Dzięki fizyce kwantowej gigantyczne cząsteczki mogą znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie.
To, o czym naukowcy od dawna wiedzą, jest teoretycznie prawdziwe na podstawie kilku faktów: każda cząstka lub grupa cząstek we wszechświecie jest również falą - nawet duże cząstki, nawet bakterie, nawet ludzie, nawet planety i gwiazdy. A fale zajmują wiele miejsc w przestrzeni jednocześnie. Tak więc każdy kawałek materii może zajmować jednocześnie dwa miejsca. Fizycy nazywają to zjawisko „superpozycją kwantową” i przez dziesięciolecia demonstrowali to za pomocą małych cząstek.
Ale w ostatnich latach fizycy zwiększyli swoje eksperymenty, wykazując superpozycję kwantową przy użyciu coraz większych cząstek. Teraz w artykule opublikowanym 23 września w czasopiśmie Nature Physics międzynarodowy zespół naukowców spowodował, że cząsteczka złożona z maksymalnie 2000 atomów zajmuje dwa miejsca jednocześnie.
Aby to osiągnąć, naukowcy zbudowali skomplikowaną, zmodernizowaną wersję serii słynnych starych eksperymentów, które najpierw wykazały superpozycję kwantową.
Naukowcy od dawna wiedzieli, że światło wystrzeliwane przez arkusz z dwoma szczelinami stworzy wzór interferencyjny lub serię jasnych i ciemnych frędzli na ścianie za arkuszem. Ale światło rozumiano jako falę bezmasową, a nie coś z cząstek, więc nie było to zaskakujące. Jednak w serii słynnych eksperymentów z lat dwudziestych XX wieku fizycy wykazali, że elektrony wystrzeliwane przez cienkie filmy lub kryształy zachowują się w podobny sposób, tworząc wzory podobne do światła na ścianie za materiałem dyfrakcyjnym.
Gdyby elektrony były po prostu cząstkami, a więc mogłyby zajmować tylko jeden punkt w przestrzeni, tworzyłyby dwa paski, z grubsza kształt szczelin, na ścianie za błoną lub kryształem. Zamiast tego elektrony uderzyły w tę ścianę złożonymi wzorami, co sugeruje, że elektrony interferowały ze sobą. To znamienny znak fali; w niektórych miejscach szczyty fal pokrywają się, tworząc jaśniejsze regiony, podczas gdy w innych miejscach szczyty pokrywają się z dolinami, więc oba się znoszą i tworzą ciemny obszar. Ponieważ fizycy już wiedzieli, że elektrony mają masę i są zdecydowanie cząstkami, eksperyment wykazał, że materia działa zarówno jako pojedyncze cząstki, jak i fale.
Ale jedno jest stworzenie wzoru interferencji z elektronami. Robienie tego z gigantycznymi cząsteczkami jest znacznie trudniejsze. Większe cząsteczki mają trudniejsze do wykrycia fale, ponieważ bardziej masywne obiekty mają krótsze długości fali, co może prowadzić do ledwo dostrzegalnych wzorów interferencyjnych. I te cząsteczki 2000 atomów mają długości fali mniejsze niż średnica pojedynczego atomu wodoru, więc ich wzór interferencji jest znacznie mniej dramatyczny.
Aby przeprowadzić eksperyment podwójnych szczelin dla dużych rzeczy, naukowcy zbudowali maszynę, która może wystrzelić wiązkę molekuł (skulenie rzeczy zwanych „oligo-tetrafenyloporfirynami wzbogaconymi o łańcuchy fluoroalkilosulfanylowe”, o masie ponad 25 000 razy większej niż zwykły atom wodoru ) przez szereg rusztów i arkuszy z wieloma szczelinami. Wiązka miała około 2 metry długości. To wystarczająco duże, że naukowcy musieli wziąć pod uwagę czynniki takie jak grawitacja i rotacja Ziemi podczas projektowania emitera wiązki, jak napisali naukowcy w artykule. Utrzymywali również cząsteczki dość ciepło w eksperymencie z fizyki kwantowej, więc musieli wziąć pod uwagę ciepło przepychające cząsteczki.
Ale mimo to, kiedy naukowcy włączyli maszynę, detektory na drugim końcu wiązki ujawniły wzór interferencji. Cząsteczki zajmowały wiele punktów w przestrzeni jednocześnie.
To ekscytujący wynik, jak napisali naukowcy, wykazujący interferencję kwantową w większych skalach niż kiedykolwiek wcześniej.
„Następna generacja eksperymentów z falą materii spowoduje przesunięcie masy o rząd wielkości” - napisali autorzy.
Nadchodzą więc jeszcze większe demonstracje interferencji kwantowej, choć prawdopodobnie wkrótce nie będzie możliwe wystrzelenie się przez interferometr. (Po pierwsze, próżnia w maszynie prawdopodobnie by cię zabiła.) My, gigantyczne istoty, będziemy musieli tylko siedzieć w jednym miejscu i patrzeć, jak cząstki dobrze się bawią.
