Οι γάτες του Schrödinger's Real-Life ερευνούν τα όρια του κβαντικού κόσμου
Τα γατάκια του Schrödinger δεν ήταν ποτέ πολύ χαριτωμένα και η τελευταία γέννα δεν αποτελεί εξαίρεση. Οι εικόνες από νεφελώδη σύννεφα υπερψυχρά ατόμων ή μικροσκοπικές λωρίδες πυριτίου είναι απίθανο να γίνουν viral στο διαδίκτυο. Παρόλα αυτά, αυτά τα εξωτικά αντικείμενα αξίζουν προσοχής, γιατί δείχνουν με πρωτοφανή σαφήνεια ότι η κβαντική μηχανική δεν είναι μόνο η φυσική των εξαιρετικά μικρού μεγέθους.
«Τα γατάκια του Σρέντινγκερ», χαλαρά μιλώντας, είναι αντικείμενα που βρίσκονται στο μέσο του μεγέθους μεταξύ της ατομικής κλίμακας, την οποία η κβαντική μηχανική αναπτύχθηκε αρχικά για να περιγράψει, και της γάτας που επικαλέστηκε περίφημα ο Έρβιν Σρέντινγκερ για να τονίσει τον προφανή παραλογισμό αυτού που φαινόταν να υπονοεί αυτή η θεωρία. Αυτά τα συστήματα είναι «μεσοσκοπικά» — ίσως περίπου στο μέγεθος ιών ή βακτηρίων, που αποτελούνται από πολλές χιλιάδες ή ακόμη και δισεκατομμύρια άτομα, και επομένως πολύ μεγαλύτερα από τις τυπικές κλίμακες στις οποίες συνήθως εμφανίζονται αντιδιαισθητικές κβαντομηχανικές ιδιότητες. Έχουν σχεδιαστεί για να διερευνούν το ερώτημα:Πόσο μεγάλο μπορείτε να αποκτήσετε ενώ διατηρείτε αυτές τις κβαντικές ιδιότητες;
Για να κρίνουμε από τα τελευταία αποτελέσματα, η απάντηση είναι:αρκετά μεγάλη. Δύο διαφορετικοί τύποι πειραμάτων - και τα δύο που πραγματοποιήθηκαν από πολλές ομάδες ανεξάρτητα - έχουν δείξει ότι τεράστιοι αριθμοί ατόμων μπορούν να τοποθετηθούν σε συλλογικές κβαντικές καταστάσεις, όπου δεν μπορούμε να πούμε σίγουρα ότι το σύστημα έχει το ένα ή το άλλο σύνολο ιδιοτήτων. Σε ένα σύνολο πειραμάτων, αυτό σήμαινε ότι «μπλέξαμε» δύο περιοχές ενός νέφους ψυχρών ατόμων για να γίνουν οι ιδιότητές τους αλληλοεξαρτώμενες και συσχετισμένες με τρόπο που φαίνεται αδιάφορο για τον χωρικό τους διαχωρισμό. Στην άλλη, μικροσκοπικά δονούμενα αντικείμενα ελιγμούς στις λεγόμενες υπερθέσεις δονητικών καταστάσεων. Και τα δύο αποτελέσματα είναι σχεδόν ανάλογα με τον τρόπο που η διαβόητη γάτα του Σρέντινγκερ, ενώ ήταν κρυμμένη στο κουτί της, λέγεται ότι βρισκόταν σε μια υπέρθεση ζωντανών και νεκρών καταστάσεων.
Το ερώτημα πώς οι κανόνες της κβαντικής μηχανικής μετατρέπονται στους φαινομενικά πολύ διαφορετικούς κανόνες της κλασικής μηχανικής - όπου τα αντικείμενα έχουν σαφώς καθορισμένες ιδιότητες, θέσεις και μονοπάτια - προβληματίζει τους επιστήμονες από τότε που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά η κβαντική θεωρία στις αρχές του 20ου αιώνα. Υπάρχει κάποια θεμελιώδης διαφορά μεταξύ μεγάλων κλασικών αντικειμένων και μικρών κβαντικών αντικειμένων; Αυτό το αίνιγμα της λεγόμενης κβαντικής-κλασικής μετάβασης επισημάνθηκε με εμβληματικό τρόπο από το πείραμα σκέψης του Schrödinger.
Η καημένη γάτα είναι ένα πολύ παρεξηγημένο θηρίο. Η άποψη του Schrödinger δεν ήταν, όπως συχνά υπονοείται, ο φαινομενικός παραλογισμός της κβαντικής μηχανικής, εάν παρεκταθεί μέχρι την καθημερινή κλίμακα. Η γάτα ήταν προϊόν αλληλογραφίας μεταξύ του Σρέντινγκερ και του Άλμπερτ Αϊνστάιν, αφού ο Αϊνστάιν είχε επικρίνει την ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής που υποστήριξε ο Δανός φυσικός Niels Bohr και οι συνεργάτες του.
Ο Bohr υποστήριξε ότι η κβαντομηχανική φαίνεται να μας αναγκάζει να συμπεράνουμε ότι οι ιδιότητες των κβαντικών αντικειμένων όπως τα ηλεκτρόνια δεν έχουν καλά καθορισμένες τιμές μέχρι να τις μετρήσουμε. Στον Αϊνστάιν, φαινόταν τρελό ότι κάποιο στοιχείο της πραγματικότητας εξαρτάται από τη συνειδητή μας παρέμβαση για να το φέρουμε σε ύπαρξη. Με δύο νεότερους συναδέλφους του, τον Μπόρις Ποντόλσκι και τον Νέιθαν Ρόζεν, παρουσίασε ένα πείραμα σκέψης το 1935 που φαινόταν να καθιστά αδύνατη αυτή την ερμηνεία. Οι τρεις τους (η δουλειά των οποίων γίνεται τώρα με τη συλλογική ετικέτα EPR) σημείωσαν ότι τα σωματίδια μπορούν να δημιουργηθούν σε καταστάσεις που πρέπει να συσχετίζονται μεταξύ τους, με την έννοια ότι εάν ένα από αυτά έχει μια συγκεκριμένη αξία για κάποια ιδιότητα, το άλλο πρέπει έχουν κάποια άλλη ιδιαίτερη αξία. Στην περίπτωση δύο ηλεκτρονίων, τα οποία έχουν μια ιδιότητα που ονομάζεται σπιν, το ένα σπιν μπορεί να δείχνει «πάνω» ενώ το σπιν του άλλου ηλεκτρονίου δείχνει «κάτω».
Σε αυτήν την περίπτωση, σύμφωνα με τον Αϊνστάιν και τους συναδέλφους του, εάν ο Bohr έχει δίκιο και οι πραγματικές κατευθύνσεις των περιστροφών είναι απροσδιόριστες μέχρι να τις μετρήσετε, τότε η συσχέτιση των δύο περιστροφών σημαίνει ότι η μέτρηση του ενός διορθώνει αμέσως τον προσανατολισμό του άλλου — όσο μακριά κι αν είναι το σωματίδιο. Ο Αϊνστάιν ονόμασε αυτή τη φαινομενική σύνδεση «απόκοσμη δράση από απόσταση». Αλλά ένα τέτοιο φαινόμενο θα πρέπει να είναι αδύνατο, επειδή η θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν δείχνει ότι καμία επιρροή δεν μπορεί να διαδοθεί ταχύτερα από το φως.
Ο Schrödinger ονόμασε αυτή τη συσχέτιση μεταξύ των σωματιδίων «μπλέκωμα». Πειράματα από τη δεκαετία του 1970 έδειξαν ότι είναι ένα πραγματικό κβαντικό φαινόμενο. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι τα κβαντικά σωματίδια μπορούν με κάποιο τρόπο να επηρεάσουν το ένα το άλλο αμέσως στο διάστημα μέσω της τρομακτικής δράσης του Αϊνστάιν. Είναι καλύτερο να πούμε ότι οι κβαντικές ιδιότητες ενός μεμονωμένου σωματιδίου δεν καθορίζονται απαραίτητα σε ένα σταθερό μέρος στο διάστημα, αλλά μπορεί να είναι «μη τοπικές»:προσδιορίζονται πλήρως μόνο σε σχέση με ένα άλλο σωματίδιο αλλού, με τρόπο που φαίνεται να υπονομεύει τη διαισθητική μας αντίληψη για το διάστημα και απόσταση.
Η γάτα του Schrödinger προέκυψε από τις σκέψεις του για τις ιδιαιτερότητες της εμπλοκής του EPR. Ο Schrödinger ήθελε να δείξει πώς η αντίληψη του Bohr ότι τίποτα δεν είναι σταθερό μέχρι να μετρηθεί θα μπορούσε να οδηγήσει σε λογικό παραλογισμό, αν φανταζόμασταν ότι η διαπλοκή θα έφτανε το καθημερινό μέγεθος. Το σκεπτικό του πείραμα τοποθετεί την άτυχη γάτα σε ένα κλειστό κουτί με ένα φιαλίδιο θανατηφόρου δηλητηρίου, το οποίο μπορεί να σπάσει από κάποιον μηχανισμό που τη συνδέει - στην πραγματικότητα, την μπλέκει με - ένα κβαντικό σωματίδιο ή ένα γεγονός. Η σκανδάλη θα μπορούσε να προέλθει από ένα ηλεκτρόνιο, σπάζοντας το φιαλίδιο εάν έχει σπιν προς τα πάνω αλλά όχι εάν έχει σπιν προς τα κάτω. Στη συνέχεια, μπορείτε να προετοιμάσετε το ηλεκτρόνιο σε μια λεγόμενη υπέρθεση καταστάσεων, στην οποία τόσο η ανοδική όσο και η καθοδική σπιν είναι πιθανά αποτελέσματα μιας μέτρησης. Αλλά αν το γύρισμα είναι απροσδιόριστο πριν από τη μέτρηση, τότε πρέπει να είναι και η κατάσταση της γάτας - δεν υπάρχει τρόπος να πείτε με νόημα αν είναι ζωντανή ή νεκρή. Και αυτό είναι σίγουρα ανόητο.
Η άποψη του Schrödinger δεν ήταν απλώς ότι οι κβαντικοί κανόνες οδηγούν σε προφανή ανοησία όταν εφαρμόζονται σε καθημερινή κλίμακα - δεν χρειάζεστε γάτα για αυτό. Αντίθετα, ήθελε να βρει μια ακραία απόδειξη του πώς η αναβολή οποιασδήποτε εκχώρησης μιας καθορισμένης κατάστασης (ζωντανής ή νεκρής) μέχρι να γίνει η μέτρηση (ανοίγοντας το πλαίσιο για να κοιτάξουμε) θα μπορούσε να οδηγήσει σε συνέπειες που φαίνονται όχι μόνο περίεργες αλλά και λογικά απαγορευμένες. /P>
Για τον Bohr αυτό θα φαινόταν ένα άκυρο σενάριο - η μέτρηση, όπως το άνοιγμα του κουτιού και το να κοιτάξει τη γάτα, ήταν για αυτόν πάντα μια μακροσκοπική και επομένως μια κλασική διαδικασία, επομένως οι κβαντικοί κανόνες δεν θα ισχύουν πλέον. Αλλά πώς διασφαλίζει η μέτρηση αυτόν τον μαγικό μετασχηματισμό από κβαντικό σε κλασικό;
Αντί να διαφωνείτε για αυτό, γιατί να μην κάνετε απλώς το πείραμα; Το πρόβλημα είναι ότι, ενώ ήταν πολύ καλό για τον Σρέντινγκερ να φανταστεί να κάνει μια γάτα «κβαντική» συνδέοντάς την με κάποιο γεγονός ατομικής κλίμακας, δεν είναι καθόλου σαφές πώς - ή αν - μπορούμε να το κάνουμε αυτό κλιμακώνοντας στην πράξη. ή πράγματι τι θα μπορούσε να σημαίνει μια υπέρθεση ζωντανών και νεκρών όσον αφορά τις κβαντικές καταστάσεις.
Αλλά με τις σύγχρονες τεχνικές, μπορούμε να φανταστούμε να δημιουργούμε καλά καθορισμένες κβαντικές υπερθέσεις σχετικά μεγάλων αντικειμένων —όχι τόσο μεγάλα όσο οι γάτες, αλλά πολύ μεγαλύτερα από μόνα άτομα— και να διερευνούμε τις ιδιότητές τους. Αυτός είναι ο σκοπός των προσπαθειών για τη δημιουργία των γατών του Schrödinger.
«Πολλοί φυσικοί δεν περιμένουν πραγματικά εκπλήξεις σε μεγάλη κλίμακα», δήλωσε ο Simon Gröblacher του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου του Ντελφτ στην Ολλανδία. "Αλλά απλά δεν είναι γνωστό τι θα συμβεί αν αρχίσετε να κάνετε κβαντικές καταστάσεις με περίπου 10 άτομα", που είναι η τυπική κλίμακα των καθημερινών αντικειμένων.
Τα νέα πειράματα δείχνουν ότι, παρά τα όσα πίστευε ο Schrödinger, τα σχετικά μεγάλα αντικείμενα μπορούν πράγματι να επιδείξουν αντίθετη κβαντική συμπεριφορά.
Ο Gröblacher και οι συνεργάτες του δημιούργησαν μικροδέσμες πυριτίου, μήκους 10 μικρομέτρων η καθεμία και διατομής 1 επί 0,25 μικρομέτρων. Κάθε ένα είχε τρύπες κατά μήκος των ακτίνων που θα απορροφούσαν και θα παγίδευαν το υπέρυθρο φως λέιζερ. Στη συνέχεια, οι ερευνητές ενθουσίασαν αυτές τις ακτίνες με φως που στέλνεται σε μια υπέρθεση μονοπατιών, μία σε κάθε δέσμη. Με αυτόν τον τρόπο, μπόρεσαν να εμπλέξουν δύο ακτίνες σε μια ενιαία κβαντική δονητική κατάσταση. Θα μπορούσατε να το σκεφτείτε ως το πολύ μικρό ισοδύναμο δύο μπερδεμένων γατών.
Ένα άλλο είδος εμπλοκής μεταξύ μηχανικών ταλαντωτών αναφέρθηκε, σε χαρτιά πίσω με πλάτη με την ομάδα του Gröblacher στο Nature , από τη Mika Sillanpää του Πανεπιστημίου Aalto στη Φινλανδία και τους συνεργάτες της. Συνέδεσαν δύο μικροσκοπικά μεταλλικά φύλλα που μοιάζουν με κεφαλή τυμπάνου μέσω ενός υπεραγώγιμου σύρματος. Το καλώδιο μπορεί να περιέχει ένα ηλεκτρικό ρεύμα που ταλαντώνεται σε συχνότητες μικροκυμάτων (περίπου 5 δισεκατομμύρια δονήσεις ανά δευτερόλεπτο). το ηλεκτρομαγνητικό του πεδίο ασκεί πίεση στις δονούμενες πλάκες. "Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία λειτουργούν ως ένα είδος μέσου που αναγκάζει τις δύο κεφαλές των τυμπάνων στη μπερδεμένη κβαντική κατάσταση", είπε ο Sillanpää.
Οι ερευνητές προσπάθησαν εδώ και καιρό να επιτύχουν κβαντικά αποτελέσματα όπως η υπέρθεση και η εμπλοκή σε «μεγάλους» μικρομηχανικούς ταλαντωτές σαν αυτούς, οι οποίοι έχουν δισεκατομμύρια άτομα μέσα τους. «Οι εμπλεκόμενες καταστάσεις των μηχανικών ταλαντωτών έχουν συζητηθεί θεωρητικά από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, αλλά μόνο τα τελευταία χρόνια ήταν τεχνικά δυνατό να δημιουργηθούν τέτοιες καταστάσεις», είπε ο Sillanpää.
Αυτό που κάνει αυτά τα πειράματα μια τέτοια περιοδεία είναι ότι αποφεύγουν τη διαδικασία που γενικά μετατρέπει μεγάλα αντικείμενα από αυτά που διέπονται από κβαντικούς κανόνες σε αυτά που υπακούουν στην κλασική φυσική. Αυτή η διαδικασία φαίνεται να παρέχει το μέρος που λείπει (τουλάχιστον, το μεγαλύτερο μέρος του) του παζλ της μέτρησης, το οποίο ο Μπορ άφησε τόσο τρελά ασαφές.
Ονομάζεται αποσυνοχή — και, μάλλον τακτοποιημένα, έχει να κάνει με τη διαπλοκή. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, η εμπλοκή είναι ένα αναπόφευκτο αποτέλεσμα οποιασδήποτε αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο κβαντικών αντικειμένων. Έτσι, αν ένα αντικείμενο - μια γάτα, ας πούμε - ξεκινά με μια υπέρθεση καταστάσεων, αυτή η υπέρθεση - αυτή η κβαντικότητα, θα πείτε - εξαπλώνεται καθώς το αντικείμενο αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του και μπλέκεται όλο και περισσότερο μαζί του. Αλλά αν θέλετε να παρατηρήσετε πραγματικά την υπέρθεση, θα χρειαστεί να συμπεράνουμε την κβαντική συμπεριφορά όλων των μπλεγμένων σωματιδίων. Αυτό γίνεται γρήγορα αδύνατο, με τον ίδιο τρόπο που καθίσταται αδύνατο να εντοπιστούν όλα τα άτομα σε μια σταγόνα μελανιού καθώς διασκορπίζεται σε μια πισίνα. Λόγω της αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον, η κβαντική φύση του αρχικού σωματιδίου διαρρέει και διασπείρεται. Αυτό είναι αποσυνοχή.
Οι θεωρητικοί της κβαντικής έχουν δείξει ότι η αποσυνοχή προκαλεί το είδος της συμπεριφοράς που παρατηρείται στην κλασική φυσική. Και οι πειραματιστές το έχουν αποδείξει σε πειράματα που μπορούν να ελέγξουν το ρυθμό αποσυνοχής, όπου τα χαρακτηριστικά κβαντικά φαινόμενα, όπως η κυματοειδής παρεμβολή των σωματιδίων σταδιακά εξαφανίζονται καθώς προχωρά η αποσυνοχή.
Η αποσυνοχή, λοιπόν, είναι κεντρική στην τρέχουσα κατανόηση της κβαντικής-κλασικής μετάβασης. Η ικανότητα ενός αντικειμένου να δείχνει κβαντική συμπεριφορά, όπως παρεμβολές, υπέρθεση και συσχετίσεις που προκαλούνται από εμπλοκή, δεν έχει καμία σχέση με το πόσο μεγάλο είναι. Αντίθετα, εξαρτάται από το πόσο μπερδεμένο είναι με το περιβάλλον του.
Ωστόσο, το μέγεθος παίζει γενικά ρόλο, γιατί όσο μεγαλύτερο είναι ένα αντικείμενο, τόσο πιο εύκολα μπορεί να μπλέξει με το περιβάλλον του και να αποσυνδεθεί. Ένα μεγάλο, ζεστό, ανήσυχο αντικείμενο όπως η γάτα δεν έχει την ελπίδα να παραμείνει σε μια οποιουδήποτε είδους κβαντομηχανική υπέρθεση και θα αποσυνδεθεί λίγο πολύ αμέσως.
Εάν απλώς κολλήσετε μια γάτα σε ένα κουτί και συνδέσετε τη μοίρα της με την έκβαση κάποιου κβαντικού γεγονότος, δεν είναι πιθανό να την βάλετε σε μια υπέρθεση ζωντανού και νεκρού, επειδή η αποσυνοχή θα την αναγκάσει σχεδόν αμέσως στη μια ή στην άλλη κατάσταση . Αν μπορούσατε να καταστείλετε την αποσυνοχή αφαιρώντας κάθε αλληλεπίδραση με το περιβάλλον (χωρίς να σκοτώσετε τη γάτα σε ένα υπερψυχρό κενό!) — τότε είναι άλλη ιστορία και τα επιχειρήματα επιμένουν. Είναι σχεδόν αδύνατο να φανταστεί κανείς πώς να το πετύχει αυτό για μια γάτα. Αλλά αυτό είναι στην ουσία αυτό που πέτυχαν οι ομάδες των Gröblacher και Sillanpää με τους μικροσκοπικούς ταλαντωτές τους.
Αντί να εργαζόμαστε προς το κβαντικό-κλασικό όριο από την κορυφή προς τα κάτω, για να δούμε αν μπορούμε να δημιουργήσουμε την κβαντικότητα σε ένα δονούμενο αντικείμενο όταν αυτό είναι αρκετά μικρό, μπορούμε να το φτάσουμε από κάτω προς τα πάνω. Δεδομένου ότι γνωρίζουμε ότι τα κβαντικά φαινόμενα, όπως η υπέρθεση και η παρεμβολή, φαίνονται εύκολα σε μεμονωμένα άτομα, ακόμη και σε μικρά μόρια, μπορεί να αναρωτηθούμε πόσο μακριά μπορούν να διατηρηθούν αυτά τα φαινόμενα καθώς συνεχίζουμε να προσθέτουμε περισσότερα άτομα. Τρεις ομάδες έχουν διερευνήσει τώρα αυτό το ερώτημα, επιτυγχάνοντας κβαντικές καταστάσεις για νέφη με έως και δεκάδες χιλιάδες υπερψυχρά άτομα εμπλέκοντάς τα σε μια κατάσταση που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC).
Ο Αϊνστάιν και ο Ινδός φυσικός Satyendra Nath Bose επεσήμαναν ότι μια τέτοια κατάσταση μπορεί να υπάρχει μεταξύ των μποζονίων (που ονομάζεται Bose), μιας από τις δύο γενικές κατηγορίες θεμελιωδών σωματιδίων. Σε ένα BEC, όλα τα σωματίδια βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση, πράγμα που σημαίνει ότι στην πραγματικότητα λειτουργούν μάλλον σαν ένα μεγάλο κβαντικό αντικείμενο. Επειδή είναι ένα κβαντικό φαινόμενο, η συμπύκνωση Bose-Einstein συμβαίνει μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και ένα BEC εμφανίστηκε μόνο στην πιο καθαρή του μορφή - ένα σύννεφο σωματιδίων μποζονίου - το 1995, σε άτομα ρουβιδίου που ψύχθηκαν σε μόλις μερικά δισεκατομμυριοστά του βαθμός πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Τα BEC που κατασκευάζονται από τέτοια υπερψυχρά άτομα έχουν δώσει στους φυσικούς ένα νέο μέσο για τη διερεύνηση των κβαντικών φαινομένων. Στο παρελθόν, οι ερευνητές έχουν δείξει ότι ένα τέτοιο νέφος —ίσως αρκετές χιλιάδες άτομα— μπορεί να τοποθετηθεί σε μια κατάσταση στην οποία όλα τα άτομα είναι κβαντικά μπερδεμένα μεταξύ τους.
Αυτά δεν είναι αυστηρά τα γατάκια του Σρέντινγκερ, είπε ο Carsten Klempt του Πανεπιστημίου Leibniz του Ανόβερου στη Γερμανία. Αυτά ορίζονται γενικά ως υπερθέσεις καταστάσεων που είναι τόσο διαφορετικές όσο θα μπορούσαν να είναι:για παράδειγμα, όλες με ανοδική περιστροφή και όλες με περιστροφή προς τα κάτω (ανάλογα με το "ζωντανό" και το "νεκρό"). Αυτό δεν συμβαίνει σε αυτά τα μπερδεμένα σύννεφα ατόμων. Ωστόσο, εξακολουθούν να δείχνουν κβαντική συμπεριφορά σε σχετικά τεράστια κλίμακα.
Υπάρχει μια πιο σημαντική προϋπόθεση, ωστόσο, στην ιδέα ότι είναι ενσωματώσεις «σε κλίμακα γατούλας» της εμπλοκής σε στυλ EPR. Τα άτομα είναι όλα ανακατεμένα στο διάστημα και είναι πανομοιότυπα και δυσδιάκριτα. Αυτό σημαίνει ότι, ακόμα κι αν είναι μπερδεμένα, δεν μπορείτε να το δείτε με όρους συσχέτισης μεταξύ της ιδιότητας ενός αντικειμένου εδώ και άλλο ένα εκεί . «Τα συμπυκνώματα Bose-Einstein υπερψυχρά ατόμων αποτελούνται από μεγάλα σύνολα δυσδιάκριτων ατόμων, κυριολεκτικά ίσα σε οποιοδήποτε φυσικό παρατηρήσιμο», είπε ο Klempt. «Ως εκ τούτου, ο αρχικός ορισμός της εμπλοκής [όπως απεικονίζεται στο πείραμα σκέψης EPR] δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί σε αυτά». Στην πραγματικότητα, ολόκληρη η έννοια της εμπλοκής μεταξύ δυσδιάκριτων σωματιδίων έχει αμφισβητηθεί θεωρητικά. "Αυτό συμβαίνει επειδή η έννοια της διαπλοκής απαιτεί τη δυνατότητα να οριστούν τα [διακεκριμένα] υποσυστήματα που είναι μπλεγμένα μεταξύ τους", δήλωσε ο Philipp Kunkel του Πανεπιστημίου της Χαϊδελβέργης στη Γερμανία.
Ένα πολύ πιο ξεκάθαρο είδος εμπλοκής, άμεσα ανάλογο με την εμπλοκή των χωρικά διαχωρισμένων σωματιδίων στο πείραμα σκέψης EPR, έχει πλέον αποδειχθεί σε τρία ξεχωριστά πειράματα από την ομάδα του Klempt στο Ανόβερο, την ομάδα του Kunkel (με επικεφαλής τον Markus Oberthaler) στη Χαϊδελβέργη και ομάδα με επικεφαλής τον Philipp Treutlein στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας στην Ελβετία. «Η σύγκρουση με την κλασική φυσική είναι ιδιαίτερα εντυπωσιακή όταν παρατηρείται η εμπλοκή μεταξύ τέτοιων χωρικά διαχωρισμένων συστημάτων», είπε ο Treutlein. "Αυτή είναι η κατάσταση που εξετάζει το έγγραφο EPR του 1935."
Και οι τρεις ομάδες χρησιμοποίησαν σύννεφα εκατοντάδων έως χιλιάδων ατόμων ρουβιδίου που συγκρατούνται σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία παγίδευσης (είτε παράγονται από μικροσκοπικές συσκευές σε ένα «τσιπ ατόμου» είτε παράγονται από διασταυρούμενες ακτίνες λέιζερ). Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν υπέρυθρα λέιζερ για να διεγείρουν τις κβαντικές μεταβάσεις στις περιστροφές των ατόμων και αναζήτησαν τις συσχετίσεις μεταξύ των τιμών σπιν που είναι το ενδεικτικό σημάδι της εμπλοκής. Ενώ οι ομάδες της Χαϊδελβέργης και της Βασιλείας απευθύνονταν σε δύο διαφορετικές περιοχές σε ένα ενιαίο μεγάλο σύννεφο, η ομάδα του Klempt χώρισε στην πραγματικότητα το σύννεφο εισάγοντας μια περιοχή κενού χώρου στη μέση.
Οι ομάδες της Βασιλείας και της Χαϊδελβέργης κατέδειξαν εμπλοκή μέσω ενός φαινομένου που ονομάζεται κβαντική διεύθυνση, στο οποίο η φαινομενική αλληλεξάρτηση των δύο εμπλεκόμενων περιοχών εκμεταλλεύεται έτσι ώστε οι μετρήσεις που γίνονται στη μία από αυτές να επιτρέπουν στους ερευνητές να προβλέψουν τις μετρήσεις της άλλης. «Ο όρος «τιμόνι» εισήχθη από τον Schrödinger», εξήγησε ο Treutlein. «Αναφέρεται στο γεγονός ότι, ανάλογα με το αποτέλεσμα της μέτρησης στην περιοχή Α, αλλάζει η κβαντική κατάσταση που χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε το σύστημα Β». Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι υπάρχει κάποια στιγμιαία μεταφορά πληροφοριών ή επικοινωνία μεταξύ του Α και του Β. «Δεν μπορεί κανείς να κατευθύνει την κατάσταση του απομακρυσμένου συστήματος ντετερμινιστικά, αφού το αποτέλεσμα της μέτρησης είναι ακόμα πιθανό», είπε ο Κούνκελ. "Δεν υπάρχει αιτιολογική επιρροή."
Αυτά τα αποτελέσματα είναι «πολύ συναρπαστικά», είπε ο Jens Eisert του Ελεύθερου Πανεπιστημίου του Βερολίνου, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. "Η εμπλοκή στους ατομικούς ατμούς έχει δημιουργηθεί πολύ πριν", είπε, "αλλά αυτό που είναι διαφορετικό εδώ είναι τα επίπεδα διευθυνσιοδοτικότητας και ελέγχου σε αυτά τα συστήματα."
Εκτός από την πιο ξεκάθαρη επίδειξη εμπλοκής όταν υπάρχει μεταξύ χωρικά διαχωρισμένων περιοχών, υπάρχει επίσης ένα πρακτικό πλεονέκτημα να κάνετε τα πράγματα με αυτόν τον τρόπο:Μπορείτε να απευθυνθείτε στις ξεχωριστές περιοχές ξεχωριστά για επεξεργασία κβαντικών πληροφοριών. "Δεν είναι δυνατό, ακόμη και κατ' αρχήν, να αντιμετωπιστούν μεμονωμένα άτομα στο BEC χωρίς να επηρεαστούν όλα τα άλλα άτομα, εάν βρίσκονται όλα στην ίδια θέση", είπε ο Treutlein. «Ωστόσο, εάν μπορούμε να αντιμετωπίσουμε μεμονωμένα τις δύο χωρικά διαχωρισμένες περιοχές, η εμπλοκή γίνεται διαθέσιμη για εργασίες κβαντικής πληροφορίας όπως η κβαντική τηλεμεταφορά ή η εναλλαγή εμπλοκής». Αυτό, ωστόσο, θα απαιτήσει να αυξηθεί ο φυσικός διαχωρισμός των νεφών πέρα από αυτό που έγινε στα τρέχοντα πειράματα, πρόσθεσε. Στην ιδανική περίπτωση, είπε ο Klempt, θα διαιρούσατε το νέφος περαιτέρω σε ατομικά διευθυνσιοδοτούμενα άτομα.
Τα «μεγάλα» κβαντικά αντικείμενα όπως αυτά θα μπορούσαν επίσης να μας επιτρέψουν να διερευνήσουμε τη νέα φυσική:για να ανακαλύψουμε, για παράδειγμα, τι συμβαίνει όταν η βαρύτητα αρχίζει να επηρεάζει σημαντικά την κβαντική συμπεριφορά. «Με αυτόν τον νέο τρόπο ελέγχου και χειρισμού μεγάλων εμπλεκόμενων καταστάσεων, θα μπορούσε να υπάρχει χώρος για εξελιγμένες δοκιμές κβαντικών επιδράσεων στις θεωρίες βαρύτητας», είπε ο Eisert. Έχει προταθεί, για παράδειγμα, ότι τα βαρυτικά φαινόμενα θα μπορούσαν να προκαλέσουν μια φυσική κατάρρευση κβαντικών καταστάσεων σε κλασικές, μια ιδέα που είναι καταρχήν επιδεκτική πειραματισμού σε υπερθέσεις ή μπερδεμένες καταστάσεις μεγάλων μαζών. Ο Treutlein είπε ότι ένας τρόπος δοκιμής μοντέλων φυσικής κατάρρευσης περιλαμβάνει παρεμβολές μεταξύ διακριτών ατομικών «κυμάτων ύλης» - και, πρόσθεσε, το διχασμένο, μπερδεμένο BEC της ομάδας του μπορεί να λειτουργήσει ως τέτοιος συμβολόμετρο ατόμου. «Οι περισσότεροι φυσικοί πιθανότατα δεν θα περιμένουν μια ξαφνική κατάρρευση της κβαντικής φυσικής» καθώς το μέγεθος του συστήματος αυξάνεται, είπε ο Klempt. Αλλά ο Kunkel πρόσθεσε ότι «είναι ακόμα ένα ανοιχτό ερώτημα, πειραματικά και θεωρητικά, εάν υπάρχει ένα θεμελιώδες όριο στο μέγεθος των αντικειμένων που μπορούν να μπλέξουν μεταξύ τους».
«Η πιο ενδιαφέρουσα ερώτηση είναι αν υπάρχει κάποιο θεμελιώδες μέγεθος στο οποίο δεν μπορεί κανείς με κάποια έννοια να κάνει εμπλοκή», είπε ο Sillanpää. "Αυτό θα σήμαινε ότι κάτι άλλο εκτός από την κανονική κβαντομηχανική μπαίνει στην εικόνα και αυτό θα μπορούσε, για παράδειγμα, να είναι κατάρρευση λόγω της βαρύτητας." Εάν η βαρύτητα παίζει όντως κάποιο ρόλο, αυτό μπορεί να προσφέρει κάποιες συμβουλές για το πώς να αναπτυχθεί μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας που να ενώνει τις επί του παρόντος ασύμβατες θεωρίες της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας.
Αυτό θα ήταν πολύ πραξικόπημα για τα γατάκια του Σρέντινγκερ. Προς το παρόν, ενισχύουν τη γενική πεποίθηση ότι δεν υπάρχει τίποτα το ιδιαίτερο στην κβαντική συμπεριφορά, πέρα από το γεγονός ότι περιστρέφεται σε μια ολοένα πιο μπερδεμένη κούνια γάτας από την οποία αναδύεται ο κλασικός μας ιστός. Και καμία γάτα δεν χρειάζεται να σκοτωθεί στη διαδικασία.
