Paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen a fost supus la cel mai important test de până acum

În cel mai mare test de până acum, fizicienii au investigat paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen, un paradox major în mecanica cuantică, și au descoperit că acesta este valabil chiar și pentru sute de atomi.

Folosind două condensate Bose-Einstein încâlcite, fiecare constând din 700 de atomi, o echipă de fizicieni condusă de Paolo Colciaghi și Yifan Li, de la Universitatea din Basel (Elveția), a arătat că paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) poate fi scalat.

• De ce uneori zăpada pare albastră?
• O gaură neagră masivă din Universul timpuriu, surprinsă în timp ce trage „un pui de somn”

Cercetătorii spun că acest lucru are implicații importante pentru metrologia cuantică (studiul măsurării lucrurilor în teoria cuantică).

Ce este paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen?

„Rezultatele noastre reprezintă prima observație a paradoxului EPR cu sisteme masive de mai multe particule separate spațial. Rezultatele arată că conflictul dintre mecanica cuantică și realismul local nu dispare pe măsură ce dimensiunea sistemului crește la mai mult de o mie de particule masive”, scriu cercetătorii în lucrare.

Deși suntem destul de buni la descrierea matematică a Universului, înțelegerea modului în care funcționează lucrurile este în cel mai bun caz neregulată, notează Science Alert.

Unul dintre instrumentele folosite pentru a umple unul dintre golurile din cunoștințe este mecanica cuantică, o teorie care a apărut la începutul secolului al XX-lea, susținută de fizicianul Niels Bohr, pentru a descrie modul în care se comportă materia atomică și subatomică. În acest tărâm minuscul, fizica clasică nu mai funcționează; iar atunci când vechile reguli nu se mai aplică, trebuie găsite reguli noi.

Dar mecanica cuantică nu este lipsită de lipsuri și, în 1935, trei fizicieni celebri au găsit un gol semnificativ. Albert Einstein, Boris Podolsky și Nathan Rosen au descris faimosul paradox Einstein-Podolsky-Rosen.

Inseparabilitatea cuantică

Nimic nu poate călători mai repede decât lumina, nu-i așa? Dar lucrurile devin mai complicate cu inseparabilitatea cuantică, ceea ce Einstein a numit „acțiune înfricoșătoare la distanță”. Asta înseamnă două (sau mai multe) particule corelate astfel încât proprietățile lor să fie legate; dacă o particulă, de exemplu, se rotește într-un sens, cealaltă se învârte în sens invers.

Aceste particule păstrează această legătură chiar și pe distanțe mari și nu este clar cum sau de ce. Oamenii de știință știu că, dacă măsoară proprietățile unei particule, pot deduce proprietățile celeilalte, chiar și la această distanță.

Totuși, în mecanica cuantică, particula nu va avea acele proprietăți până când nu este măsurată (o ciudățenie explorată de experimentul de gândire cu pisica lui Schrödinger).

Tot în mecanica cuantică, dacă cunoașteți o proprietate a unei particule, cum ar fi poziția ei, nu puteți cunoaște altă proprietate, cum ar fi impulsul, cu nicio siguranță. Acesta este principiul incertitudinii al lui Heisenberg.

Conceptul de fizică clasică al realismului local afirmă că pentru ca un obiect sau o energie să afecteze un alt obiect sau energie, cele două trebuie să interacționeze. Paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen, prin urmare, este complex. Când măsurați o particulă într-un sistem încâlcit, acea măsurătoare influențează cumva cealaltă particulă, chiar dacă măsurarea nu are loc local.

De asemenea, știți mai multe despre particule decât este permis prin principiul incertitudinii al lui Heisenberg. Și cumva, această influență are loc instantaneu, sfidând viteza luminii.

Testele Bell

Paradoxul EPR, prin urmare, sugerează că teoria mecanică cuantică este incompletă; nu descrie pe deplin realitatea Universului în care trăim. Fizicienii au testat paradoxul în cea mai mare parte pe sisteme încâlcite mici, constând din doar o pereche de atomi sau fotoni, adesea, în ceea ce este cunoscut sub numele de test Bell (după inventatorul său, fizicianul John Stewart Bell).

Până acum, fiecare test Bell efectuat a constatat că lumea reală se comportă într-un mod inconsecvent cu realismul local. Dar cât de departe merge paradoxul?

Aici ajungem la condensatele Bose-Einstein, o stare a materiei creată prin răcirea unui nor de bosoni la doar puțin peste zero absolut. La temperaturi atât de scăzute, atomii scad până la cea mai joasă stare de energie posibilă fără a se opri complet.

Când ating aceste energii scăzute, proprietățile cuantice ale particulelor nu mai pot interfera între ele; particulele se deplasează suficient de aproape una de cealaltă pentru a se suprapune, rezultând un nor de atomi de înaltă densitate care se comportă ca un „super atom” (sau undă de materie).

Paradoxul a fost supus la cel mai important test de până acum

Colciaghi, Li și colegii lor fizicieni Philipp Treutlein și Tilman Zibold, tot de la Universitatea din Basel, au generat două condensate Bose-Einstein folosind doi nori, fiecare constând din 700 de atomi de rubidiu-87. Ei au separat aceste condensate în spațiu cu până la 100 de micrometri și au măsurat proprietățile.

Ei au măsurat proprietățile cuantice ale condensatelor cunoscut sub numele de pseudospin, alegând independent ce valoare să măsoare pentru fiecare nor.

Cercetătorii au descoperit că proprietățile celor două condensate păreau a fi corelate într-un mod care nu îi putea fi atribuit întâmplării, demonstrând că Paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen rămâne valabil și la o scară mult mai mare decât a testelor Bell.

Implicațiile descoperirilor echipei sunt în mare măsură relevante pentru cercetările cuantice viitoare.

La ce ne folosesc aceste noi cunoștințe?

„Experimentul nostru este potrivit în special pentru aplicațiile de metrologie cuantică. Se poate folosi, de exemplu, unul dintre cele două sisteme ca un mic senzor pentru a sonda câmpuri și forțe cu rezoluție spațială mare, iar celălalt ca referință pentru a reduce zgomotul cuantic al primul sistem”, scriu cercetătorii în lucrare.

„Demonstrarea încâlcirii EPR împreună cu separarea spațială și adresabilitatea individuală a sistemelor implicate este, prin urmare, nu numai semnificativă din punct de vedere fundamental, ci oferă și ingredientele necesare pentru a exploata încâlcirea EPR în sistemele cu mai multe particule ca resursă”, mai scriu aceștia.

Cercetarea a fost publicată în Physical Review X.

Vă recomandăm să citiți și:

Telescopul Webb a detectat cele mai îndepărtate molecule organice complexe din Univers

Astronomii au aflat cât cântărește o galaxie care ascunde un quasar

Un studiu bizar arată că întregul Univers se va evapora

Mai aproape de crearea primului ceas nuclear din lume: cercetătorii germani au descoperit atomul-cheie