Czy cząstka może znajdować się w dwóch różnych miejscach w tym samym czasie? W fizyce kwantowej może: Teoria kwantowa pozwala obiektom znajdować się w różnych stanach w tym samym czasie — lub dokładniej: w stanie superpozycji, łączącym różne obserwowalne stany. Ale czy tak jest naprawdę? Być może cząstka znajduje się w bardzo konkretnym stanie, w bardzo konkretnym miejscu, ale po prostu o tym nie wiemy?
Pytanie, czy zachowanie obiektów kwantowych można opisać za pomocą prostej, bardziej klasycznej teorii, jest dyskutowane od dziesięcioleci. W 1985 roku zaproponowano sposób pomiaru tego: tak zwaną „nierówność Leggetta-Garga”. Każda teoria, która opisuje nasz świat bez dziwnych stanów superpozycji teorii kwantowej, musi przestrzegać tej nierówności. Teoria kwantowa z kolei ją łamie. Pomiary z neutronami sprawdzającymi tę „nierówność Leggetta-Garga” zostały przeprowadzone po raz pierwszy na TU Wien — z jasnym wynikiem: nierówność Leggetta-Garga jest naruszona, klasyczne wyjaśnienia nie są możliwe, wygrywa teoria kwantowa. Wyniki zostały teraz opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.
Realizm fizyczny
Zwykle zakładamy, że każdy obiekt ma pewne właściwości: piłka znajduje się w określonym miejscu, ma określoną prędkość, być może również pewien obrót. Nie ma znaczenia, czy obserwujemy piłkę, czy nie. Ma ona te właściwości zupełnie obiektywnie i niezależnie od nas. „Ten pogląd jest znany jako 'realizm'” — mówi Stephan Sponar z Instytutu Atomowego TU Wien.
Z naszego codziennego doświadczenia wiemy, że szczególnie duże, makroskopowe obiekty muszą przestrzegać tej zasady. Wiemy również, że obiekty makroskopowe można obserwować bez znaczącego wpływu. Pomiar nie zmienia zasadniczo stanu. Te założenia są zbiorczo określane jako „makroskopowy realizm”.
Jednakże teoria kwantowa, jaką znamy dzisiaj, jest teorią, która narusza ten makroskopowy realizm. Jeśli dla cząstki kwantowej możliwe są różne stany, na przykład różne położenia, prędkości lub wartości energii, to dowolna kombinacja tych stanów jest również możliwa. Przynajmniej tak długo, jak ten stan nie jest mierzony. Podczas pomiaru stan superpozycji zostaje zniszczony: pomiar zmusza cząstkę do podjęcia decyzji na korzyść jednej z możliwych wartości.
Nierówność Leggetta-Garga
Niemniej jednak świat kwantowy musi być logicznie powiązany ze światem makroskopowym – w końcu duże rzeczy składają się z małych cząstek kwantowych. W zasadzie zasady teorii kwantowej powinny mieć zastosowanie do wszystkiego.
Pytanie zatem brzmi: Czy możliwe jest zaobserwowanie zachowania „dużych” obiektów, którego nie da się pogodzić z naszym intuicyjnym obrazem makroskopowego realizmu? Czy makroskopowe rzeczy mogą również wykazywać wyraźne oznaki własności kwantowych?
W 1985 roku fizycy Anthony James Leggett i Anupam Garg opublikowali wzór, za pomocą którego można testować realizm makroskopowy: nierówność Leggetta-Garga. „Idea, która za nią stoi, jest podobna do bardziej znanej nierówności Bella, za którą w 2022 roku przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki” — mówi Elisabeth Kreuzgruber, pierwsza autorka artykułu. „Jednak nierówność Bella dotyczy pytania, jak silnie zachowanie cząstki jest powiązane z inną kwantowo splątaną cząstką. Nierówność Leggetta-Garga dotyczy tylko jednego obiektu i zadaje pytanie: jak jego stan w określonych punktach w czasie jest powiązany ze stanem tego samego obiektu w innych określonych punktach w czasie?”
Silniejsze korelacje niż pozwala na to fizyka klasyczna
Leggett i Garg założyli, że obiekt można zmierzyć w trzech różnych momentach, każdy pomiar może mieć dwa różne wyniki. Nawet jeśli nie wiemy nic o tym, czy i jak stan tego obiektu zmienia się w czasie, możemy nadal statystycznie analizować, jak silnie wyniki w różnych punktach czasowych korelują ze sobą.
Można wykazać matematycznie, że siła tych korelacji nigdy nie może przekroczyć pewnego poziomu – zakładając, że makroskopowy realizm jest poprawny. Leggett i Garg byli w stanie ustalić nierówność, która musi być zawsze spełniona przez każdą makroskopową realistyczną teorię, niezależnie od szczegółów teorii.
Jednakże, jeśli obiekt przestrzega zasad teorii kwantowej, to muszą istnieć znacznie silniejsze korelacje statystyczne między wynikami pomiaru w trzech różnych punktach w czasie. Jeśli obiekt jest faktycznie w różnych stanach w tym samym czasie między momentami pomiaru, to musi to – według Leggetta i Garga – prowadzić do silniejszych korelacji między trzema pomiarami.
Wiązki neutronów: Centymetrowe obiekty kwantowe
„Jednakże nie jest tak łatwo zbadać tę kwestię eksperymentalnie” — mówi Richard Wagner. „Jeśli chcemy przetestować makroskopowy realizm, potrzebujemy obiektu, który jest makroskopowy w pewnym sensie, tj. który ma rozmiar porównywalny z rozmiarem naszych zwykłych, codziennych przedmiotów”. Jednocześnie jednak musi to być obiekt, który ma szansę nadal wykazywać właściwości kwantowe.
„Wiązki neutronów, takie jak wykorzystujemy je w interferometrze neutronowym, są do tego idealne” — mówi Hartmut Lemmel, odpowiedzialny za instrument w instrumencie S18 w Institut Laue-Langevin (ILL) w Grenoble, gdzie przeprowadzono eksperyment. W interferometrze neutronowym, krzemowym interferometrze z idealnym kryształem, który został po raz pierwszy pomyślnie użyty w Instytucie Atomowym TU Wien na początku lat 70., padająca wiązka neutronów jest dzielona na dwie częściowe wiązki przy pierwszej płytce kryształu, a następnie rekombinowana przez inny kawałek krzemu. Istnieją zatem dwa różne sposoby, w jakie neutrony mogą przemieszczać się ze źródła do detektora.
„Teoria kwantowa mówi, że każdy pojedynczy neutron porusza się po obu ścieżkach w tym samym czasie” — mówi Niels Geerits. „Jednakże te dwie częściowe wiązki są oddalone od siebie o kilka centymetrów. W pewnym sensie mamy do czynienia z obiektem kwantowym, który jest ogromny według standardów kwantowych”.
Wykorzystując wyrafinowaną kombinację kilku pomiarów neutronów, zespół z TU Wien był w stanie przetestować nierówność Leggetta-Garga — a wynik był jasny: nierówność jest naruszona. Neutrony zachowują się w sposób, którego nie da się wyjaśnić żadną możliwą makroskopowo realistyczną teorią. W rzeczywistości poruszają się po dwóch ścieżkach w tym samym czasie, są jednocześnie zlokalizowane w różnych miejscach, w odległości centymetrów od siebie. Pomysł, że „może neutron porusza się tylko po jednej z dwóch ścieżek, po prostu nie wiemy, którą” został w ten sposób obalony.
„Nasz eksperyment pokazuje: Natura jest naprawdę tak dziwna, jak twierdzi teoria kwantowa” — mówi Stephan Sponar. „Bez względu na to, jaką klasyczną, makroskopowo realistyczną teorię wymyślisz: Nigdy nie będzie w stanie wyjaśnić rzeczywistości. Nie działa bez fizyki kwantowej”.