Οι φυσικοί παράγουν την κβαντική έκδοση της γάτας Cheshire

Στο διάσημο παιδικό μυθιστόρημα του Lewis Carroll Alice's Adventures in Wonderland , η Αλίκη συναντά τη γάτα Cheshire, η οποία εξαφανίζεται και αφήνει πίσω μόνο το χαμόγελό της. Τώρα, οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει μια κβαντική εκδοχή του αιλουροειδούς διαχωρίζοντας ένα αντικείμενο —ένα νετρόνιο— από τη φυσική του ιδιότητα—τον μαγνητισμό του. Το πείραμα είναι το πιο πρόσφατο παράδειγμα του πώς η κβαντομηχανική γίνεται ακόμη πιο περίεργη χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται αδύναμη μέτρηση και θα μπορούσε να προσφέρει στους ερευνητές ένα περίεργο νέο πειραματικό εργαλείο για την εκτέλεση μετρήσεων ακριβείας.

Στην κβαντική φυσική, τα μικροσκοπικά σωματίδια μπορούν να βρίσκονται σε αντίθετες συνθήκες ή καταστάσεις ταυτόχρονα, μια ιδιότητα γνωστή ως υπέρθεση. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί κυριολεκτικά να περιστρέφεται σε αντίθετες κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Προσπαθήστε να μετρήσετε το σπιν, ωστόσο, και αυτή η κατάσταση θα «καταρρεύσει» έτσι ώστε το ηλεκτρόνιο να βρεθεί να περιστρέφεται με τον ένα ή τον άλλο τρόπο. Αυτό συμβαίνει επειδή η κβαντική θεωρία γενικά σας απαγορεύει να μετρήσετε την κατάσταση ενός σωματιδίου χωρίς να το τροποποιήσετε—τουλάχιστον συνήθως.

Αλλά το 1988, ο Yakir Aharonov, ένας θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ στο Ισραήλ, και οι συνεργάτες του ονειρεύτηκαν έναν τρόπο να μετρήσουν τις ευαίσθητες κβαντικές καταστάσεις χωρίς να τις διαταράξουν μέσω των λεγόμενων αδύναμων μετρήσεων. Υπάρχει ένα τίμημα που πρέπει να πληρώσετε, φυσικά. Μια ασθενής μέτρηση δεν μπορεί να αποκαλύψει τίποτα για ένα μεμονωμένο σωματίδιο, αλλά μόνο τη συμπεριφορά πολλών σωματιδίων όλα στην ίδια κατάσταση. Και απαιτεί όχι μόνο να βάλουμε τα σωματίδια στη σωστή κατάσταση για αρχή, αλλά και να επιλέξουμε μόνο εκείνα σε συγκεκριμένη διαφορετική κατάσταση στο τέλος, επομένως το όλο πείραμα πρέπει να αναλυθεί αναδρομικά. Ωστόσο, οι αδύναμες μετρήσεις μπορούν να διερευνήσουν φαινόμενα που οι συνηθισμένες μετρήσεις δεν μπορούν, και τον περασμένο Νοέμβριο ο Aharonov και οι συνεργάτες του περιέγραψαν πώς θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την πραγματοποίηση μιας κβαντικής γάτας Cheshire.

Εδώ είναι η ιδέα. Μια δέσμη νετρονίων όλα μαγνητισμένα προς την ίδια κατεύθυνση, ας πούμε δεξιά, εισέρχεται σε μια συσκευή που ονομάζεται συμβολόμετρο νετρονίων (βλ. διάγραμμα). Η δέσμη προσπίπτει σε έναν διαχωριστή δέσμης, ο οποίος χωρίζει όχι μόνο τη μακροσκοπική δέσμη αλλά και το κβαντικό κύμα που περιγράφει κάθε νετρόνιο. Έτσι, μετά τον διαχωριστή δέσμης, κάθε νετρόνιο βρίσκεται στην παράξενη κβαντική κατάσταση:στην διαδρομή 1, πολωμένη δεξιά, και στη διαδρομή 2, πολωμένη δεξιά. Αυτή είναι η «προεπιλεγμένη» πολιτεία. Αφού ακολουθήσουν διαφορετικές διαδρομές, τα κύματα ανασυνδυάζονται στον δεύτερο διαχωριστή δέσμης και παρεμβάλλονται μεταξύ τους, έτσι ώστε τα νετρόνια να εξέρχονται όλα από το συμβολόμετρο μέσω μιας από τις δύο "θύρες", τη θύρα φωτός.

Τώρα, εδώ είναι που τα πράγματα γίνονται περίεργα. Οι πειραματιστές εγκαθιστούν μερικά gadget πριν από τον δεύτερο διαχωριστή δέσμης που λειτουργούν σαν φίλτρο, έτσι ώστε αν ένα νετρόνιο βρίσκεται στην κατάσταση στη διαδρομή 1, πολωμένο δεξιά και στη διαδρομή 2, πολωμένο αριστερά —η "μεταεπιλεγμένη κατάσταση" — θα βγει το σκοτεινό λιμάνι. Αυτό μπορεί να ακούγεται περιττό, γιατί κάθε νετρόνιο δεν βρίσκεται σε αυτή την κατάσταση. Ωστόσο, οι δύο καταστάσεις έχουν ένα κοινό μέρος—στην διαδρομή 1, πολωμένη δεξιά —και αυτή η επικάλυψη διασφαλίζει ότι ορισμένα νετρόνια αναδύονται από τη σκοτεινή θύρα, απλώς λόγω της προσπάθειας φιλτραρίσματος αυτής της μεταεπιλεγμένης κατάστασης.

Εάν κοιτάξετε μόνο αυτά τα μεταεπιλεγμένα συμβάντα, μπορείτε να πείτε με βεβαιότητα ότι το νετρόνιο πέρασε από τη διαδρομή 1. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μόνα μέρη των προεπιλεγμένων και μεταεπιλεγμένων καταστάσεων που επικαλύπτονται είναι αυτά για τη διαδρομή 1. Από την άλλη πλευρά, αν προσπαθήσετε για να μετρήσετε τον μαγνητισμό, θα διαπιστώσετε ότι όλος ο μαγνητισμός βρίσκεται στη διαδρομή 2. Αυτό συμβαίνει επειδή για να γνωρίζετε ότι υπάρχει μαγνητισμός, πρέπει ουσιαστικά να εφαρμόσετε ένα μαγνητικό πεδίο που ανατρέπει την πόλωση του νετρονίου. Έτσι, μετά τη μέτρηση, τα μέρη της αλλαγμένης προεπιλεγμένης κατάστασης και της μεταεπιλεγμένης κατάστασης που είναι πανομοιότυπα είναι αυτά για τη διαδρομή 2.

Η παραδοσιακή ερμηνεία είναι ότι το όλο επιχείρημα είναι αμφιλεγόμενο. Εάν φτάσετε στο μονοπάτι 1 με έναν ανιχνευτή νετρονίων, τότε αυτή η μέτρηση αλλάζει την αρχική κβαντική κατάσταση, καθιστώντας άσκοπη την εικασία για το τι θα βλέπατε αν αντ' αυτού μετρούσατε τον μαγνητισμό στη διαδρομή 2 και το αντίστροφο. Σύμφωνα με τη θεωρία του Aharonov όμως, οι μετρήσεις θα μπορούσαν να γίνουν ασθενώς, έτσι ώστε να μην αλλοιώσουν την κατάσταση των νετρονίων. Και αυτό ακριβώς έχουν κάνει ο Yuji Hasegawa του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Βιέννης και οι συνεργάτες του, όπως αναφέρουν σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv.

Χρησιμοποιώντας ένα συμβολόμετρο νετρονίων στο Ινστιτούτο Laue-Langevin στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας, οι ερευνητές εισήγαγαν έναν απορροφητή που απορροφούσε μόνο λίγα τοις εκατό των νετρονίων - όχι αρκετό για να καταστρέψει την παρεμβολή των κυμάτων. Όταν το έβαλαν στη διαδρομή 2, ο ρυθμός των νετρονίων που φεύγουν από το σκοτεινό λιμάνι παρέμεινε ο ίδιος. Όταν το έβαλαν στη διαδρομή 1, ο αριθμός μειώθηκε, αποδεικνύοντας ότι τα νετρόνια στη μεταεπιλεγμένη κατάσταση περνούν από τη διαδρομή 1. Στη συνέχεια, εφάρμοσαν ένα μικρό μαγνητικό πεδίο για να περιστρέψουν ελαφρά την πόλωση των νετρονίων και να διαταράξουν το σχέδιο παρεμβολής. Όταν το πεδίο εφαρμόστηκε στη διαδρομή 1, δεν είχε καμία επίδραση. Αλλά στο μονοπάτι δύο, ο αριθμός των νετρονίων που έβγαιναν από τη σκοτεινή θύρα άλλαξε, αποδεικνύοντας ότι ο μαγνητισμός των νετρονίων ήταν όλος στο μονοπάτι 2. Έτσι η γάτα - το νετρόνιο - διαχωρίστηκε από το χαμόγελό της - τον μαγνητισμό της.

Το πείραμα «σίγουρα θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα την αντιδιαισθητική φύση των κβαντικών φαινομένων», λέει ο Sandu Popescu, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στο Ηνωμένο Βασίλειο που δεν συμμετείχε στο πείραμα. Το περίεργο κβαντικό φαινόμενο μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμο για την πραγματοποίηση μετρήσεων καλύτερης ακρίβειας, λέει. Μερικοί φυσικοί έχουν δοκιμάσει εάν ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα παραμένει σωστός σε αποστάσεις μικρότερες από ένα χιλιοστό περίπου. τα ευαίσθητα πειράματα μπορούν να μπερδευτούν από εξωγενή ηλεκτρομαγνητικά αποτελέσματα. Αλλά αν ο ερευνητής μπορούσε να χωρίσει τη μάζα των νετρονίων από τον μαγνητισμό τους, τότε θα μπορούσε να μελετήσει τα βαρυτικά φαινόμενα χωρίς να διαταραχθεί από ηλεκτρομαγνητικά, λέει ο Aephraim Steinberg, ένας πειραματιστής στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο στον Καναδά.