Martwa cisza - i zaraz potem wielki aplauz. Wciąż pamiętam ten moment wielkiego zdumienia, który na krótko zmroził wszystkich na sali" - tak austriacki fizyk Markus Aspelmeyer opisuje reakcję na wystąpienie jego amerykańskiego kolegi Andrew Clelanda z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara na konferencji w Bad Honnef w Niemczech. Cleland mówił o eksperymencie, który zamierzał przeprowadzić.
To było rok temu. Dziś wyniki owego eksperymentu publikuje "Nature".
- To wielki przełom - komentuje prof. Marek Żukowski, fizyk z Uniwersytetu Gdańskiego. - Zespół Clelanda po raz pierwszy wprowadził "makroskopowy" obiekt złożony z olbrzymiej ilości atomów w precyzyjnie określony stan kwantowy.
Dziwny jest ten świat Opisał go kiedyś George Gamow w opowieściach o panu Tompkinsie, który trafia do zwariowanej kwantowej krainy. Nic nie jest tam wyraźne, wszystkie kontury są rozmyte, rzeczy ulegają zwielokrotnieniu jak w gabinecie krzywych luster. Pewnego razu pan Tompkins (dodajmy od razu, że nie wypił wcześniej ani kropli whisky) obserwuje w pubie kulę bilardową, która poruszając się po zielonym suknie stołu, staje się coraz bardziej rozmyta, jak gdyby toczyła się nie jedna bila, lecz duża ich liczba, przy czym wszystkie częściowo się przenikały. Kula potrafiła też pokonać drewnianą barierę - dziwnie to wyglądało, bo nie przeskoczyła przez nią, lecz po prostu "przeciekła" i po chwili była po drugiej stronie. Kiedy pan Tompkins wyobraził sobie lwy i tygrysy "przeciekające" przez pręty klatek, przyrzekł sobie, że nigdy nie odwiedzi kwantowego zoo.
Kwantowy świat to ocean niepewności. Nigdy nie jesteśmy pewni, gdzie aktualnie znajdują się rzeczy, ani w którą stronę i z jaką prędkością podążają. Gamow, znakomity fizyk jądrowy, pisał, że w tej krainie trzeba przyzwyczaić się do takich sformułowań, jak: "Ten przedmiot znajduje się głównie tu, ale częściowo tam, a nawet gdzie indziej" albo "Ta moneta jest w 75 proc. w mojej kieszeni, a w 25 proc. w pańskiej".
Gdzie jest taki świat? Wszędzie. Tak samo jak kula bilardowa obserwowana przez pana Tompkinsa zachowują się najdrobniejsze cegiełki materii - elektron, atom, foton (kwant światła). Tak wygląda życie w skali atomowej opisywane przez zasady mechaniki kwantowej. Ale jak przecież wiemy - nie nasze życie.
Tego, co się dzieje w mikroskali, nie obserwujemy na własne oczy w skali większej. Kluczyki od auta leżą tylko w jednym miejscu, choć czasem trudno odkryć w którym. Jeśli trzymam monetę w kieszeni, to jest tylko tam, a nie częściowo gdzie indziej. Jak coś mi się rozmywa przed oczami, to przyczyny szukam raczej w nadmiarze alkoholu niż mechanice kwantowej.
Ta dychotomia mikro- i makroświata od lat niepokoi fizyków. Alberta Einsteina wręcz odstręczała od mechaniki kwantowej. Wraz ze współpracownikami w latach 30. zawzięcie dyskutował z pionierami kwantów, m.in. Nielsem Bohrem i Erwinem Schrödingerem, a także konstruował myślowe eksperymenty mające wykazać absurd tej teorii. W jednym z nich narodził się słynny "kot Schrödingera", który - jeśli prawa kwantowe są prawdziwe - byłby jednocześnie i martwy, i żywy. Jak mówią fizycy - znajdowałby się w superpozycji dwóch wykluczających się stanów kwantowych.
Superpozycje stanów Są one niezbywalną cechą pojedynczych atomów i mikroświata. Dlaczego jednak znikają, kiedy mamy do czynienia z obiektami, które widać już gołym okiem, złożonymi z trylionów atomów? Różnie to próbowano tłumaczyć.
Amerykański fizyk Hugh Everett sugerował, że za każdym razem, kiedy następuje superpozycja dwóch stanów, świat dzieli się na dwa równoległe światy, których historie od tej chwili biegną już oddzielnie. W jednym z tych światów kot Schrödingera żyje, w drugim jest martwy. Ale przyjęcie tego wyjaśnienia wydaje się podobne do gaszenia ognia benzyną - jest jeszcze bardziej zwariowane.
Nic dziwnego, że szerszą akceptację zyskały pomysły prof. Wojciecha Żurka, fizyka z Narodowego Laboratorium Los Alamos w
USA, ubiegłorocznego laureata Medalu Mariana Smoluchowskiego (najwyższej nagrody Polskiego Towarzystwa Fizycznego). Prof. Żurek sformułował koncepcję tzw. kwantowego darwinizmu mówiącą, że wśród kwantowych stanów panuje walka o przeżycie, z której tylko nieliczne wychodzą zwycięsko. Dziwaczne superpozycje wymierają niczym kwantowe dinozaury, choć w ich wypadku dzieje się to w ułamku sekundy (fizycy nazywają to wymieranie dekoherencją).
Skąd ta walka stanów? W makroświecie mamy do czynienia z obiektami, które nieustannie kontaktują się z otoczeniem - wymieniają ciepło, są bombardowane przez fotony. Jak udowodnił prof. Żurek, to oddziaływanie wymusza naturalną selekcję w krainie kwantów. Dlatego nasza codzienność jest pozbawiona kwantowych wariactw i przynajmniej pod tym względem normalna.
W świetle jego teorii żywo-martwy kot Schrödingera byłby możliwy, gdyby odseparować go od otoczenia. Na wzór odosobnionego płaskowyżu z powieści Arthura Conan Doyle'a "Zaginiony świat", gdzie niepoddane presji doboru naturalnego mogły do dziś przeżyć pradawne jaszczury, trzeba by stworzyć laboratoryjny azyl dla owego kota i podobnych mu kwantowych dziwadeł.
Azyl Lab Próby jego stworzenia od kilku lat podejmuje się na całym świecie. W kwantowe stany udawało się wprowadzać coraz większe cząsteczki, zbudowane z kilkudziesięciu, nawet kilkuset atomów, a dziś w "Nature" zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego bije w tym wyścigu rekord. Po raz pierwszy ujarzmia kwantowo obiekt widoczny gołym okiem - mniej więcej grubości ludzkiego włosa. To zbudowany z azotku glinu rezonator, który można wprawić w drgania, przykładając doń napięcie elektryczne.
Drgający rezonator jest modelem najprostszego kwantowego układu. Teoria precyzyjnie podaje, jakie kwantowe stany są dla niego dostępne. Kalifornijscy fizycy nie tylko wprowadzili rezonator w podstawowy stan o najniższej energii (schładzając go do temperatury 0,1 stopnia powyżej zera bezwzględnego), ale także potrafią w kontrolowany sposób ten stan zmieniać.
Co teraz?
- Ten sukces otwiera drogę do dosłownych realizacji eksperymentów myślowych Einsteina-Bohra dotyczących podstawowych idei teorii kwantów, np. z kotem Schrödingera - mówi prof. Żukowski.
Byłby to humanitarny eksperyment - w rolę kota wcieliłby się właśnie mechaniczny rezonator.
Komentarz prof. Marka Żukowskiego, profesora fizyki na Uniwersytecie Gdańskim
Eksperyment grupy Clelanda to wielki przełom w inżynierii kwantowej. Po raz pierwszy wprowadzono "makroskopowy" obiekt (czyli duży, składający się z olbrzymiej ilości atomów - w zasadzie widzialny gołym okiem, a na pewno pod niezbyt wyszukanym mikroskopem) w precyzyjnie określony stan kwantowy. Dodatkowo jest to stan o najniższej możliwej energii - tzw. stan podstawowy - czyli układ był (z dokładnością do 7 proc.) w takim bezruchu, na jaki pozwalają prawa kwantów.
Osiągnięto to używając układu mechanicznego, dla którego różnica energii pomiędzy stanem podstawowym a najniższym stanem wzbudzonym była bardzo wysoka (to był podstawowy czynnik decydujący o sukcesie eksperymentu).
Sukces ten otwiera drogę do najbardziej subtelnych i dosłownych realizacji eksperymentów myślowych Einsteina-Bohra, dotyczących podstawowych idei teorii kwantów - np. eksperymentu typu kota Schrödingera, który w tym przypadku jest szczególnie pociągający, bo mamy do czynienia z układem niedużym, ale jednak makroskopowym. Mechaniczny rezonator pełniłby rolę kota. Z racji jego prawdziwej makroskopowości można byłoby przetestować pewne próby uzupełnienia mechaniki kwantowej, które sugerują, że większe ciała spontanicznie unikają superpozycji bycia tu i tam jednocześnie. Prawdopodobnie zakończyłoby się to klęską takich teorii, ale to eksperyment ma siłę rozstrzygania sporów naukowych w fizyce, a nie przekonania teoretyków.
Ponadto układy mechaniczne tego typu mogą być zastosowane do budowy urządzeń przetwarzających informację metodami kwantowymi.
