Apie atomą ir jo veidrodinį atspindį

Stovėdami priešais veidrodį, mes galime lengvai atskirti save nuo veidrodžio sukuriamo atspindžio. Nors veidrodis visiškai neturi jokios įtakos mūsų judėjimui, to paties negalima pasakyti apie kvantines daleles. Įspūdingo eksperimento metu grupelė fizikų iš Heidelbergo universiteto kartu su kolegomis iš Miuncheno (abu Vokietija) ir Vienos (Austrija) technikos universitetų panaikino skirtumą tarp dalelės ir jos veidrodinio atspindžio. Šio eksperimento rezultatai aprašyti prestižiniame „Nature Physics“ žurnale.

Kuomet atomas tam tikra kryptimi išspinduliuoja šviesos kvantą (fotoną), jis šiek tiek atšoka į priešingą pusę. Jeigu pavyksta užregistruoti fotoną, tuomet sužinoma informacija apie jį išspinduliavusio atomo judėjimą. Mokslininkams patalpinus atomą prie pat veidrodžio, galimi du keliai, kuriais fotonas pasiektų stebėtoją: fotonas gali būti išspinduliuotas tiesiai stebėtojo kryptimi arba išspinduliuotas priešinga kryptimi, kas tuomet reikštų, jog fotonas atsispindėtų nuo veidrodžio. Jeigu neįmanoma išsiaiškinti, kuris variantas pasireiškia kuriuo atveju, atomo judėjimas tampa neapibrėžtas, todėl jį galima aprašyti abiejų kelių superpozicija.

„Jeigu atstumas tarp veidrodžio ir atomo yra labai mažas, fiziškai neįmanoma pamatyti skirtumo tarp šių dviejų kelių“, – teigia Heidelbergo universiteto doktorantas Jiris Tomkovičius (Jiri Tomkovic). Tiesiog nebeįmanoma atskirti dalelės nuo jos veidrodinio atspindžio, nes atomas tuo pačiu metu juda veidrodžio link ir priešinga kryptimi. Tai gali skambėti kiek keistokai, nes tokia situacija visiškai neįmanoma mūsų klasikinės fizikos (makroskopinių objektų) pasaulyje. Tačiau kvantinėje fizikoje tokios superpozicijos yra neblogai žinomi reiškiniai. „Šis atomo būsenos neapibrėžtumas nereiškia, kad matavimams trūksta tikslumo, – antrina kolega iš Vienos technikos universiteto Jorgas Šmadmajeris (Jörg Schmiedmayer). – Tai fundamentali kvantinės fizikos savybė: dalelė tuo pačiu metu yra dviejose galimose būsenose, jų superpozicijoje“. Eksperimento metu dvi atomo judėjimo būsenos – link veidrodžio ir nuo veidrodžio – yra susiejamos Brago difrakcija, kuri pasireiškia nuo lazerio spinduliuotės suformuojamos gardelės. Stebėdami interferenciją, mokslininkai iš tikrųjų tiesiogiai įsitikino, jog atomas tuo pačiu metu juda dviem kryptimis.

Toks bandymas primena žymųjį dviejų plyšelių eksperimentą, kurio metu dalelė yra nukreipiama į dviejų plyšelių plokštumą ir dėl savo banginės prigimties vienu metu praeina pro abu plyšelius. Einšteinas yra teigęs, jog toks atvejis yra įmanomas tiktai tada, kai neįmanoma apibrėžti, kurį kelią dalelė iš tikrųjų pasirinko, netgi itin tiksliais pačios plokštumos poslinkio (atatrankos) matavimais. Kai tik atsiranda bent teorinė galimybė išsiaiškinti dalelės kelią, kvantinė superpozicija suyra. „Mūsų atveju, fotonai vaidina praktiškai analogišką dviejų plyšelių vaidmenį, – pasakoja Markusas Obertaleris (Markus Oberthaler) iš Heidelbergo universiteto. – Jeigu šviesa mums gali padėti nustatyti atomo judėjimą, tada judėjimas tampa vienareikšmiškai apibrėžtas. Superpozicijos būsena galima tik tada, kai judėjimas yra fundamentaliai nenuspėjamas“. Ir šį fundamentalų nenuspėjamumą užtikrina veidrodis.

Tokių superpozicijų susidarymo sąlygų tyrimas kvantinėje fizikoje tapo labai svarbus. J. Šmadmajeriui ir M. Obertaleriui mintis apie šį eksperimentą kilo jau prieš kelerius metus. „Pats žaviausias šio bandymo aspektas yra tas, kad kvantinės superpozicijos būseną galima sukurti nenaudojant jokių išorinių laukų, tik veidrodį“, – džiaugiasi mokslininkai. Eksperimentuotojui nereikia imtis jokių sudėtingų operacijų, kad išnyktų skirtumai tarp dalelės ir jos veidrodinio atspindžio.