Jedna molekula dvakrát! Kvantová superpozice dosáhla na rekordně těžký předmět
TLDR verze: Ve Vídni „naklonovali“ v kvantovém pokusu molekulu. Ale zní to méně divně, než se na první pohled zdá. Studie tu.
Dneska to bude trochu složitější
Cože? Molekula na dvou místech najednou? Co je to za magii! Inu, na aktuální vídeňský pokus došlo ve variaci známého Youngova experimentu (kterému se také říká dvojštěrbinový experiment, ale to zní trochu hodně jako něco z porna, takže mu tomu budu říkat Youngův expriment).
V jeho rámci Thomas Young už v roce 1801 dokázal, že světlo je vlnění. Což je divné, protože víme, že světlo má i částicovou povahu – neboli fotony. Ještě divnější se to ale stalo o století a fous později, kdy se ukázalo, že podobně duální povahu mají i elektrony. A další částice. A nakonec i celé atomy! A nyní molekuly!!!
Jak je to možné? Jednoduše lze pokrčit rameny a říct, že kvantový svět je prostě z pohledu naší logiky mešuge. Ale bude se nám to hodit popsat i trochu složitěji.
Když prochází světlo nějakou škvírou, obvykle vidíte její tvar krásně „obtisklý“ na druhé straně. Potud normální, totéž vám možná udělal někdy v létě stan, do kterého jste udělali omylem díru. Kdybyste stejnou dírou procpali třeba těsto, vytvoří to podobný svazek těstíčka procházejícího onou štěrbinou. Potud se vše chová jako částice – malé jakési „kuličky“ letící prostorem.
Je však třeba si uvědomit, že světlo ve skutečnosti jde trošičku i mimo obtisk. To je právě ta vlnová povaha světla, že se zahne i za roh té škvírky. Třeba taky takový zvuk je taky vlna, tak zkuste řvát na bráchu schovaného za rohem a jeho protivné odseknutí vám potvrdí, že se váš řev… pardon, zvuková vlna ohnul až za roh. U optiky je to „zahnutí“ výrazné hlavně pro prťavé škvírky, ale i tak jde prdlajz vidět.
V tom ale přichází chytrý pan Young, který fskutečnosti blbnul s dvěma dírkami v krabici a lapal světlo ze Slunce. Jestli je fakticky a opravdicky světlo vlna, tak musí podléhat interferenci (#neplést_si_s_hokejem). Vo co go? Zjednodušeně, když se dvě vlny potkají maximy, nejsou jen 2x vyšší ale ještě víc #wow. Naopak, když se vlny potkají opačně (jedna v minimu a druhá v maximu), tak se to vlastně celé vynuluje na velké prdlačky.
Vstříc kvantům podivností
Young teda udělal dvě štěrbinky vedle sebe, čímž vytvořil dva zdroje vlnění. Ty se tak naprosto krásně a silně posilují a nulují. Takže tam, kde by „měly“ být dva proužky světla, je řada světlých a tmavých proužků… No fskutečnosti i barviček, ale to jen proto, že sluneční „bílé“ světlo“ je složeno z více barev. Ale nebojte, celé to interferování funguje i jen s jednou jedinou barvou.
Vrátíme-li se k naší neupečené bábovce, je to jako kdyby ono těsto, které doposud procházelo štěrbinami v proužku, se najednou začalo prostorem vlnit jako mnohem fluidnější kapalina. Jako když do jezera vhodíte najednou dva kamínky (super vysvětlilo video Veritasium). #Bizár To ovšem pořád není všechno!
OK, tak nám spolu interagují za štěrbinou částice. Stane se. Jenže pak vědátoři začali štěrbinou střílet jenom jeden jediný (!) foton. Dokud procházel matrošem, v němž byla jediná štěrbina, výsledek byl v pohodě. Prostě prošel a trošku si zadifraktoval.
Ale jakmile se sem daly štěrbiny dvě, foton – jediný foton! – se začal chovat kvantově. I jediná částice jako kdyby interagovala za štěrbinami sama se sebou. Jako kousíček těsta, které se za štěrbinami chová jako kousíčků mnohem více!
To mi hlava nebere!
„Takže to je to nezbedné světlo“, řeknete si. Ale ksakru, ony se tak chovají i další částice. Takový elektron se nám ale taky nějak rozhodl, že #sám_se_sebou_je_to_fajn.
Je tedy hmota částicové povahy nebo má povahu vlnění? TLDR verze: obojí. Tohle je právě ona superpozice čili kombinací víc pozic najednou. Částice je před štěrbinami najednou ve dvou stavech. Projde oběma dírami a interaguje sama se sebou. Přesně tohle známe i jako onu Schrödingerovu kočku.
Ještě divnější věc ale je kolaps vlnové funkce, kdy se částice rozhodne jenom pro jeden stav, pokud ji pozorujeme. Pokud se totiž na jednu ze dvou štěrbin zaměří pozorování, jediný elektron znovu projde jenom jednou z obou děr! Tj. už nejde o vlnu. Má opět jenom částicové chování. Jako kdyby viděl, že se díváme, a začal se chovat spořádaně! Nezmar!
Zní to magicky, kolem podobných kvantových pokusů ostatně již vzniklo vlastní náboženství. Ale v reálu to není nic šíleného. Například to, že elektron při průchodu Youngovým experimentem změní během pozorování chování z vlny na částici, je dané tím, že samotné pozorování (tj. odněkud k nám létají fotony reportující o nějaké události) jaksi ovlivňuje energie toho experimentu (tj. fotony létající skrze nějakou událost).
Ve kvantovém světě jsou energie tak malé, že ovlivnění jevu jeho pozorováním dává stejnou logiku, jako když ovlivníte dopravu na dálnici tím, že si stoupnete do vozovky. Jak před váma začnou auta uhýbat, taky se nemůžete vymlouvat na to, že jste „jen pozorovatel“.
Doufám, že vám kontextová reklama doporučuje nějakou plácačku na auta.
Co s tím?
Tohle poslední samože nevysvětluje částicově-vlnovou dualitu, ale naznačuje to, že i její vysvětlení může být nakonec vlastně docela jednoduché. Nejspíše si prostě částice představujeme blbě a jejich povaha je divoká jako neosedlatelný bizon. Možná, že bychom vše pochopili lépe, kdybychom mohli kvantové jevy měřit na větší než mikroskopické škále, kdy nám pozorovací částice (vlny) neovlivňují pozorované částice (vlny).
Právě o to se experimentální fyzika snaží i aktuálním pokusem! V jeho rámci tým Vídeňské univerzity pod vedením Yaakova Feina totiž demonstroval stejnou dualitu nikoliv na shluku částic, ale na syntetické molekule (!) složené z až 2 tisícovek atomů!
Na přerod kvantových mikrojevů do makrosvěta (přičemž makrosvětem se typicky míní maximálně množina pár atomů, nikoliv stodola nebo auto) dochází samozřejmě už relativně běžně. Alespoň tedy v experimentální fyzice. Jenom v posledních dvou letech jsem několikrát psal o vzniku „exotické“ hmoty díky čachrům s Bose-Einsteinovým kondenzátem. Kdy v zásadě dojde na takové podchlazení shluku atomů, že na ně začnou kvantové jevy působit jako na celek, nikoliv na jednotlivé částice. Čím se to právě z mikrosvěta dostává do makrosvěta!
Ale nynější vídeňský pokus se navíc stal za pokojové teploty, čili bez Bose-Einsteinova dryjáku. Využíval totiž právě Youngova experimentu s dvojicí štěrbin. A také tentokrát se ukázalo, že jediná (!) syntetická molekula o 2 tisících atomech, vyslaná jako svazek ve vakuu, prochází oběma štěrbinami najednou a vytváří interferenci!
Haleluja, už brzy budeme moct procházet dvěma dveřmi na pány i na dámy zároveň! Bůra prohozený dírou ve stole vyjede jako dvě mince! Kdy se tedy můžeme se těšit na to, že začneme takhle klonovat hmotu i pro praktické účely? Brzy. Asi. Nikdy.
Vstříc dalším testům
Za prvé to totiž vlastně není zase tak šokantní. Už starší pokusy například dosáhly podobné superpozice hmoty na molekule o 810 atomech. Ve Vídni s něčím podobným ostatně experimentují dlouhodobě. Nynější průlom je zatím rekordmanem ve velikosti superpozice molekul, ale má to svou daň. Zdá se totiž, že krátkodobé dosažení superpozice je tím náročnější, do čím vyšších velikostí jdeme.
Není totiž snadné vysyntetizovat molekulu, která ustojí vyslání jako svazek skrze vakuum. Ale to bychom ještě mohli omluvit. Na druhou stranu, ani s takto těžkou molekulou nedošlo na předpovídaný samovolný kolaps vlnové funkce dle rostoucí hmotnosti. Jinak řečeno, částice/vlna by se měla být s to od jisté vyšší váhy sama se rozhodnout, jde-li o vlnu anebo částici, podle toho, kolik objekt váží. Což se nejspíše děje, protože kolem nás nevidíme zdvojující se kopačáky, domy nebo hvězdy.
Nyní ale víme, že tato hranice je teoreticky stejná či vyšší, než kolik vážila vídeňská molekula. Hypoteticky nám podobné srandy jednou můžou být třeba pro kvantové počítače. Až další posouvání či neposouvání této hranice nám napoví, kdy mikrosvět přestává být mikrosvětem a doroste do velikosti nám známého makrosvěta. Možná, že nám další měření podobných pokusů dodá i více munice pro vysvětlení duality a/nebo superpozice.
Ale možná, že se můžeme těšit ještě na další posouvání hranic toho, co je s to pochopit selský rozum těch oholených opic, kterým říkáme Homo sapiens!
[LL, JRN, TK]
Věda dovede divy nejen v kvantovém světě, ale i kosmologii:
Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol – podpořte i vy drobákem mojí snahu informovat o vědě věčně & vtipně a přispějte mi v kampani na Patreonu.
