Neutrony przeciwstawiają się fizyce klasycznej w zdumiewającym eksperymencie

Czy natura naprawdę jest tak dziwna, jak twierdzi teoria kwantowa, czy też istnieją prostsze wyjaśnienia? Pomiary neutronów dowodzą: to nie działa bez dziwnych właściwości teorii kwantowej.

Teoria kwantowa pozwala cząstkom istnieć w stanach superpozycji, co zaprzecza klasycznemu realizmowi. Nierówność Leggetta-Garga sprawdza to, porównując zachowanie kwantowe z klasycznymi oczekiwaniami. Niedawne eksperymenty z wiązkami neutronów na TU Wien potwierdziły, że cząstki rzeczywiście naruszają tę nierówność, co wzmacnia ważność teorii kwantowej w stosunku do wyjaśnień klasycznych.

Superpozycja kwantowa: czy cząstki mogą znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie?

Czy cząstka może znajdować się w dwóch różnych miejscach jednocześnie? W fizyce kwantowej jest to możliwe: Teoria kwantowa pozwala obiektom znajdować się w różnych stanach jednocześnie – a dokładniej: w stanie superpozycji, łączącym różne obserwowalne stany. Ale czy tak jest naprawdę? Być może cząstka faktycznie znajduje się w bardzo specyficznym stanie, w bardzo konkretnym miejscu, ale po prostu o tym nie wiemy?

Kwestia, czy zachowanie obiektów kwantowych można opisać za pomocą prostej, bardziej klasycznej teorii, jest dyskutowana od dziesięcioleci. W 1985 roku zaproponowano sposób pomiaru tego zjawiska: tak zwaną „nierówność Leggetta-Garga”. Każda teoria opisująca nasz świat bez dziwnych stanów superpozycji charakterystycznych dla teorii kwantowej musi przestrzegać tej nierówności. Z drugiej strony teoria kwantowa ją narusza. Na TU Wien po raz pierwszy przeprowadzono pomiary neutronami testujące tę „nierówność Leggetta-Garga” – z jednoznacznym wynikiem: nierówność Leggetta-Garga zostaje naruszona, klasyczne wyjaśnienia nie są możliwe, wygrywa teoria kwantowa. Wyniki opublikowano teraz w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.

Odkrywanie realizmu fizycznego

Zwykle zakładamy, że każdy obiekt ma pewne właściwości: piłka znajduje się w określonym miejscu, ma określoną prędkość, a być może także określony obrót. Nie ma znaczenia, czy obserwujemy piłkę, czy nie. Posiada te właściwości zupełnie obiektywnie i niezależnie od nas. „Pogląd ten nazywany jest «realizmem»” – mówi Stephan Sponar z Instytutu Atomowego na TU Wien.

Z codziennego doświadczenia wiemy, że tej zasadzie muszą podporządkować się szczególnie duże, makroskopowe obiekty. Wiemy również, że obiekty makroskopowe można obserwować bez znaczącego wpływu. Pomiar nie zmienia zasadniczo stanu. Założenia te określa się zbiorczo mianem „realizmu makroskopowego”.

Teoria kwantowa i realizm makroskopowy

Jednak teoria kwantowa, jaką znamy dzisiaj, jest teorią, która narusza ten makroskopowy realizm. Jeżeli dla cząstki kwantowej możliwe są różne stany, na przykład różne położenia, prędkości czy wartości energii, to możliwa jest również dowolna kombinacja tych stanów. Przynajmniej tak długo, jak ten stan nie jest mierzony. Podczas pomiaru stan superpozycji ulega zniszczeniu: pomiar zmusza cząstkę do podjęcia decyzji na korzyść jednej z możliwych wartości.

Niemniej jednak świat kwantowy musi być logicznie powiązany ze światem makroskopowym – w końcu duże rzeczy składają się z małych cząstek kwantowych. W zasadzie zasady teorii kwantowej powinny mieć zastosowanie do wszystkiego.

Pytanie zatem brzmi: czy w „dużych” obiektach można zaobserwować zachowania, których nie da się pogodzić z naszym intuicyjnym obrazem realizmu makroskopowego? Czy rzeczy makroskopowe mogą również wykazywać wyraźne oznaki właściwości kwantowych?

Zrozumienie nierówności Leggetta-Garga

W 1985 roku fizycy Anthony James Leggett i Anupam Garg opublikowali wzór, za pomocą którego można sprawdzić realizm makroskopowy: Nierówność Leggetta-Garga. „Idea jest podobna do bardziej znanej nierówności Bella, za którą w 2022 roku przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki” – mówi Elisabeth Kreuzgruber, pierwsza autorka artykułu. „Jednak nierówność Bella dotyczy pytania, jak silnie zachowanie cząstki jest powiązane z inną cząstką splątaną kwantowo. Nierówność Leggetta-Garga dotyczy tylko jednego obiektu i zadaje pytanie: jak jego stan w określonych momentach czasu ma się do stanu tego samego obiektu w innych określonych momentach?

Silniejsze korelacje niż pozwala na to fizyka klasyczna

Leggett i Garg założyli, że obiekt można zmierzyć w trzech różnych momentach, przy czym każdy pomiar może dać dwa różne wyniki. Nawet jeśli w ogóle nie wiemy, czy i jak stan tego obiektu zmienia się w czasie, nadal możemy statystycznie analizować, jak silnie wyniki w różnych momentach czasu są ze sobą skorelowane.

Można wykazać matematycznie, że siła tych korelacji nigdy nie może przekroczyć pewnego poziomu – przy założeniu, że realizm makroskopowy jest prawidłowy. Leggettowi i Gargowi udało się ustalić nierówność, którą musi zawsze spełniać każda makroskopowa teoria realistyczna, niezależnie od jakichkolwiek szczegółów tej teorii.

Jeśli jednak obiekt spełnia zasady teorii kwantowej, to muszą istnieć znacznie silniejsze korelacje statystyczne pomiędzy wynikami pomiarów w trzech różnych punktach czasowych. Jeśli obiekt faktycznie znajduje się w różnych stanach w tym samym czasie pomiędzy momentami pomiaru, musi to – zdaniem Leggetta i Garga – prowadzić do silniejszych korelacji między trzema pomiarami.

Wiązki neutronów: obiekty kwantowe wielkości centymetrów

„Nie jest jednak łatwo zbadać tę kwestię eksperymentalnie” – mówi Richard Wagner. „Jeśli chcemy przetestować realizm makroskopowy, potrzebujemy obiektu, który jest w pewnym sensie makroskopowy, czyli ma rozmiar porównywalny z rozmiarem naszych zwykłych przedmiotów codziennego użytku”. Jednocześnie jednak musi to być obiekt, który ma szansę nadal wykazywać właściwości kwantowe.

„Wiązki neutronów, jakie wykorzystujemy w interferometrze neutronów, doskonale się do tego nadają” – mówi Hartmut Lemmel, instrument odpowiedzialny za instrument S18 w Instytucie Laue-Langevin (ILL) w Grenoble, gdzie przeprowadzono eksperyment. W interferometrze neutronowym, interferometrze z doskonałym kryształem krzemu, który po raz pierwszy z powodzeniem zastosowano w Instytucie Atomowym TU Wien na początku lat 70. XX wieku, padająca wiązka neutronów jest dzielona na dwie częściowe wiązki na pierwszej płytce kryształu, a następnie ponownie łączona z innym kawałkiem krzemu . Istnieją zatem dwa różne sposoby przemieszczania się neutronów od źródła do detektora.

„Teoria kwantowa mówi, że każdy neutron porusza się obiema drogami jednocześnie” – mówi Niels Geerits. „Jednak dwie częściowe belki są oddalone od siebie o kilka centymetrów. W pewnym sensie mamy do czynienia z obiektem kwantowym, który jest ogromny jak na standardy kwantowe.”

Naruszenie nierówności Leggetta-Garga za pomocą neutronów

Wykorzystując wyrafinowaną kombinację kilku pomiarów neutronów, zespół z TU Wien był w stanie przetestować nierówność Leggetta-Garga – i wynik był jasny: nierówność została naruszona. Neutrony zachowują się w sposób, którego nie da się wytłumaczyć żadną wyobrażalną makroskopowo realistyczną teorią. Tak naprawdę poruszają się po dwóch ścieżkach jednocześnie, znajdują się jednocześnie w różnych miejscach, oddalonych od siebie o centymetry. W ten sposób odrzucono pogląd, że „być może neutron porusza się tylko jedną z dwóch ścieżek, tylko nie wiemy która”.

„Nasz eksperyment pokazuje: natura naprawdę jest tak dziwna, jak twierdzi teoria kwantowa” – mówi Stephan Sponar. „Bez względu na to, jaką klasyczną, makroskopowo realistyczną teorię wymyślisz: nigdy nie będzie ona w stanie wyjaśnić rzeczywistości. To nie działa bez fizyki kwantowej.”

Odniesienie: „Naruszenie nierówności Leggetta-Garga przy użyciu idealnych pomiarów ujemnych w interferometrii neutronów” autorstwa Elisabeth Kreuzgruber, Richarda Wagnera, Nielsa Geeritsa, Hartmuta Lemmela i Stephana Sponara, 24 czerwca 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.260201