W naszym codziennym, klasycznym świecie dostajesz to, co widzisz. Piłka to tylko piłka, a kiedy zostanie rzucona w powietrze, jej trajektoria jest prosta i jasna. Gdyby jednak tę kulę skurczyć do rozmiarów atomu lub mniejszych, jej zachowanie zmieniłoby się w kwantową, rozmytą rzeczywistość. Kula istniałaby nie tylko jako cząstka fizyczna, ale także jako fala możliwych stanów cząsteczkowych. I ten dualizm falowo-cząsteczkowy może dać początek dziwnym i podstępnym zjawiskom.
Jedna z dziwniejszych perspektyw pochodzi z eksperymentu myślowego znanego jako „tester bomby kwantowej”. Eksperyment sugeruje, że cząstka kwantowa, taka jak foton, mogłaby działać jako rodzaj detektora bomb telekinetycznych. Dzięki swoim właściwościom zarówno cząstki, jak i fali foton mógłby teoretycznie wyczuć obecność bomby bez fizycznej interakcji z nią.
Koncepcja sprawdza się matematycznie i jest zgodna z tym, na co pozwalają równania rządzące mechaniką kwantową. Kiedy jednak przychodzi do dokładnego określenia, w jaki sposób cząstka mogłaby dokonać takiego wyczynu polegającego na wąchaniu bomby, fizycy są zakłopotani. Zagadka leży w z natury zmiennym, pośrednim i nieokreślonym stanie cząstki kwantowej. Innymi słowy, naukowcy muszą po prostu zaufać, że to działa.
Jednak matematycy z MIT mają nadzieję rozwiać część tajemnicy i ostatecznie ustalić bardziej konkretny obraz mechaniki kwantowej. Teraz pokazali, że potrafią odtworzyć analogię testera bomby kwantowej i wygenerować zachowanie przewidywane w eksperymencie. Zrobili to nie w egzotycznym, mikroskopijnym, kwantowym otoczeniu, ale w pozornie przyziemnej, klasycznej konfiguracji stołowej.
W artykule opublikowanym dzisiaj w Physical Review A zespół donosi o odtworzeniu testera bomby kwantowej w eksperymencie polegającym na badaniu odbijających się kropelek. Zespół odkrył, że interakcja kropelki z jej własnymi falami jest podobna do zachowania fali kwantowej-cząstki fotonu: kropla wrzucona do konfiguracji podobnej do tej zaproponowanej w teście bomby kwantowej zachowuje się dokładnie w ten sam statystyczny sposób, co jest przewidywane dla fotonu. Jeżeli w 50% przypadków rzeczywiście w zestawie znajdowała się bomba, w 25% przypadków kropelka, podobnie jak foton, wykryłaby ją bez fizycznej interakcji z nią.
Fakt, że statystyki z obu eksperymentów są zgodne, sugeruje, że coś w klasycznej dynamice kropelki może leżeć w sercu tajemniczego zachowania kwantowego fotonu. Naukowcy postrzegają badanie jako kolejny pomost między dwiema rzeczywistościami: obserwowalnym, klasycznym światem i bardziej rozmytą sferą kwantową.
„Oto klasyczny system, który podaje te same statystyki, co w przypadku testu bomby kwantowej, który jest uważany za jeden z cudów świata kwantowego” – mówi autor badania John Bush, profesor matematyki stosowanej w MIT. „W rzeczywistości odkrywamy, że zjawisko to wcale nie jest takie cudowne. Jest to kolejny przykład zachowania kwantowego, które można zrozumieć z perspektywy lokalnego realisty”.
Współautorem Busha jest były doktor habilitowany MIT Valeri Frumkin.
Robienie fal
Dla niektórych fizyków mechanika kwantowa pozostawia zbyt wiele wyobraźni i nie mówi wystarczająco dużo o rzeczywistej dynamice, z której rzekomo powstają takie dziwne zjawiska. W 1927 roku, próbując skrystalizować mechanikę kwantową, fizyk Louis de Broglie przedstawił teorię fali pilotującej – wciąż kontrowersyjną koncepcję, która zakłada, że kwantowe zachowanie cząstki jest zdeterminowane nie przez nieuchwytną, statystyczną falę możliwych stanów, ale przez zjawisko fizyczne. pilotująca” fala, którą sama wytworzyła, która prowadzi cząstkę w przestrzeni.
Koncepcja ta była w większości odrzucana aż do 2005 roku, kiedy fizyk Yves Couder odkrył, że fale kwantowe de Broglie'a można odtworzyć i zbadać w klasycznym eksperymencie z użyciem płynów. Konfiguracja obejmuje kąpiel płynu, która delikatnie wibruje w górę i w dół, ale nie na tyle, aby samodzielnie wygenerować fale. Następnie na wannę dozowana jest kropelka tego samego płynu wielkości milimetra, która odbija się od powierzchni i rezonuje z wibracjami kąpieli, tworząc coś, co fizycy nazywają polem fali stojącej, które „pilotuje” lub popycha kroplę przed siebie. Efektem jest kropelka, która wydaje się chodzić po pomarszczonej powierzchni według wzorów, które okazują się zgodne z teorią fali pilotującej de Broglie'a.
Przez ostatnie 13 lat Bush pracował nad udoskonaleniem i rozszerzeniem eksperymentów Coudera z hydrodynamiczną falą pilotującą i z powodzeniem wykorzystał tę konfigurację do obserwacji kropelek wykazujących pojawiające się zachowanie przypominające kwant, w tym tunelowanie kwantowe, dyfrakcję pojedynczych cząstek i surrealistyczne trajektorie.
„Okazuje się, że ten hydrodynamiczny eksperyment z falą pilotującą wykazuje wiele cech układów kwantowych, które wcześniej uważano za niemożliwe do zrozumienia z klasycznej perspektywy” – mówi Bush.
Bomby daleko
W swoim nowym badaniu on i Frumkin zajęli się testerem bomby kwantowej. Eksperyment myślowy rozpoczyna się od koncepcyjnego interferometru – zasadniczo dwóch korytarzy o tej samej długości, które rozgałęziają się w tym samym punkcie początkowym, a następnie skręcają i zbiegają, tworząc konfigurację przypominającą romb w miarę kontynuowania korytarzy, każdy kończący się odpowiednim detektorem .
Według mechaniki kwantowej, jeśli foton zostanie wystrzelony z punktu początkowego interferometru, przez rozdzielacz wiązki, cząstka powinna podróżować jednym z dwóch korytarzy z równym prawdopodobieństwem. Tymczasem tajemnicza „funkcja falowa” fotonu, czyli suma wszystkich jego możliwych stanów, podróżuje obydwoma korytarzami jednocześnie. Funkcja falowa interferuje w taki sposób, że cząstka pojawia się tylko w jednym detektorze (nazwijmy to D1), a nigdy w drugim (D2). Dlatego foton powinien być wykrywany w D1 w 100% przypadków, niezależnie od tego, przez który korytarz przeszedł.
Jeśli w jednym z dwóch korytarzy znajduje się bomba, a foton kieruje się w dół tego korytarza, w sposób przewidywalny wyzwala bombę, a układ zostaje rozerwany na kawałki, a żaden foton nie zostaje wykryty w żadnym detektorze. Ale jeśli foton przemieszcza się korytarzem bez bomby, dzieje się coś dziwnego: jego funkcja falowa podczas podróży obydwoma korytarzami zostaje w jednym przypadku przerwana przez bombę. Ponieważ nie jest to całkiem cząstka, fala nie uruchamia bomby. Ale interferencja fali jest zmieniana w taki sposób, że cząstka zostanie wykryta z równym prawdopodobieństwem w D1 i D2. Zatem jakikolwiek sygnał w D2 oznaczałby, że foton wykrył obecność bomby, bez fizycznej interakcji z nią. Jeśli bomba jest obecna w 50 procentach przypadków, to dziwne wykrycie bomby kwantowej powinno nastąpić w 25 procentach przypadków.
W swoim nowym badaniu Bush i Frumkin przeprowadzili analogiczny eksperyment, aby sprawdzić, czy to zachowanie kwantowe może pojawić się w klasycznych kropelkach. W wannie z oleju silikonowego zanurzyli strukturę podobną do korytarzy przypominających romby w eksperymencie myślowym. Następnie ostrożnie dozowali do wanny maleńkie kropelki olejku i śledzili ich ścieżki. Dodali strukturę po jednej stronie rombu, aby naśladować obiekt przypominający bombę, i zaobserwowali, jak w odpowiedzi zmienia się kropla i wzory jej fal.
Ostatecznie odkryli, że w 25 procentach przypadków kropelka odbijała się przez korytarz bez „bomby”, podczas gdy jej fale pilotujące wchodziły w interakcję ze strukturą bomby w sposób, który odpychał kropelkę od bomby. Z tej perspektywy kropelka była w stanie „wyczuć” obiekt przypominający bombę bez fizycznego kontaktu z nim. Chociaż kropelka wykazywała zachowanie kwantowe, zespół wyraźnie zauważył, że to zachowanie wynikało z fal kropli, które fizycznie pomogły utrzymać kroplę z dala od bomby. Zespół twierdzi, że dynamika ta może również pomóc w wyjaśnieniu tajemniczego zachowania cząstek kwantowych.
„Nie tylko statystyki są takie same, ale znamy także dynamikę, co było tajemnicą” – mówi Frumkin. „A wniosek jest taki, że analogiczna dynamika może leżeć u podstaw zachowania kwantowego”.
„Ten system to jedyny znany nam przykład, który nie jest kwantowy, ale ma pewne silne właściwości falowo-cząsteczkowe” – mówi fizyk teoretyczny Matthieu Labousse z CNRS, ESPCI Paris PSL, który nie był zaangażowany w badania. „To bardzo zaskakujące, że w tak klasycznym układzie można odtworzyć wiele przykładów uznawanych za charakterystyczne dla świata kwantowego. Pozwala to zrozumieć barierę pomiędzy tym, co jest specyficzne dla układu kwantowego, a tym, co nim nie jest. Najnowsze wyniki badań grupa z MIT przesuwa tę barierę bardzo daleko.”
Badania te są częściowo wspierane przez National Science Foundation.