Kwantowa rzeczywistość: Gdy cząstki kwantowe łamią prawa klasycznej fizyki

Choć nasze intuicyjne postrzeganie rzeczywistości wydaje się oczywiste na co dzień, to w najmniejszej skali świat staje się zaskakująco nieprzewidywalny. Fizycy od dawna zmagają się z tym paradoksem, próbując zrozumieć, jak funkcjonuje rzeczywistość na poziomie kwantowym.

Nowe badania przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu rzucają kolejne światło na ten problem. Wyniki eksperymentu z neutronami pokazują, że cząstki kwantowe mogą istnieć w dwóch miejscach jednocześnie, co jest niemożliwe w ramach klasycznej fizyki.

Na poziomie makroskopowym, w naszym codziennym doświadczeniu, rzeczywistość wydaje się stabilna i deterministyczna. Obiekty mają określone położenie i pęd, a ich zachowanie można przewidzieć na podstawie praw klasycznej fizyki. Jednak gdy zaczynamy badać świat na poziomie cząstek elementarnych, ten obraz ulega radykalnej zmianie.

Aby lepiej zrozumieć tę rzeczywistość, fizycy musieli opracować zupełnie nowe ramy teoretyczne, oparte na prawdopodobieństwie, a nie na pewności. Tak narodziła się teoria kwantowa, która opisuje szereg zjawisk, od splątania po superpozycję.

Image

Pomimo ponad wieku eksperymentów potwierdzających użyteczność teorii kwantowej w wyjaśnianiu zaobserwowanych zjawisk, trudno jest nam porzucić “klasyczny” obraz budulców Wszechświata jako niezawodnych elementów w czasie i przestrzeni. Nawet Einstein zadawał pytanie, czy naprawdę wierzymy, że Księżyc nie istnieje, gdy na niego nie patrzymy.

Nowe badania przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu dostarczają kolejnego dowodu na to, że klasyczna fizyka nie wystarcza do wyjaśnienia zjawisk kwantowych. Kluczem do tego eksperymentu była nierówność Leggetta-Garga, która mówi, że system zawsze znajduje się w jednym z dostępnych mu stanów, a nasze pomiary nie wpływają na ten wynik.

W eksperymencie naukowcy wystrzelili wiązkę neutronów w interferometrze neutronowym. Wiązka ta rozdzieliła się na dwie części, z których każda podążała odrębną ścieżką, zanim zostały one ponownie połączone. Zgodnie z klasyczną fizyką, neutrony powinny podążać tylko jedną ścieżką. Tymczasem wyniki pokazały, że neutrony istniały jednocześnie na obu ścieżkach, łamiąc prawa makroskopowej rzeczywistości.

Kwantowa teoria mówi, że każdy pojedynczy neutron podróżuje po obu ścieżkach jednocześnie. Jednak dwie częściowe wiązki są oddalone od siebie o kilka centymetrów. W pewnym sensie mamy do czynienia z obiektem kwantowym, który jest ogromny w skali kwantowej.

Wyniki tego eksperymentu potwierdzają, że aby opisać rzeczywistość, w której żyjemy, potrzebujemy teorii kwantowej. Żadna klasyczna, makroskopowo realistyczna teoria nie będzie w stanie wyjaśnić tej dziwnej kwantowej rzeczywistości. Ten eksperyment pokazuje, że natura jest naprawdę tak dziwna, jak twierdzi teoria kwantowa. Bez fizyki kwantowej po prostu się nie uda.