Kvantu daļiņas var pastāvēt superpozīcijās, radot izaicinājumu klasiskajam reālismam. Legeta-Garga nevienlīdzība to pārbauda, un neitronu eksperimenti Vīnes Universitātē apstiprināja tās pārkāpumu, atbalstot kvantu teoriju.
Vai daba patiešām ir tik dīvaina, kā saka kvantu teorija, vai arī ir vienkāršāki skaidrojumi? Neitronu mērījumi ir pierādījuši, ka tie nedarbojas bez dīvainajām kvantu teorijas īpašībām.
Kvantu teorija ļauj daļiņām eksistēt superpozīcijas stāvokļos, izaicinot klasisko reālismu. Leggett-Garg nevienlīdzība to pārbauda, salīdzinot kvantu uzvedību ar klasiskajām cerībām. Nesenie neitronu staru eksperimenti Vīnes Universitātē apstiprināja, ka daļiņas pārkāpj šo nevienlīdzību, nostiprinot kvantu teorijas derīgumu salīdzinājumā ar klasiskajām interpretācijām.
Kvantu superpozīcija: vai daļiņas var atrasties divās vietās vienlaikus?
Vai daļiņa var atrasties divās dažādās vietās vienlaikus? Kvantu fizikā tas ir iespējams: kvantu teorija ļauj lietām vienlaikus atrasties dažādos stāvokļos – vai precīzāk: superpozīcijā, apvienojot dažādus novērojamos stāvokļus. Bet vai tas tiešām tā ir? Varbūt daļiņa ir ļoti specifiskā stāvoklī, ļoti konkrētā vietā, bet mēs to vienkārši nezinām?
Jautājums par to, vai kvantu objektu uzvedību var aprakstīt ar vienkāršu, klasiskāku teoriju, ir apspriests gadu desmitiem. 1985. gadā tika piedāvāts veids, kā to izmērīt: tā sauktā “Leģita-Garga nevienlīdzība”. Jebkurai teorijai, kas apraksta mūsu pasauli bez dīvainajiem kvantu teorijas superpozīcijas stāvokļiem, ir jāpakļaujas šai nevienlīdzībai. No otras puses, kvantu teorija to pārkāpj. Mērījumi ar neitroniem, lai pārbaudītu šo “Ligeta-Garga nevienādību”, pirmo reizi veikti Vīnes Tehnoloģiju universitātē – ar skaidru rezultātu: tiek pārkāpta Legeta-Garga nevienlīdzība, klasiskie skaidrojumi nav iespējami, un kvantu teorija uzvar. Rezultāti tagad ir publicēti žurnālā Materiālu apskata vēstules.
Leggett-Garga nevienādības pārkāpums, izmantojot ideālus negatīvus mērījumus neitronu interferometrijā. Autortiesības: Vīnes Tehnoloģiju universitāte
Fiziskā reālisma izpēte
Mēs parasti pieņemam, ka katram objektam ir noteiktas īpašības: bumba atrodas noteiktā vietā, tai ir noteikts ātrums un, iespējams, noteikts griešanās. Nav svarīgi, vai mēs skatāmies bumbu vai nē. Tam ir šīs īpašības objektīvi un neatkarīgi no mums. “Šis uzskats ir pazīstams kā “reālisms”,” saka Stefans Sponārs no Vīnes Universitātes Atomu institūta.
No savas ikdienas pieredzes mēs zinām, ka īpaši lieliem, makroskopiskiem objektiem ir jāievēro šis noteikums. Kā zināms, makroskopiskus objektus var novērot, tos būtiski neietekmējot. Mērījums situāciju būtiski nemaina. Šos pieņēmumus kopā dēvē par “makroskopisko reālismu”.
Kvantu teorija un makroskopiskais reālisms
Bet kvantu teorija, kādu mēs to pazīstam šodien, ir teorija, kas pārkāpj šo makroskopisko reālismu. Ja kvantu daļiņai ir iespējami dažādi stāvokļi, piemēram, dažādas pozīcijas, dažādi ātrumi vai dažādas enerģijas vērtības, tad iespējama arī jebkura šo stāvokļu kombinācija. Vismaz tik ilgi, kamēr šis nosacījums nav izmērīts. Mērīšanas laikā superpozīcijas stāvoklis tiek iznīcināts: mērījums liek daļiņai pieņemt lēmumu par labu kādai no iespējamām vērtībām.
Tomēr kvantu pasaulei jābūt loģiski saistītai ar makroskopisko pasauli – lieli objekti galu galā sastāv no mazām kvantu daļiņām. Principā kvantu teorijas noteikumiem būtu jāattiecas uz visu.
Tātad jautājums ir šāds: vai ir iespējams novērot uzvedību “lielos” objektos, kas nav savienojami ar mūsu intuitīvo makroskopiskā reālisma priekšstatu? Vai makroskopiskie objekti var arī parādīt skaidras kvantu īpašību pazīmes?
Izpratne par Legeta-Garga nevienlīdzību
1985. gadā fiziķi Entonijs Džeimss Legets un Anupams Gargs publicēja formulu, pēc kuras var pārbaudīt makroskopisko reālismu: Legeta-Garga nevienlīdzību. “Tā ideja ir līdzīga slavenākajai Bela nevienlīdzībai, par kuru 2022. gadā tiks piešķirta Nobela prēmija fizikā,” saka Elizabete Kreuzgrubere, šī raksta pirmā autore daļiņas izturēšanās ir saistīta ar citu kvantu sapinušo daļiņu.” ?
Spēcīgāki savienojumi, nekā pieļauj klasiskā fizika
Leggets un Gargs izvirzīja hipotēzi, ka objektu var izmērīt trīs dažādos laikos, un katram mērījumam var būt divi dažādi rezultāti. Pat ja mēs vispār neko nezinātu par to, vai un kā šī ķermeņa stāvoklis laika gaitā mainās, mēs joprojām varam analizēt, cik spēcīgi rezultāti dažādos laika punktos ir statistiski saistīti viens ar otru.
Ir iespējams matemātiski pierādīt, ka šo korelāciju stiprums nekad nevar pārsniegt noteiktu līmeni – pieņemot, ka kopējais reālisms ir patiess. Legets un Gargs spēja pierādīt nevienlīdzību, kurai vienmēr jābūt patiesai katrā holistiskā reālistiskā teorijā, neatkarīgi no jebkādām detaļām, kas saistītas ar teoriju.
Bet, ja objekts ievēro kvantu teorijas noteikumus, starp mērījumu rezultātiem trīs dažādos laika punktos vajadzētu būt ievērojami spēcīgākām statistiskām korelācijām. Ja ķermenis atrodas dažādos stāvokļos vienlaikus starp mērījumu laikiem, tam, saskaņā ar Legget un Garg, vajadzētu radīt spēcīgāku korelāciju starp trim mērījumiem.
Neitronu stari: centimetru lieli kvantu objekti
“Tomēr šo jautājumu nav viegli izmeklēt eksperimentāli,” saka Ričards Vāgners. “Ja mēs vēlamies pārbaudīt makroskopisko reālismu, mums ir nepieciešams objekts, kas noteiktā nozīmē ir makroskopisks, tas ir, tā izmērs ir salīdzināms ar mūsu parasto ikdienas priekšmetu izmēru.” Bet tajā pašā laikā ķermenim ir jābūt iespējai parādīt kvantitatīvās īpašības.
“Neitronu stari, kā mēs tos izmantojam neitronu interferometros, ir ideāli piemēroti šim nolūkam,” saka Hartmuts Lemmels, kurš ir atbildīgs par S18 instrumentu Laue-Langevin institūtā (ILL) Grenoblē, kur tika veikts eksperiments. Neitronu interferometrā, ideālā kristāliskā silīcija interferometrā, ko pirmo reizi veiksmīgi izmantoja Vīnes Tehnoloģiju universitātes Atomu institūtā 1970. gadu sākumā, ienākošais neitronu stars tiek sadalīts divos daļējos staros pie pirmās kristāla plāksnes un pēc tam rekombinēts ar citu silīcijs. Tādējādi ir divi dažādi veidi, kā neitroni var pārvietoties no avota uz detektoru.
“Kvantu teorija saka, ka katrs neitrons pārvietojas pa abiem ceļiem vienlaikus. Tomēr divi daļējie stari atrodas vairāku centimetru attālumā viens no otra. Savā ziņā mums ir darīšana ar kvantu objektu, kas ir masīvs pēc kvantu standartiem,” saka Nīls Gerits.
Legeta-Garga nevienlīdzības pārkāpums, izmantojot neitronus
Izmantojot sarežģītu vairāku neitronu mērījumu kombināciju, Vīnes Tehnoloģiju universitātes komanda varēja pārbaudīt Legeta-Garga nevienlīdzību, un rezultāts bija skaidrs: nevienlīdzība ir pārkāpta. Neitroni uzvedas tādā veidā, ko nevar izskaidrot ar nevienu reālistisku teoriju makro līmenī. Tie faktiski ceļo pa diviem ceļiem vienlaikus un atrodas vienlaikus dažādās vietās, centimetru attālumā viens no otra. Tādējādi doma, ka “neitrons var pārvietoties tikai pa vienu no diviem ceļiem, bet mēs nezinām, kuru” tika noraidīta.
“Mūsu eksperiments pierāda, ka daba patiešām ir tik dīvaina, kā to apgalvo kvantu teorija. Neatkarīgi no tā, kādu reālistisku klasisko teoriju jūs nākat klajā: tā nekad nespēs izskaidrot realitāti. Tas nedarbojas bez kvantu fizikas,” saka Stefans Sponārs.
Atsauce: “Ligeta-Garga nevienlīdzības pārkāpums, izmantojot ideālus negatīvus mērījumus neitronu interferometrijā”, Elizabete Kreuzgrubere, Ričards Vāgners, Nils Gerits, Hartmuts Lemmels un Stefans Sponārs, 2024. gada 24. jūnijs, Materiālu apskata vēstules.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.260201
