Studiuesit vëzhgojnë një sjellje kuantike karakteristike në pikat që kërcejnë

Në botën tonë të përditshme klasike, ajo që shihni është ajo që merrni. Një top është thjesht një top dhe kur futet në ajër, trajektorja e tij është e drejtpërdrejtë dhe e qartë. Por nëse ai top do të zvogëlohej në madhësinë e një atomi ose më të vogël, sjellja e tij do të zhvendosej në një realitet kuantik dhe të paqartë. Topi do të ekzistonte jo vetëm si një grimcë fizike, por edhe si një valë e gjendjeve të mundshme të grimcave. Dhe ky dualitet valë-grimcë mund të shkaktojë disa fenomene të çuditshme.

Një nga perspektivat e huaja vjen nga një eksperiment mendimi i njohur si “testuesi i bombës kuantike.” Eksperimenti propozon që një grimcë kuantike, siç është një foton, mund të veprojë si një lloj detektori telekinetik bombë. Nëpërmjet vetive të tij si grimcë dhe valë, fotoni, në teori, mund të ndjejë praninë e një bombe pa ndërvepruar fizikisht me të.

Koncepti kontrollohet matematikisht dhe është në përputhje me atë që lejojnë ekuacionet që rregullojnë mekanikën kuantike. Por kur vjen puna për të përcaktuar saktësisht se si një grimcë do të realizonte një arritje të tillë të nuhatjes së bombës, fizikantët mbeten të habitur. Rebusi qëndron në një grimcë kuantike në thelb të lëvizshme, në mes, të papërcaktueshme. Me fjalë të tjera, shkencëtarët thjesht duhet të besojnë se funksionon.

Por matematikanët në MIT shpresojnë të shpërndajnë një pjesë të misterit dhe në fund të krijojnë një pamje më konkrete të mekanikës kuantike. Ata tani kanë treguar se mund të rikrijojnë një analog të testuesit të bombës kuantike dhe të gjenerojnë sjelljen që parashikon eksperimenti. Ata e kanë bërë këtë jo në një mjedis ekzotik, mikroskopik, kuantik, por në një strukturë në dukje të zakonshme, klasike, tavoline.

Në një punim të botuar më 12 dhjetor në Physical Review A, ekipi raporton rikrijimin e testuesit kuantik të bombës në një eksperiment me një studim të pikat kërcyese. Ekipi zbuloi se ndërveprimi i pikës me valët e veta është i ngjashëm me sjelljen e grimcave kuantike të valës së fotonit: Kur hidhet në një konfigurim të ngjashëm me atë që propozohet në testin e bombës kuantike, pika sillet saktësisht në e njëjta mënyrë statistikore që parashikohet për fotonin. Nëse do të kishte vërtet një bombë në konfigurim 50% të rasteve, pika, si fotoni, do ta zbulonte atë, pa ndërvepruar fizikisht me të, 25% të rasteve.

Fakti që statistikat në të dy eksperimentet përputhen, sugjeron që diçka në dinamikën klasike të pikës mund të jetë në zemër të sjelljes kuantike misterioze të një fotoni. Studiuesit e shohin studimin si një tjetër urë lidhëse midis dy realiteteve: botës së vëzhgueshme, klasike dhe sferës kuantike më të paqartë.

“Këtu kemi një sistem klasik që jep të njëjtat statistika që lindin në testin e bombës kuantike, e cila konsiderohet si një nga mrekullitë e botës kuantike”,” thotë autori i studimit John Bush, profesor i matematikës së aplikuar në MIT. “Në fakt, ne zbulojmë se në fund të fundit fenomeni nuk është aq i mrekullueshëm. Dhe ky është një shembull tjetër i sjelljes kuantike që mund të kuptohet nga një këndvështrim realist lokal.”

Bashkëautori i Bushit është ish-postdokumentari i MIT Valeri Frumkin.

Për disa fizikantë, mekanika kuantike i lë shumë imagjinatës dhe nuk thotë mjaftueshëm për dinamikën aktuale nga e cila supozohet se lindin fenomene të tilla të çuditshme. Në vitin 1927, në një përpjekje për të kristalizuar mekanikën kuantike, fizikanti Louis de Broglie prezantoi teorinë e valës pilot – një ide ende e diskutueshme që paraqet sjelljen kuantike të një grimce nuk përcaktohet nga një valë e paprekshme, statistikore e gjendjeve të mundshme, por nga një “pilot” valë e krijuar vetë, që e udhëheq grimcën nëpër hapësirë.

Koncepti u zvogëlua kryesisht deri në vitin 2005, kur fizikani Yves Couder zbuloi se valët kuantike të de Broglie mund të përsëriten dhe studiohen në një eksperiment klasik të bazuar në lëngje. Konfigurimi përfshin një banjë me lëng që është krijuar për të dridhur delikate lart e poshtë, megjithëse jo mjaftueshëm për të gjeneruar valë vetë.

Një pikëz e të njëjtit lëng me përmasa milimetrash shpërndahet më pas mbi banjë dhe ndërsa kërcehet nga sipërfaqja, pika rezonon me dridhjet e banjës, duke krijuar atë që fizikanët e njohin si një fushë valore në këmbë që “piloton, ” ose e shtyn pikën përgjatë. Efekti është i një pikëze që duket se ecën përgjatë një sipërfaqe të valëzuar në modele që rezultojnë të jenë në përputhje me teorinë e valës pilot të de Broglie.

Për 13 vitet e fundit, Bush ka punuar për të rafinuar dhe zgjeruar eksperimentet e valëve pilot hidrodinamike të Couder dhe ka përdorur me sukses konfigurimin për të vëzhguar pikat që shfaqin sjellje emergjente, të ngjashme me kuantike, duke përfshirë tunelizimin kuantik, difraksionin me një grimcë dhe surrealitetin. trajektoret.

“Rezulton se ky eksperiment i valëve pilot hidrodinamike shfaq shumë karakteristika të sistemeve kuantike të cilat më parë mendohej se ishin të pamundura për t’u kuptuar nga një këndvështrim klasik,” thotë Bush.

Në studimin e tyre të ri, ai dhe Frumkin morën testuesin e bombës kuantike. Eksperimenti i mendimit fillon me një interferometër konceptual – në thelb, dy korridore me të njëjtën gjatësi që degëzohen nga e njëjta pikënisje, pastaj kthehen dhe konvergojnë, duke formuar një konfigurim të ngjashëm me rombin ndërsa korridoret vazhdojnë, secili përfundon në një detektor përkatës.

Sipas mekanikës kuantike, nëse një foton shkrepet nga pika e fillimit të interferometrit, përmes një ndarës rrezesh, grimca duhet udhëtoni nëpër një nga dy korridoret me probabilitet të barabartë. Ndërkohë, “funksioni valor” misterioz i fotonit,” ose shuma e të gjitha gjendjeve të saj të mundshme, udhëton në të dy korridoret njëkohësisht.

Funksioni i valës ndërhyn në një mënyrë të tillë për të siguruar që grimca të shfaqet vetëm në një detektor (le ta quajmë këtë D1) dhe kurrë në tjetrin (D2). Prandaj, fotoni duhet të zbulohet në D1 100% të kohës, pavarësisht nga korridori që ka kaluar.

Nëse ka një bombë në një nga dy korridoret, dhe një foton drejtohet poshtë këtij korridori, në mënyrë të parashikueshme aktivizon bombën dhe konfigurimi shpërthehet në copa, dhe asnjë foton nuk zbulohet në asnjërin detektor. Por nëse fotoni udhëton nëpër korridor pa bombën, ndodh diçka e çuditshme: Funksioni i valës së tij, gjatë udhëtimit nëpër të dy korridoret, shkurtohet në një nga bomba.

Duke qenë se nuk është një grimcë, vala nuk e nis bombën. Por ndërhyrja e valës ndryshohet në atë mënyrë që grimca do të zbulohet me probabilitet të barabartë në D1 dhe D2. Prandaj, çdo sinjal në D2 do të thotë se një foton ka zbuluar praninë e bombës, pa ndërvepruar fizikisht me të. Nëse bomba është e pranishme 50% të kohës, atëherë ky zbulim i çuditshëm i bombës kuantike duhet të ndodhë 25% të rasteve.

Në studimin e tyre të ri, Bush dhe Frumkin krijuan një eksperiment analog për të parë nëse kjo sjellje kuantike mund të shfaqej në pikat klasike. Në një banjë me vaj silikoni, ata zhytën një strukturë të ngjashme me korridoret e ngjashme me romb në eksperimentin e mendimit. Më pas ata shpërndanë me kujdes pika të vogla vaj në banjë dhe gjurmuan shtigjet e tyre. Ata shtuan një strukturë në njërën anë të rombit për të imituar një objekt të ngjashëm me bombë dhe vëzhguan se si pika dhe modelet e saj të valëve ndryshuan në përgjigje.

Në fund, ata zbuluan se 25% të rasteve një pikëz kërcente nëpër korridor pa “bombën” ndërsa valët e saj pilot ndërvepruan me strukturën e bombës në një mënyrë që e shtynë pikën larg bombës. Nga ky këndvështrim, pika ishte në gjendje të “ndjente” objekti i ngjashëm me bombë pa rënë fizikisht në kontakt me të.

Ndërsa pika shfaqte sjellje të ngjashme me atë kuantike, ekipi mund të shihte qartë se kjo sjellje dilte nga valët e pikës, të cilat ndihmuan fizikisht për ta mbajtur pikën larg bombës. Këto dinamika, thotë ekipi, mund të ndihmojnë gjithashtu për të shpjeguar sjelljen misterioze në grimcat kuantike.

“Jo vetëm që statistikat janë të njëjta, por ne e dimë edhe dinamikën, e cila ishte një mister,” thotë Frumkin. “Dhe përfundimi është se një dinamikë analoge mund të jetë në themel të sjelljes kuantike.”

“Ky sistem është i vetmi shembull që ne njohim, i cili nuk është kuantik, por ndan disa veti të forta të grimcave valore,” thotë fizikani teorik Matthieu Labousse, nga ESPCI Paris, i cili nuk ishte i përfshirë në studim. “Është shumë e habitshme që shumë shembuj që mendohen të jenë të veçantë për botën kuantike mund të riprodhohen nga një sistem i tillë klasik. Ai mundëson të kuptojmë pengesën midis asaj që është specifike për një sistem kuantik dhe asaj që nuk është. Rezultatet e fundit të grupit në MIT e çojnë barrierën shumë larg.”