Kvantu fizikas pasaulē notikumi attīstās ar pārsteidzošu ātrumu. Procesi, kas iepriekš tika uzskatīti par notiekošiem vienā mirklī, piemēram, kvantu sapīšanās, tagad tiek pētīti mazākajās sekundes daļās.
Tas ir kā iesaldēt īslaicīgu mirkli, lai atklātu sīkas detaļas, kas ir paslēptas skaidri redzamā vietā.
Sadarbībā ar pētnieku komandu no Ķīnas, profesoru Joahimu Burgdorferu un kolēģiem no Teorētiskās fizikas institūts TU Wien mēs izmērām šos īslaicīgos mirkļus, lai saprastu, kā patiesībā notiek kvantu sapīšanās.
Šie zinātnieki nav koncentrējušies uz kvantu sapīšanās esamību, bet vēlas atklāt, kā tas sākas – kā tieši divas daļiņas sapinās kvantā?
Kvantu sapīšanās izpratne
Izmantojot uzlabotas datorsimulācijas, viņi varēja aplūkot procesus, kas notiek attosekundes laika mērogā – sekundes miljarddaļās.
Kvantu sapīšanās ir dīvaina un brīnišķīga parādība, kurā divas daļiņas kļūst tik savstarpēji saistītas, ka tām ir viens stāvoklis.
Tas ir tāpat kā divas maģiskas monētas, kas vienmēr atrodas vienā pusē — apmetiet vienu, un otra noslēpumaini parādīs tādu pašu rezultātu, pat ja tās atrodas jūdžu attālumā viena no otras.
“Var teikt, ka daļiņām nav atsevišķu īpašību, bet tikai kopīgas īpašības. No matemātiskā viedokļa tās ir cieši saistītas, pat ja tās atrodas pilnīgi dažādās vietās,” skaidro profesors Burgdorfers.
Tas nozīmē, ka vienas daļiņas mērījums uzreiz ietekmē otras daļiņas stāvokli neatkarīgi no attāluma starp tām.
Vienkārši sakot, sapītajām daļiņām ir kopīgs savienojums, kas ļauj tām uzreiz “sarunāties” vienai ar otru. Izmēriet vienu daļiņu, un jūs uzreiz kaut ko uzzināsit par tās partneri.
Šī dīvainā uzvedība izaicina mūsu ikdienas izpratni par to, kā pasaule darbojas, padarot sapinšanos par vienu no prātam neaptveramākajiem jēdzieniem kvantu fizikā.
Lāzera un elektronu eksperimenti
Lai gan kvantu sapīšanās jēdziens šķiet nesaprotams, tas vairs nav diskusiju temats, vai tas ir patiess vai nē, un par to nav šis pētījums.
“Mūs, no otras puses, interesē kaut kas cits, proti, noskaidrot, kā šī sapīšanās vispār attīstījusies un kāda ir fiziska ietekme ļoti īsā laika posmā,” saka profesore Eva Brezinova, viena no pētījuma autori. Pašreizējais ieraksts.
Lai to izpētītu, komanda aplūkoja atomus, kurus skāra intensīvs augstfrekvences lāzera impulss. Iedomājieties, ka ar superjaudīgu lukturīti apspīdētu atomu.
Viens no elektroniem kļūst tik satraukts, ka atraujas un aizlido. Ja lāzers ir pietiekami jaudīgs, arī cits elektrons atoma iekšienē piedzīvo grūdienu, pārejot uz augstāku enerģijas līmeni un mainot savu orbītu ap kodolu.
Tātad pēc šī intensīvā gaismas uzliesmojuma viens elektrons atdalās pats no sevis, atstājot otru aiz muguras, bet ne gluži tādu pašu kā iepriekš.
“Mēs varam parādīt, ka šie divi elektroni tagad ir kvantu sapinušies,” saka profesors Burgdorfers. “Jūs varat tos analizēt tikai kopā, un jūs varat veikt mērījumus vienam elektronam un vienlaikus uzzināt kaut ko par otru elektronu.”
Kad laiks kļūst neskaidrs
Šeit lietas kļūst patiešām interesantas. Elektronam, kas aizlido, nav konkrēta brīža, kad tas atstāj atomu.
“Tas nozīmē, ka aizlidojošā elektrona dzimšanas laiks principā nav zināms. “Varētu teikt, ka elektrons pats nezina, kad tas atstāja atomu,” atzīmē profesors Burgdorfers.
Tas atrodas tā sauktajā kvantu superpozīcijā, kas nozīmē, ka tā pastāv vairākos stāvokļos vienlaikus.
Bet ir vairāk. Laiks, kurā elektrons aiziet, ir saistīts ar elektrona enerģijas stāvokli, kas paliek aiz muguras.
Ja atlikušajam elektronam ir lielāka enerģija, visticamāk, ka aizejošais elektrons aizgāja agrāk. Ja tas būtu zemākas enerģijas stāvoklī, elektrons, visticamāk, aizietu vēlāk – vidēji pēc aptuveni 232 attosekundēm.
Mērīt to, ko nevar izmērīt
Totosekunde ir tik īsa, ka lielākā daļa cilvēku to nespēj saprast. Tomēr šīs nelielās atšķirības nav tikai teorētiskas.
“Šīs atšķirības var ne tikai aprēķināt, bet arī izmērīt, izmantojot eksperimentus,” saka profesors Burgdorfers.
Komanda izstrādāja mērījumu protokolu, kas apvieno divus dažādus lāzera starus, lai uztvertu šo nenotveramo laiku.
Viņi jau sadarbojas ar citiem pētniekiem, kuri vēlas pārbaudīt un uzraudzīt šīs īpaši ātrās sapīšanās laboratorijā.
Kāpēc kvantu sapīšanās ir svarīga?
Izpratne par to, kā sapīšanās formām var būt liela ietekme uz kvantu tehnoloģijām, piemēram, kriptogrāfiju un skaitļošanu.
Tā vietā, lai tikai mēģinātu saglabāt sapīšanos, zinātnieki tagad var izpētīt tās sākumu. Tas var radīt jaunus veidus, kā kontrolēt kvantu sistēmas un uzlabot kvantu sakaru drošību.
Ceļojums šeit neapstājas. Profesors Burgdorfers un viņa komanda ir sajūsmā par nākamajiem soļiem.
“Mēs jau risinām sarunas ar pētnieku grupām, kas vēlas pierādīt šādus īpaši ātrus sajaukšanos.”
Izpētot šīs ļoti īsās laika skalas, viņi ne tikai novēro kvantu efektus, bet arī no jauna definē to, kā mēs saprotam realitātes struktūru.
Kvantu sapīšanās un nākotne
Ir skaidrs, ka kvantu pasaulē pat visīsākajos brīžos ir daudz informācijas.
“Elektrons nelec tikai no atoma, tas ir vilnis, kas nāk no atoma, tā sakot, un tas aizņem noteiktu laiku,” skaidro Eva Breženova.
“Tieši šajā posmā notiek sapīšanās,” viņa secina, “un tās ietekmi vēlāk var precīzi izmērīt, uzraugot divus elektronus.”
Tāpēc nākamreiz, kad mirkšķināsit, atcerieties, ka mazāk nekā triljonajā daļā šī laika atklājas veseli kvantu notikumi, atklājot noslēpumus, kas varētu mainīt tehnoloģiju nākotni un mūsu izpratni par Visumu.
Pilns pētījums tika publicēts žurnālā Fiziskās apskates vēstules.
—–
Patīk tas, ko es lasīju? Abonējiet mūsu biļetenu, lai iegūtu saistošus rakstus, ekskluzīvu saturu un jaunākos atjauninājumus.
Apmeklējiet mūs EarthSnap — bezmaksas lietotnē, ko jums piedāvā Ēriks Ralls un Earth.com.
—–
