V doposiaľ najrozsiahlejšom teste výskumníci zo Švajčiarska skúmali jeden z najznámejších paradoxov kvantovej mechaniky. Autori novej štúdie publikovanej v žurnále Physical Review X tvrdia, že hoci ich výskum EPR paradox nedokázal vyriešiť, dosiahnuté výsledky sú kriticky dôležité pre oblasť kvantovej metrológie – odbor zaoberajúci sa meraním javov v rámci kvantovej teórie.

Na tému upozornil exkluzívne portál ScienceAlert.

Jeden z najznámejších paradoxov

Aj napriek tomu, že vedci sú si pomerne istí tým, ako veci vo vesmíre fungujú, aspoň teda v našom matematickom rámci, chápanie všetkých podrobných detailov je pomerne nejednotné. Jedným z nástrojov používaných na vyplnenie týchto medzier je kvantová mechanika, ktorá popisuje, ako sa svet okolo nás správa na atomárnej a subatomárnej úrovni.

Ani kvantová mechanika však nie je bez chýb. Ako sme ťa informovali aj v samostatnom článku, v roku 1935 vyrukovali Albert Einstein spolu s Borisom Podolským a Nathanom Rosenom s myšlienkovým experimentom, ktorý je do dnešných dní prakticky neustále testovaný. Reč je v tomto prípade o tzv. EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) paradoxe, ktorý naznačuje, že opis fyzikálnej reality poskytovaný kvantovou mechanikou nie je úplný.

Einstein, Podolsky a Rosen poukázali na to, že kvantové previazanie častíc je v rozpore so základnými princípmi lokality a kauzality. Tiež tvrdili, že musia existovať akési skryté premenné, ktoré nie sú zahrnuté v kvantovej mechanike a môžu vysvetliť pozorované správanie častíc.

Kvantové previazanie je proces, pri ktorom zmena stavu jednej elementárnej častice má okamžitý vplyv na druhú a to nezávisle na tom, ako veľmi sú od seba vzdialené.

Rýchlejšie ako svetlo?

Pre lepšie pochopenie si môžeš predstaviť dve meracie stanice, ktoré označíme písmenami A a B. Taktiež si predstav zdroj, ktorý produkuje dva kvantovo previazané fotóny. Jeden fotón je potom vyslaný k milióny kilometrov vzdialenej stanici A a druhý letí opačným smerom k milióny kilometrov vzdialenej stanici B.

Pre kvantovo previazané častice platí, že keď zmeriame stav na častici, ktorá doletela k stanici A, vieme okamžite výsledok merania prevedeného na častici, ktorá letela do stanice B. V takomto prípade potom môžeme rovnako ako Albert Einstein spolu s Borisom Podolským a Nathanom Rosenom v roku 1935 protestovať, že toto tvrdenie popiera jeden zo základných princípov teórie relativity – informácie sa nemôžu šíriť rýchlejšie ako je rýchlosť svetla. Svetlu totiž môže trvať množstvo rokov kým dorazí zo stanice A do stanice B.

Paradox EPR preto naznačuje, že kvantová teória je neúplná, pretože neopisuje, respektíve nevystihuje realitu vesmíru, v ktorom žijeme. Fyzici zväčša tento paradox testovali na veľmi malých systémoch pozostávajúcich len z páru atómov, prípadne fotónov v tzv. Bellových testoch.

Meranie BEC systému

V novej štúdii však vedci celý EPR paradox, respektíve meranie poriadne „zväčšili“. Namiesto páru zapletených častíc totiž využili dva Bose-Einsteinove kondenzáty (BEC), zložené zo 700 atómov rubídia-87. Kondenzáty, v ktorých merali vlastnosti boli tiež priestorov oddelené a to na vzdialenosť až 100 mikrometrov.

Presnejšie odborníci merali vlastnosti známe ako pseudospiny – nejde o skutočný spin, ale matematický rámec používaný na opis určitých vlastností – pričom nezávisle vyberali, ktorú hodnotu zmerajú pre daný oblak.

Vo výsledku sa potom ukázalo, že pozorované kondenzáty sú spolu previazané, respektíve spolu korelujú spôsobom, ktorý nemožno v žiadnom prípade pripísať náhode.

„Previazanie medzi kondenzátmi má za následok silné korelácie ich kolektívnych spinov, čo nám medzi nimi umožňuje demonštrovať EPR paradox. Naše výsledky predstavujú vôbec prvé pozorovanie EPR paradoxu s priestorovo oddelenými, masívnymi mnohočasticovými systémami,“ uvádzajú vedci vo svojej štúdii.

Ukázalo sa teda, že konflikt medzi kvantovou mechanikou a lokálnym realizmom nezmizne, ani keď sa systém zväčši na viac ako 1000 relatívne veľkých častíc.

Exotický stav hmoty

Čo sa týka samotných Bose-Einsteinových kondenzátov, tie sa považujú za piate skupenstvo hmoty a predstavuje kvantovo mechanické skupenstvo bozónov vyskytujúce sa pri teplotách blízkych absolútnej nule.

Samotné BEC sú relatívne zvláštne. Tvoria ich bozóny ochladené iba na zlomok teploty nad absolútnou nulou, no v skutočnosti sme v ich prípade ešte nikdy nedosiahli stav absolútnej nuly. V tomto stave sa pohyb atómov úplne zastaví.

V prípade aktuálne dosiahnutého stavu sa ale ešte stále pohybujú, no tento pohyb je minimálny a ich energetický stav je veľmi nízky. Spomalený pohyb zapríčiní, že sa jednotlivé atómy prekrývajú, čím vytvoria hustý oblak atómov, ktorý pôsobí ako jeden „super atóm“ alebo vlnová hmota.