Pentru prima dată, fizicienii au „încurcat” doi atomi în mișcare, validând o teorie cuantică

Fizicienii au „încurcat” doi atomi în mișcare. Pentru prima dată, oamenii de știință au observat inseparabilitate („încurcare”) cuantică în modul în care atomii se mișcă fizic, demonstrând astfeș fenomenul pe care Albert Einstein îl descria drept „acțiune fantomatică la distanță”.

Fizicienii au „încurcat” doi atomi în mișcare. În noul studiu, cercetătorii au demonstrat că perechi de atomi de heliu ultrareci pot fi corelate cuantic prin impulsul lor, o mărime care descrie viteza și direcția de mișcare a unei particule, ținând cont și de masa ei.

• Un nou studiu arată în ce anotimp sunt bărbații cel mai fertili
• Test de cultură generală. Care parte a corpului uman nu are niciun scop biologic?

Inseparabilitatea cuantică este una dintre cele mai bizare trăsături ale mecanicii cuantice. Atunci când două particule sunt corelate, măsurarea uneia o influențează instantaneu pe cealaltă. Acest fenomen fusese demonstrat anterior pentru fotoni și pentru stările interne de spin ale atomilor, dar niciodată pentru mișcarea unor particule cu masă. Diferența este esențială: atomii au masă și sunt influențați de gravitație, în timp ce fotonii nu au asemenea caracteristici. În viitor, astfel de atomi ar putea sta la baza unor senzori cuantici extrem de preciși, capabili să detecteze unde gravitaționale sau să cartografieze interiorul Pământului.

Experimentul prin care fizicienii au „încurcat” doi atomi în mișcare

Pentru experiment, echipa a ales heliul, deoarece poate fi menținut într-o stare excitată stabilă pentru aproximativ două ore, practic „o eternitate” în experimente care durează doar 20-30 de secunde, după cum a explicat Sean Hodgman, de la Australian National University. Această energie internă permite detectarea individuală a atomilor și reconstruirea impulsului tridimensional al întregului sistem cu o precizie foarte mare.

Pentru a crea perechi de atomi corelate prin impuls, cercetătorii au pornit de la un nor de heliu răcit aproape de zero absolut. În mod normal, atomii se mișcă independent, dar la temperaturi extrem de scăzute încetinesc până aproape de imobilitate, iar identitatea lor cuantică se „topește” într-un obiect colectiv numit condensat Bose-Einstein.

Apoi, folosind impulsuri laser calibrate, au împărțit condensatul în trei grupuri: unul propulsat în sus, unul în jos și unul rămas pe loc. Când norii în mișcare au traversat zona statică, atomii s-au ciocnit și s-au dispersat în direcții opuse, formând perechi corelate dispuse pe suprafețe sferice, așa-numitele „halouri de împrăștiere”. La densități foarte mici, în fiecare experiment apare o singură pereche: „Ori ai o pereche într-un loc, ori într-altul. Starea cuantică este o suprapunere a ambelor”, a explicat Hodgman.

Pentru a demonstra că această corelare este reală, echipa a folosit un interferometru Rarity-Tapster, o metodă aplicată anterior doar fotonilor, în 1990. „Atomii se îndepărtează, apoi îi reflectăm și îi facem să interfereze între ei. Interferența apare doar dacă atomul se află într-o suprapunere reală de stări”, a spus Hodgman. Corelațiile observate nu pot fi explicate prin nicio teorie clasică, scrie Live Science.

Cercetătorii se gândesc deja la studiile viitoare

Rezultatele finale au fost obținute după aproape o lună de colectare continuă de date și după luni sau chiar un an de pregătire experimentală.

„A fost un obiectiv al laboratorului nostru de aproape 20 de ani. Faptul că am reușit în sfârșit să demonstrăm acest lucru este extrem de entuziasmant”, a spus Hodgman. Totuși, el subliniază că descoperirea confirmă în mare parte predicții deja existente ale fizicii cuantice, chiar dacă acestea rămân greu de înțeles intuitiv.

„Creierul nostru nu este pregătit să proceseze astfel de fenomene. La scară mică, atomii nu sunt bile solide, ci apar ca niște entități difuze. Și asta este extrem de ciudat”, a adăugat el.

Echipa lucrează deja la o versiune mai avansată a experimentului, care ar presupune ciocnirea a doi izotopi de heliu, heliu-3 și heliu-4, pentru a obține perechi corelate simultan prin impuls și masă. Un astfel de sistem le-ar pune probleme serioase teoriilor actuale.

„Din perspectiva gravitației cuantice, nici nu e clar cum ai descrie matematic un asemenea sistem. Nu poate fi explicat în cadrul relativității generale. Astfel de stări reprezintă o provocare reală pentru viitoarele teorii ale gravitației cuantice”, a spus Hodgman.

Studiul a fost publicat în revista Nature Communications.

Vă recomandăm să citiți și:

Astronomii au făcut o descoperire surprinzătoare despre radiația întunecată

Astronomii ar fi înțeles de ce câmpul magnetic al planetei Saturn este deformat

O galaxie în care se formează stele emite vânturi cu viteze de peste 3 milioane de kilometri pe oră

Un „laser spațial” record a erupt din galaxii care fuzionează la 8 miliarde de ani-lumină distanță