Atomok egyszerre különböző helyeken

A fizikusok megerősítik az atomok kvantummechanikai törvényeit

Az atomok a kvantummechanika törvényeit követik, néha furcsának tűnve. © Thinkstock
felolvasta

Atomok kvantumtörvényei: A fizikusok kísérletileg kimutatták a cézium-atomok szuperpozíciójának kvantummechanikai állapotát. Az atomok ugyanabban az állapotban vannak több helyen egyszerre. Az, hogy a kvantum világ jelensége csak az elemi részecskékre vagy a nagyobb tárgyakra vonatkozik-e, még nem tisztázott - de ezek eredményeként a fizikusok sokkal közelebb állnak a válaszhoz, ahogy azt a "Physical Review X" folyóiratban írták.

A kvantummechanika elméletei lehetővé teszik néhány bizarrnak tűnő dolgot: Ezért nagyon kicsi tárgyak, például elektronok vagy fotonok lehetnek egyszerre több helyen. A fizikusok a különféle utak egymás feletti helyzetéről beszélnek: a jól meghatározott út követése helyett a részecske egyszerre repül az összes lehetséges úton.

Ezt gyakran nehéz megérteni: ennek a számunkra látható világba történő átvitele például azt jelentené, hogy egy labdarúgás egyszerre landolhat a kapun és a célban. Napi megfigyeléseink szerint erről nincs szó. Ugyanakkor számos fizikai kísérlet megerősíti a kvantummechanika törvényeit az atomszinten. Hogyan illeszkedik egymáshoz?

A megfigyelés zavarja a mérési eredményt

"Ennek két különböző magyarázata van" - magyarázza Andrea Alberti a Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universitätből. A szokásos kvantummechanika szerint a szuperpozíciós állapotok alapvetően bármilyen méretű tárgyak esetében is lehetségesek, beleértve a labdákat is. Ezek az állapotok azonban nagyon instabilok: "A kvantumobjektum helyének meghatározására tett minden kísérlet megsemmisíti a szuperpozíciót" - folytatja a fizikus. Csak a szemével követve a labdát, úgy dönt, hogy egy pályát választ.

Egy másik elmélet feltételezi, hogy a nagyobb fizikai tárgyak, például a futball-labdák általában más fizikai szabályokkal rendelkeznek, mint a kvantummechanikai objektumok. Az úgynevezett makro-realisztikus világkép szerint a futball mindig rögzített pályán halad "függetlenül attól, hogy megfigyeljük-e vagy sem" - magyarázza Alberti. kijelző

Közvetett mérési módszer: Az egyik dobozban van egy macska (a). Ha az üres négyzet be van jelölve, a macskának a másik rovatban kell lennie (b). Ha a macskát közvetlenül fedezik fel, akkor megzavarodik. Alberti Andrea / www.warrenphotographic.co.uk

Mérés zavarás nélkül

Annak igazolására, hogy ezen elméletek közül melyik helyes, Alberti és kollégái új mérési módszert fejlesztettek ki: Két fény „csipesszel” megragadtak egyetlen cézium atomot, és két ellentétes irányba húzták. A makrorealista világban az atom egyetlen meghatározott helyen lett volna elhelyezve. A kvantum világban viszont két helyi helyzet szuperpozíciója lett volna.

A döntő tényező az, hogy ez a feltétel valóban fennáll-e, és csak a mérés során összeomlik. A tudósok ezt közvetett módszerrel határozták meg, amelyet összehasonlításukkal magyaráznak: a két doboz egyikében macska található. Ha felemeli az egyik doboz fedelét, és üresnek találja, akkor a macskának a másik dobozban kell lennie, így a macskát közvetett módon észlelik. Ha viszont a macskát véletlenül közvetlenül találják meg, akkor a mérést el kell vetni, mert a macskát zavarták.

A makrorealista világban ez a folyamat teljesen problémamentesen működik. A kvantum világban azonban még a közvetett észlelés semmisíti meg a szuperpozíció állapotát, ezáltal megváltoztatva a kísérlet eredményét. A macska már zavartnak érzi magát, amikor felemeli a másik doboz fedelét.

Hátránya a makro-realisztikus elméletnek?

Ugyanezre az esetre a fizikusok is megfigyelték Alberti környékén az elfogott cézium atommal. Megfigyeléseik nagyon jól egyetértenek a szuperpozíciós állapotok létezésével, amelyeket a mérés megsemmisített. A kutatók el tudták zárni, hogy a cézium-atomok a makrorealisztikus elméletet követik: Ehelyett látszólag valójában különböző helyeken vannak egyidejűleg.

"Természetesen ez nem bizonyítja, hogy ez vonatkozik a nagyobb tárgyakra is" - hangsúlyozza Alberti. "Ugyanakkor most megpróbáljuk a cézium-atomot több milliméterrel elválasztani." A jövőben még nagyobb és nehezebb, több atom tömegű tárgyakon is lehet méréseket végezni. "Ha ezekben a körülmények között továbbra is fennállnak az átfedések, ez jelentős hátrányt jelent a makro-realisztikus elmélet számára." (Physical Review X, 2015; (doi: 10.1103 / PhysRevX.5.011003)

(Rheinische Friedrich-Wilhelms Egyetemi Bonn, 2015.01.21. - AKR)