na građevne blokove svemira kao pouzdane elemente u vremenu i prostoru. Čak je i Albert Einstein bio prisiljen pitati svog kolegu fizičara: “Vjeruješ li stvarno da Mjeseca nema kada ga ne gledaš?”
Mnogi fizičari su tijekom desetljeća postavljali pitanje može li fizika koja opisuje makroskopska iskustva također objasniti cjelokupnu kvantnu fiziku. Sada je nova studija potvrdila da je odgovor definitivno ne.
Konkretno, neutroni ispaljeni kroz neutron interferometar mogu istovremeno postojati na dva mjesta, što je nemoguće prema klasičnoj fizici.
Test se temelji na matematičkom postulatu zvanom Leggett-Gargova nejednakost, koja tvrdi da je sustav uvijek determiniran u jednom od dostupnih stanja. U osnovi, Schrödingerova mačka je ili živa ili mrtva, a mi možemo odrediti koje je od tih stanja bez utjecaja mjerenja na ishod.
Kršenje Leggett-Gargove nejednakosti
Makroskopski sustavi – oni koje možemo pouzdano razumjeti koristeći samo klasičnu fiziku – pridržavaju se Leggett-Gargove nejednakosti. No, sustavi u kvantnom svijetu krše ovu nejednakost. Mačka je istovremeno živa i mrtva, što je analogija za kvantnu superpoziciju.
“Ideja je slična poznatijoj Bellovoj nejednakosti, za koju je dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku 2022. godine,” kaže fizičarka Elisabeth Kreuzgruber s Tehničkog sveučilišta u Beču.
“Međutim, Bellova nejednakost se bavi pitanjem koliko je ponašanje čestice povezano s drugom kvantno spregnutom česticom. Leggett-Gargova nejednakost se odnosi samo na jedan objekt i postavlja pitanje: kako je njegovo stanje u određenim točkama vremena povezano sa stanjem istog objekta u drugim specifičnim točkama vremena?”
Eksperiment s neutronima
Interferometar neutrona uključuje ispaljivanje neutrona prema meti. Kako neutroni prolaze kroz aparat, dijele se na dva dijela, a svaki od dijelova putuje različitim putanjama dok se kasnije ne spoje.
Teorem Leggetta i Garga kaže da mjerenje na jednostavnom binarnom sustavu može dati dva rezultata. Ponovite mjerenje u budućnosti, ti rezultati će biti korelirani, ali samo do određene točke.
Za kvantne sustave, teorem Leggetta i Garga više ne vrijedi, dopuštajući korelacije iznad ovog praga. Ovo bi istraživačima dalo način da razlikuju treba li sustav razumjeti pomoću kvantne teorije.
“Međutim, nije tako lako eksperimentalno istražiti ovo pitanje,” kaže fizičar Richard Wagner s Tehničkog sveučilišta u Beču. “Ako želimo testirati makroskopsku realnost, tada trebamo objekt koji je makroskopski u određenom smislu, tj. koji ima veličinu usporedivu s veličinom naših uobičajenih svakodnevnih objekata.”
Kvantni objekti velikih razmjera
Da bi postigli ovo, prostor između dva dijela neutrona u interferometru je na skali koja je više makro nego kvantna.
“Kvantna teorija kaže da svaki pojedini neutron putuje obje putanje istovremeno,” kaže fizičar Niels Geerits s Tehničkog sveučilišta u Beču. “Međutim, dva dijela neutrona su nekoliko centimetara udaljeni jedan od drugog. Na neki način, imamo posla s kvantnim objektom koji je ogroman prema kvantnim standardima.”
Korištenjem nekoliko različitih metoda mjerenja, istraživači su ispitivali neutroni u različitim vremenima. I, naravno, mjerenja su bila previše korelirana da bi klasična pravila makro stvarnosti bila primjenjiva. Neutroni, sugeriraju njihova mjerenja, zapravo putuju istovremeno dvjema različitim putanjama, razdvojenima za nekoliko centimetara.
Ovo je samo najnovije u nizu eksperimenata Leggett-Gargove nejednakosti koji pokazuju da zaista trebamo kvantnu teoriju kako bismo opisali svemir u kojem živimo.
“Naš eksperiment pokazuje: Priroda je stvarno čudna onako kako kvantna teorija tvrdi,” kaže fizičar Stephan Sponar s Tehničkog sveučilišta u Beču. “Bez obzira na koju klasičnu, makroskopski realističnu teoriju se oslonite: Nikada neće moći objasniti stvarnost. Ne može se bez kvantne fizike.”
Ova istraživanja su objavljena u časopisu Physical Review Letters.
