Boli ste už niekedy súčasne na dvoch miestach? Ak ste väčší ako atóm, pravdepodobne nie. Atómy a častice sa totiž riadia pravidlami kvantovej mechaniky, ktorá sa zásadne líši od nášho fungovania. V nej je možné súčasne existovať na rôznych miestach v rôznych situáciách. 

Matematický objekt nazývaný vlnová funkcia popisuje pravdepodobnosť týchto rôznych možných funkcií v kvantovom systéme, uvádza portál The Conversation. Tieto rôzne možnosti môžu existovať vo vlnovej funkcii ako tzv. superpozícia rôznych stavov. Ide napríklad o časticu existujúcu na niekoľkých rôznych miestach naraz, čo nazývame „priestorová superpozícia“.

Iba v prípade, že sa vykoná meranie sa vlnová funkcia „zrúti“ a systém skončí v jednom definitívnom stave. Kvantová mechanika sa všeobecne vzťahuje na malý svet atómov a častíc. Čo to ale znamená pre veľké objekty?

Výskum zverejnený v časopise Optica navrhuje experiment, ktorá môže vyriešiť túto otázku raz a navždy.

Mačka Erwina Schrödingera

V 30. rokoch prišiel rakúsky fyzik Erwin Schrödinger so svojím slávnym myšlienkovým experimentom o mačke v škatuli, v ktorej by podľa kvantovej fyziky mohlo by zviera živé aj mŕtve súčasne.

Kým sa škatuľa neotvorí a mačka nebude pozorovaná, je súčasne živá a mŕtva. Inými slovami, mačka existuje ako vlnová funkcia (s viacerými možnosťami) skôr, ako je pozorovaná. Až keď sa pozoruje, stáva sa definitívnym objektom.

Vedecká komunita dosiahla konsenzus, že kvantová mechanika sa môže vzťahovať iba na atómy a molekuly, ale nedokáže opísať oveľa väčšie objekty. Ukazuje sa, že sa mýlili.

Fyzici za posledné dve desaťročia vytvorili kvantové stavy v objektoch vyrobených z biliónov atómov dostatočne veľkých, aby mohli byť pozorované voľným okom. To však (ešte) nezahŕňa superpozíciu.

Skutočná vlnová funkcia

Ako sa vlnová funkcia stane skutočným objektom? To je to, čo fyzici nazývajú problém kvantového merania. Ak existuje mechanizmus, ktorý odstraňuje potenciál kvantovej superpozície z objektov veľkého rozsahu, vyžadovalo by to nejako „narušiť“ vlnovú funkciu, čo by spôsobilo teplo.

Ak by sa také teplo našlo, znamená to, že kvantová superpozícia veľkého rozsahu je nemožná. Ak však nie a takéto teplo by bolo vylúčené, je pravdepodobné, že prírode neprekáža kvantový stav v hocijakej veľkosti.

S pokročilou technológiou je možné dať veľké objekty, ak by to tak bolo, do kvantových stavov. Fyzici nevedia, ako by vyzeral mechanizmus brániaci rozsiahlym kvantovým superpozíciám. Podľa niektorých to môže byť neznáme kozmologické pole. Iní majú podozrenie, že v tom môže mať prsty gravitácia. A tohtoročný nositeľ Nobelovej ceny za fyziku Roger Penrose si zase myslí, že by to mohol byť dôsledok vedomia živých bytostí.

Počas posledného desaťročia fyzici neúnavne hľadali stopové množstvo tepla, ktoré by naznačovalo narušenie vlnovej funkcie. Aby to zistili, potrebovali metódu, ktorá dokáže čo najdokonalejšie potlačiť všetky ostatné zdroje „prebytočného“ tepla, ktoré by prekážalo presnému meraniu.

Potrebovali tiež udržať na uzde efekt nazývaný kvantová spätná väzba, pri ktorom samotný akt pozorovania vytvára teplo.

Fyzici vo výskume formulovali taký experiment, ktorý by mohol odhaliť, či je možná priestorová superpozícia pre objekty veľkého rozsahu.

Malé vibrujúce lúče

Ich experiment by mal používať rezonátory na oveľa vyšších frekvenciách, ako boli používané doteraz. Tým by sa odstránil problém s akýmkoľvek teplom.

Ako to bolo v predchádzajúcich experimentoch, museli by sa používať miesta vychladené na teplotu 0,01 Kelvina. To je tesne nad absolútnou nulou, čo je teoretická najnižšia dosiahnuteľná teplota.

Pri kombinácii veľmi nízkych teplôt a veľmi vysokej frekvencie prechádzajú vibrácie v rezonátoroch procesom nazývaným „Boseova kondenzácia“.

Môžete si to predstaviť tak, že rezonátor je tak pevne zamrznutý, že teplo z vychladeného miesta ho nedokáže ani trochu krútiť. Fyzici by tiež chceli použiť inú stratégiu merania, ktorá vôbec nehľadí na pohyb rezonátora, ale skôr na množstvo energie, ktorú má. Táto metóda tiež potláča spätné teplo.

Náročný experiment

Jednotlivé častice svetla by potom prenikli do rezonátora a odrážali by sa tam a späť niekoľko miliónovkrát a absorbovali by prebytočnú energiu. Meraním energie vychádzajúcich svetelných častíc by sa mohlo zistiť, či je v rezonátore teplo. Ak by prítomné bolo, znamenalo by to, že neznámy zdroj narušil vlnovú funkciu, čo by znamenalo, že je nemožné, aby sa superpozícia udiala vo veľkom meradle.

Tento pokus, ktorý sa navrhuje, je extrémne náročný. Môže trvať roky vývoja, pričom si vyžiada milióny dolárov a prácu mnohých experimentálnych fyzikov. Môže však odpovedať na jednu z najfantastickejších otázok o našej realite: Je všetko kvantové?

Pozri aj:

Kvantová teleportácia sa stala skutočnosťou. Vedcom sa ju prvýkrát podarilo odmerať v reálnom čase