Πόσο χοντρή είναι η γάτα του Schrödinger;

Η "μακροσκοπικότητα" της γάτας του Schrödinger είναι 57

Τα τελευταία χρόνια οι φυσικοί επιστήμονες προσπαθούν να θέσουν σε κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης ολοένα και μεγαλύτερα αντικείμενα  - το περίεργο είναι ότι ακόμα και η γάτα του Schrödinger έχει περιέλθει σ'αυτό. Τώρα, ερευνητές στη Γερμανία έχουν επινοήσει έναν τρόπο για την ποσοτικοποίηση του πόσο μακροσκοπικά αντικείμενα αυτά είναι και πόση δουλειά χρειάζεται να γίνει πριν από τις γάτες και άλλα γνωστά στοιχεία που μπορεί να πραγματοποιηθούν σε δύο ή περισσότερες κβαντικές καταστάσεις την ίδια στιγμή.

Το διάσημο νοητό πείραμα του Erwin Schrödinger αφορά σε μια γάτα σε ένα κουτί που είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή έως ότου ένας παρατηρητής τη κοιτάζει. Αυτό είναι ένα ακραίο παράδειγμα για ένα κβαντικό φαινόμενο που ονομάζεται υπέρθεση στην οποία ένα φυσικό σύστημα, όπως ένα άτομο ή φωτόνιο μπορούν να υπάρχουν σε δύο ή περισσότερες κβαντικές καταστάσεις μέχρις ότου γίνει μια μέτρηση σε αυτό. Ενώ η υπέρθεση  είναι ένα σύνηθες χαρακτηριστικό του μικροσκοπικού κόσμου, δεν είναι ποτέ ορατό στην καθημερινή μας ζωή. Μερικοί φυσικοί πιστεύουν ότι αυτό το αίνιγμα έχει επιλυθεί από την κβαντομηχανική απλά χωρίς να χαλάσει πάνω από ένα ορισμένο μέγεθος κλίμακας. Άλλοι πιστεύουν αντίθετα ότι η μετάβαση είναι πιο σταδιακή, με ολοένα και πιο δύσκολο για τα μεγαλύτερα κβαντικά αντικείμενα να παραμείνουν σε υπέρθεση. Αυτό συμβαίνει επειδή η επίδραση του περιβαλλοντικού θορύβου σε μια κβαντική κατάσταση είναι ουσιαστικά το ίδιο με μια μέτρηση.

Πόσο ακριβώς μεγάλο είναι το μεγάλο;

Για να μάθουν ακριβώς πώς και πού ο κβαντικός κόσμος τελειώνει και αρχίζει η κλασική φυσική, οι φυσικοί έχουν καταφέρει όλο και μεγαλύτερα αντικείμενα σε κβαντικές υπερθέσεις. Αυτές περιλαμβάνουν ομάδες ατόμων φθάνοντας διαφορετικά ύψη μέσα σε μια ατομική «πηγή» και μεγάλα μόρια που να παρεμβάλλονται με τον εαυτό τους σε διπλή σχισμή-όπως στα πειράματα. Ρεύματα μικροαμπέρ επίσης έχουν παρατηρηθεί να ρέουν σε αντίθετες κατευθύνσεις γύρω από ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα ταυτόχρονα.

Ωστόσο, δεν υπήρξε σαφής εικόνα των προσόντων που οι φυσικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να συγκρίνουν το μέγεθος ή την "μακροσκοπικότητα" των διαφόρων πειραμάτων. Προηγουμένως, οι ερευνητές καθόρισαν αυτή την ποσότητα όσον αφορά συγκεκριμένες καταστάσεις ενός συστήματος, αλλά η προσέγγιση αυτή δεν είναι απολύτως αντικειμενική. Για παράδειγμα, εάν η καταμέτρηση σωματιδίων μέσα σε ένα μόριο, δεν είναι σαφής κατά πόσον θα πρέπει να είναι κριτήριο ο αριθμός των ατόμων, που το μόριο περιέχει ή αντί για το άθροισμα όλων των πρωτονίων, νετρονίων και ηλεκτρονίων.

Ελάχιστη τροποποίηση

Τώρα οι Stefan Nimmrichter και Klaus Hornberger του Πανεπιστημίου του Duisburg-Essen έχουν ορίσει την "μακροσκοπικότητα" σε ένα πείραμα χρησιμοποιώντας τη για να πραγματοποιήσουν μια ορισμένη κβαντική κατάσταση και όχι ως ιδιότητα της ίδιας της κατάστασης. Ανέπτυξαν μια γενική μαθηματική έκφραση για να περιγράψουν την ελάχιστη τροποποίηση που θα πρέπει να γίνει με τη δυναμική της εξίσωσης Schrödinger, προκειμένου να καταστρέψουν μια συγκεκριμένη κβαντική κατάσταση. Η "μακροσκοπικότητα" ενός δεδομένου πειραματικού αποτελέσματος στη συνέχεια καθορίζεται από τον αριθμό των τροποποιήσεων αυτών που το αποτέλεσμα έχει αποκλείσει, με ένα πιο μακροσκοπικό αποτέλεσμα αποκλείοντας περισσότερες τροποποιήσεις.

Το σύστημα αυτό βασίζεται κυρίως στη γνώση της διάρκειας, ή το «χρόνο συνοχής», της εν λόγω υπέρθεσης, δεδομένης μιας μεγαλύτερης διάρκειας υπέρθεσης από ένα μεγαλύτερο αριθμό τροποποιήσεων - τόσο οι ισχυρότερες που συνδέονται με το μικρότερο χρόνο συνοχής, καθώς και ορισμένες πιο αδύναμες αυτά. Αλλά η μάζα ενός αντικειμένου είναι επίσης σημαντική, με ένα πιο ογκώδες μόριο, για παράδειγμα, αποκλείοντας μία μεγαλύτερη κλάση τροποποιήσεων από ένα ελαφρύτερο θα ήταν για ένα δεδομένο χρόνο συνοχής. Αυτές οι δύο παράμετροι, μαζί με μια τρίτη σχετίζεται με την κλίμακα της υπέρθεσης, να αποδώσει ένα ενιαίο αριθμό, μ, σε λογαριθμική κλίμακα, έτσι ώστε η κατάσταση υπέρθεσης του αντικειμένου να έχει την ίδια "μακροσκοπικότητα" ως ένα ενιαίο ηλεκτρόνιο που υπάρχει σε μια κατάσταση υπέρθεσης για 10 μ δευτερόλεπτα.

Τεράστια μόρια

Οι Nimmrichter και Hornberger διαπίστωσαν ότι η πιο μακροσκοπική υπέρθεση μέχρι σήμερα έγινε χρησιμοποιώντας ένα μόριο από 356 άτομα. Πραγματοποιήθηκε το 2010 από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης αυτό το πείραμα και παρήγαγε ένα μ=12. Το ζεύγος δείχνει επίσης ότι τα ατομικά συμβολόμετρα παράγουν υψηλές τιμές μ, αλλά και ότι υπεραγώγιμες διατάξεις κβαντικής παρεμβολής, δημιουργώντας παράλληλα επάλληλα ρεύματα με πολλά ηλεκτρόνια, αποφέρουν χαμηλότερες τιμές επειδή οι λεπτές κβαντικές καταστάσεις τους διαρκούν μόνο λίγα νανοδευτερόλεπτα και επειδή τα ηλεκτρόνια έχουν πολύ μικρή μάζα σε σύγκριση με τα άτομα και τα μόρια.

Ατενίζοντας το μέλλον, οι ερευνητές εκτιμούν ότι οι συνεργατικοί σχηματισμοί που αποτελούνται από περίπου μισό εκατομμύριο άτομα χρυσού θα μπορούσε να αλλάξει το μ έως περίπου 23. Αλλά υπολογίζουν ότι η αυτο-παρεμβολές από νανοσφαίρες διοξειδίου του πυριτίου θα μπορούσε να αποφέρει "μακροσκοπικότητα" που είναι σχεδόν πολύ υψηλή. Καθώς το πείραμα στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιεί ένα συμβολόμετρο διπλής σχισμής είναι εννοιολογικά πιο απλό από εκείνο της ομάδας της Βιέννης, που απαιτεί τρία ξεχωριστά φράγματα περίθλασης. Ωστόσο, σύμφωνα με τον Nimmrichter, είναι τεχνικά δύσκολο, διότι αφορά στη μείωση της θερμικής κίνησης της νανοσφαίρας κάτω από την κβαντική κατάσταση, το οποίο κανείς δεν έχει καταφέρει να κάνει ακόμα.

Σφαιρική γάτα

Ακόμη και αν τέτοια εμπόδια μπορούν να ξεπεραστούν, οι φυσικοί θα έχουν ακόμα αρκετό δρόμο να διανύσουν πριν από την πραγματοποίηση μιας γάτας του Schrödinger. Με τη μοντελοποίηση της γάτας σαν μια σφαίρα νερού 4 κιλών και αν υποτεθεί ότι υφίστανται για ένα δευτερόλεπτο σε κατάσταση υπέρθεσης ταυτόχρονα να κάθεται σε δύο διαφορετικά σημεία σε απόσταση 10 cm, οι Nimmrichter και Hornberger υπολογίζουν ότι θα έχει μ περίπου 57. Όπως ο Nimmrichter επισημαίνει, ότι είναι ισοδύναμο με ένα ηλεκτρόνιο που υπάρχει σε μια υπέρθεση για 1057 s - περίπου 10^39 φορές την ηλικία του σύμπαντος. "Δεν πρέπει ποτέ να λες ποτέ", προσθέτει, "πάντως εμείς ποτέ δεν θα είμαστε πιθανώς σε θέση να βάλουμε μια γάτα σε κβαντική υπέρθεση."

Στην πραγματικότητα, σύμφωνα με τον Tony Leggett του Πανεπιστημίου του Illinois στο Urbana-Champaign, το χάσμα ανάμεσα στις ιδιότητες των κβαντικών αντικειμένων που μελέτησε στο εργαστήριο και της γάτας του Schrödinger, είναι αντικείμενα που πρέπει να αποτελέσουν τη βάση για ένα οποιοδήποτε ορισμό της μακροσκοπικότητας. «Ενστικτώδης αντίδραση μου είναι ότι, ενώ η ιδέα σε αυτή τη μελέτη είναι κάτι έξυπνο, το αντιμετωπίζει σε μια άσχετη κατεύθυνση», λέει. "Αντί να αναφέρεται στην κβαντομηχανική στη διατύπωσή του, η μακροσκοπικότητα θα πρέπει να αντανακλά τη διαίσθησή μας η «κοινή λογική» της διαφοράς μεταξύ ενός ηλεκτρονίου είναι σε μια αόριστη κατάσταση και μια γάτα είναι σε μια απροσδιόριστη κατάσταση."

Πηγή, physicsworld

Απόδοση, Δ. Γιάκας