Fizycy demonstrują efekt "płaczącego anioła"

Fizycy z Cornell University wykazali eksperymentalnie, że materia może być “zablokowana kwantowo” lub zamrożona w miejscu, z powtarzalnymi, szybkimi pomiarami. W swoim artykule, opublikowanym niedawno w Physical Review Letters, zespół wyjaśnia, w jaki sposób kwantowy efekt Zeno może ograniczyć tunelowanie kwantowe ograniczonych cząstek.

Wiemy, że świat kwantowy jest dziwny, a koncepcja tunelowania kwantowego nie jest wyjątkiem. Zjawisko to, możliwe dzięki mechaniki kwantowej, pokazuje, w jaki sposób uwięzione cząsteczki mogą przechodzić przez barierę, której inaczej nie byłoby w stanie przekroczyć. Wyobraź sobie, że jesteś na jednym wzgórzu i chcesz rzucić piłkę na szczyt sąsiedniego wzgórza. Piłka musi mieć wystarczająco dużo energii, by pokonać wzgórze; jeśli nie, wycofa się i zostanie uwięziony w dolinie poniżej. W dziedzinie mechaniki kwantowej obiekty zachowują się inaczej, a piłka czasami pokonuje wzgórze, mimo że brakuje mu wymaganej energii. Jak to jest możliwe? Cząstki kwantowe mogą wykazywać fale podobne do zachowań i jako takie, funkcja falowa cząstek może przejść przez barierę, umożliwiając cząstkom “przejście przez tunel”.

W tym eksperymencie zespół uwięził atomy ultraczystego rubidu w sieci optycznej. Atomy rubidu naturalnie szukają najniższych możliwych stanów energetycznych i zostaną uwięzione w studniach energetycznych sieci – podobnie jak piłka między dwoma wzgórzami – ale wciąż mają potencjał do ucieczki dzięki mechaniki kwantowej. Naukowcy odkryli, że mogą zapobiec tunelowaniu i zasadniczo zamrozić atomy w miejscu, wielokrotnie przerywając atomy za pomocą laserów. Aby przeprowadzić eksperyment, zespół opracował nową technikę obrazowania, która pozwoliła im obserwować atomy rubidu, nie wpływając jednak na ich stan kwantowy. “Wymagało to poświęcenia od tych studentów i niesamowite było, że eksperymenty te odniosły taki sukces”, powiedział Mukund Vengalattore, profesor fizyki. “Mamy teraz wyjątkową zdolność kontrolowania dynamiki kwantowej wyłącznie poprzez obserwację.”

Ze słynnego eksperymentu myślowego Schrodingera dowiedzieliśmy się, że hipotetyczny kot mógł być jednocześnie żywy i martwy. Dopiero kiedy zajrzeliśmy do pudła i obserwowaliśmy system, który znaliśmy z wyniku. W tym nowym eksperymencie dowiadujemy się, co się stanie, jeśli nigdy nie przestaniemy obserwować. Badania zespołu pokazują, że jeśli atomy są wielokrotnie atakowane laserem w krótszych i krótszych odstępach czasu – jak gdyby podczas ciągłej obserwacji – atomy mogły zostać zamrożone na miejscu. Efekt ten, znany jako kwantowy efekt Zeno, w zasadzie mówi, że możemy “zamrozić” materię, jeśli nigdy nie przestaniemy jej obserwować. Jeśli jesteś Whovianinem, może to zabrzmieć trochę znajomo.

W serialu science fiction, “Doktor Who”, wyimaginowana rasa kosmitów – znana jako Płaczący Aniołowie – zabija ich ofiary “życzliwie”, przenosząc je w czasie, aby przeżyć swoje życie, podczas gdy anioły karmią się potencjalną energią. Są unikalne, ponieważ wykazują efekt kwantowej blokady: anioły nie mogą poruszać się tak długo, jak na nie patrzysz. Więc nie mrugaj.

Badania zespołu nie pokazują nam, że istnieją anioły płaczące (jaka to była przerażająca myśl), ale zasadę stojącą za ich ruchem można wykazać w laboratorium. Według Physics Central: “W programie telewizyjnym jest jednak coś związanego ze świadomą obserwacją, która sprawia, że to działa; fotony odbijające się od aniołów muszą lądować w czyimś oku, aby je zamrozić. W rzeczywistości jednak (ekstrapolując hojnie z tego eksperymentu), takie stworzenie mogło poruszać się tylko w całkowitej ciemności, lub być może tylko pod pewnymi długościami fal światła. Dla tych atomów to nie zdjęcie zamarza je w miejscu, jest to błysk kamery.”