Niesporczak Schrödingera – polski fizyk wprowadził zwierzę w stan kwantowej superpozycji. Jak to możliwe?

W tym artykule:

1. Kwantowo splątane diamenty, bakteria, a teraz niesporczak
2. Nie kot, a niesporczak Schrödingera
3. Czy kot Schrödingera może w ogóle istnieć? A niesporczak?

Niesporczaki to mikroskopijne zwierzęta, których rozmiar nie przekracza milimetra długości. Znane są jednak ze swej niezwykłej odporności. Mogą przeżyć w ekstremalnie wysokich i niskich temperaturach, olbrzymich ciśnieniach, a także kosmicznej próżni.

Niedawno grupa uczonych – wraz z dr hab. Tomaszem Paterkiem z Uniwersytetu Gdańskiego – wprowadziła te zwierzęta w niezwykły stan. To kwantowe splątanie, w której stan jednego układu jest nierozerwalnie związany ze stanem drugiego.

Efekt ten potwierdzono w setkach eksperymentów. Taka właściwość świata kwantów bardzo nie podobała się Albertowi Einsteinowi. Mówił o niej „upiorne oddziaływanie na odległość”. Oznacza to, że zmiana stanu jednej cząstki natychmiast wywołuje zmianę stanu drugiej. Dzieje się tak niezależnie od dzielącej je odległości, zaś między cząstkami nie zachodzi wymiana informacji. Ta bowiem musiałaby przekroczyć prędkość światła, a z teorii względności wynika, że to niemożliwe. Dlatego niektórzy fizycy sądzą, że odległość jest rodzajem złudzenia.

Kwantowo splątane diamenty, bakteria, a teraz niesporczak

Jeszcze 30 lat temu fizycy potrafili wprowadzić w stan splątania tylko pojedyncze cząstki. Z czasem udawało się splątywać ich ze sobą coraz więcej. W 2011 roku splątano ze sobą dwa milimetrowej wielkości – widoczne gołym okiem – diamenty. W 2017 roku w stan kwantowego splątania wprowadzono zaś po raz pierwszy organizm żywy: bakterię.

Naukowcy odkryli niesporczaka sprzed 16 milionów lat!

Skamieniałe szczątki niesporczaka zostały znalezione dominikańskim bursztynie.

Grupa fizyków, wśród których jest Polak, dr hab. Tomasz Paterek, wprowadziła w stan splątania wielokomórkowe zwierzę. Był to niesporczak. Eksperyment był możliwy ze względu na niebywałą odporność tych organizmów.

Stany kwantowe są bardzo podatne na zakłócenia. Wytrącić z nich może nawet pojedynczy kwant promieniowania cieplnego. Dlatego do celów eksperymentu niesporczaki schłodzono do temperatury zaledwie o jedną setną stopnia wyższej od najniższej możliwej – zera bezwzględnego, czyli 0 K.

W takiej temperaturze umieszczono je na tzw. kubicie. To kwantowy układ, który – choć przeczy to codziennej logice – może znajdować się w dwóch kwantowych stanach jednocześnie. Gdy badacze zmierzyli naturalne drgania kubitu i niesporczaka, pomiary wykazały, że oba te obiekty znalazły się w stanie splątania kwantowego.

Nie kot, a niesporczak Schrödingera

Dwa niesporczaki nie przeżyły takiej próby. Nie wróciły do życia po ogrzaniu. Trzeciemu jednak się udało. Biolodzy zaczęli się spierać, czy w temperaturze jednej setnej kelwina zwierzę żyło, czy znajdowało się w stanie głębokiej hibernacji. Dr Paterek sądzi, że nie żyło. Jak powiedział tygodnikowi „New Scientist”, w trakcie eksperymentu nie zaobserwowano żadnego śladu reakcji biochemicznych.

Niesporczaki i małe kałamarnice lada dzień polecą w kosmos. Czeka je szereg eksperymentów

Mimo że największa sława przypadła Łajce, to nie ona była jednym ani nawet pierwszym organizmem zwierzęcym wysłanym w kosmos. Od tamtej pory podobnych misji były dziesiątki.

To przywodzi na myśl inny eksperyment, choć dotychczas wyłącznie myślowy. Chodzi o słynnego kota Schrödingera. To zwierzę znajduje się w swoistym stanie zawieszenia, gdzieś pomiędzy życiem a śmiercią. Nie chodzi o hibernację, lecz o superpozycję. To kwantowy stan, w którym można przebywać w dwóch stanach naraz. Czyli można być np. jednocześnie żywym i nieżywym.

Ten eksperyment myślowy opisał fizyk Edwin Schrödinger w 1935 r. Wyobraźmy sobie, że umieszczamy w jednym pojemniku żywego kota, promieniotwórczy pierwiastek (który w wyniku rozpadu emituje cząstkę promieniowania) oraz detektor promieniowania (np. licznik Geigera). W chwili wykrycia cząstki promieniowania detektor uwalnia trujący gaz.

Rozpadem promieniotwórczym rządzą prawa fizyki kwantowej. Nie można określić, kiedy jądro atomu się rozpadnie. Wiadomo jednak, że statystycznie po upływie pewnego czasu – zwanego czasem połowicznego rozpadu – prawdopodobieństwo, że jądro się rozpadnie, wynosi 50%. Zanim to zmierzymy, jądro znajduje się (według większości interpretacji fizyki kwantowej) jednocześnie i w jednym, i w drugim stanie.

Czy kot Schrödingera może w ogóle istnieć? A niesporczak?

Przed pomiarem (a więc otwarciem pudełka), a po upływie czasu połowicznego rozpadu, prawdopodobieństwo, że kot jest martwy i że jest nadal żywy, będzie takie samo. Czyli będzie równe 50%. Choć przeczy to zdrowemu rozsądkowi, kot powinien znajdować się w stanie kwantowej superpozycji stanów.

Fizycy od dawna próbują stwierdzić, gdzie leży granica tej kwantowej nieoznaczoności. Na co dzień nie obserwujemy przecież samochodów, domów, ani ludzi w dwóch stanach naraz. Być może takie kwantowe i nieokreślone stany mogą przybierać tylko małe układy, złożone z niewielkiej liczby cząstek. Gdy cząstek jest zbyt wiele, stan kwantowego układu ustala się samorzutnie.

Przełom w badaniach nad kryształami czasu. To drzwi do budowy urządzeń kwantowych

Istnienie kryształów czasu, szczególnie fascynującego stanu materii, zostało potwierdzone zaledwie kilka lat temu. Teraz fizycy dokonali kolejnego przełomu – wywołali i zaobserwowali inter...

Być może dzieje się tak, bowiem cząstki bezustannie wchodzą ze sobą w interakcje. Przeprowadzano wiele eksperymentów, które miały tego dowieść. Najpierw w stan kwantowej superpozycji wprowadzano grupy kilkudziesięciu, potem kilku tysięcy atomów. Odpowiednio izolowane od wpływów otoczenia, znajdowały się one w stanie superpozycji. Wcale nie zamierzały „określić się”, czyli przybrać jakiegoś określonego, znanego nam na co dzień stanu.

Czy niesporczak w eksperymencie opisywanym przez fizyków był żywy, czy martwy? A może istniał w jednym i drugim stanie naraz – czyli był to pierwszy na świecie niesporczak Schrödingera? Po tym eksperymencie rozpoczęły się dyskusje fizyków, biologów, a nawet filozofów. I pewnie prędko się nie skończą...

Źródła: New Scientist, ArXiv; Nature; Small.