Могат ли атомите да са на две места едновременно?

Може ли едновременно да забиеш гол и да не уцелиш вратата? В света на малките обекти – да.

В съответствие с предсказанията на квантовата механика микроскопичните обекти могат да избират различни пътища едновременно.

Светът на микроскопичните обекти се подчинява на други правила – футболната топка например винаги се движи в определена посока. Но може да има и вратички.

Физиците от университета на Бон са измислили експеримент, който трябва по възможност да провери това. Първият опит ще покаже могат ли цезиевите атоми да избират два пътя едновременно.

Почти преди 100 години физиците Вернер Хайзенберг, Макс Борн и Ървин Шрьодингер са създали нова област от физиката – квантовата механика.

Обектите на квантовия свят – съгласно новата теория – не се движат по една точно определена траектория. По-скоро те могат едновременно да изберат различни пътища и в крайна сметка се оказват на различни места. Физиците наричат това квантова суперпозиция.

На ниво атоми всичко изглежда така, сякаш обектите строго се подчиняват на квантовомеханичните закони. За много години много експерименти са потвърдили предсказанията на квантовата механика. Но в нашия макроскопичен опит ние наблюдаваме как футболната топка избира изключително един път. Тя никога не попада в мрежата на вратата и не отскача от гредата едновременно. Защо е така?

„Има две различни интерпретации – казва д-р Андреа Алберти от Института за приложна физика към университета на Бон. – Квантовата механика допуска суперпозиция за големи макроскопични обекти. Но тяхното състояние на суперпозиция е доста крехко – дори фактът, че наблюдаваме топката, може да разруши суперпозицията и да накара топката да избере конкретна траектория.“

Може ли големите обекти да играят по други правила?

Да предположим, че пред нас са два купола – под единия има котка (a). Но не знаем под кой точно. Повдигаме първия купол (b) и откриваме, че там няма нищо. Така правим извод, че котката трябва да е под левия, и не го пипаме. Ако повдигнем левия купол, бихме обезпокоили котката (с), а измерването би се нарушило.

В света на макрореалистите тази схема на измерване никак не би повлияла на състоянието на котката, тя би останала спокойна през цялото време. В квантовия свят отрицателното измерване, издаващо положението на котката (b), унищожава състоянието на квантова суперпозиция и влияе на резултата на експеримента.

Може и така да е, че футболните топки се подчиняват на съвършено различни правила, отлични от тези, които са приложими към единичните атоми.

„Нека да поговорим за макрореалистичната представа за света – казва Алберти. – В съответствие с тази интерпретация топката винаги се движи по определена траектория, независимо от нашето наблюдение, и се отличава от атома.“

В сътрудничество с Клайв Амари от университета в Хъл, Великобритания, екипът от Бон измислил експериментална схема, която да помогне да се установи правилната интерпретация. „Задачата е в това да се разработи схема на измерването на позицията на атомите, която да позволи да се фалсифицира макрореалистичната теория“, добавя Алберти.

Описанието на експеримента се появило в изданието Physical Review X: физиците уловили единичен цезиев атом с помощта на две оптични пинсети и го преместили в две различни посоки. В света на макрореалиста атомът накрая ще се окаже в една от двете крайни точки. От гледна точка на квантовата механика атомът ще се окаже в суперпозиция в двете положения.

„Затова използвахме косвени измервания, които могат да определят крайното положение на атома по най-нежния от възможните начини“, казва аспирантът Карстен Робенс.

Дори такова косвено и меко измерване значително променя резултатите от експеримента. Това наблюдение изключва – фалсифицира, както би казал Карл Попер – възможността цезиевите атоми да се подчиняват на макрореалистична теория.

Вместо това експерименталните изводи на екипа от Бон отлично се вписват в интерпретация на основа на състоянието на суперпозиция, което се разрушава при провеждане на косвени измервания. Всичко, което ни остава, е да приемем, че атомът действително може да избира различни пътища едновременно.

„Това още не доказва, че квантовата механика работи с големи обекти – предупреждава Алберти. – Следващата крачка ще бъде разделянето на двете позиции на цезиевия атом на няколко милиметра. Ако все още откриваме суперпозиция в хода на този експеримент, макрореалистичната теория сериозно ще се разклати.“