Може да се каже, че Вселената има раздвоена личност или по-точно казано, раздвоени са нашите физически модели на Вселената. В огромния мащаб на звездите и галактиките властва гравитацията. Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн прекрасно описва тяхното движение. Когато обаче се приближим до сферата на субатомните частици, квантовата механика поема контрола. Там правилата на реалността се разпадат в странна игра на вероятности.

Физиците наричат това очевидно противоречие „проблемът на квантовата гравитация“. Учените търсят единна рамка, често наричана „Теория на всичко“, която да преодолее различията между физиката на масивните обекти и физиката на микроскопичното ниво.

Сега физиците са направили важна крачка към това да накарат тези два несъвместими свята да общуват помежду си. Изследователи от Австралийския национален университет (ANU) успешно демонстрираха квантовата заплетеност, използвайки физическото движение – по-конкретно импулса – на масивни атоми.

„Този резултат потвърждава предсказанията от преди повече от век, че материята може да се намира на две места едновременно и може да взаимодейства със себе си дори на тези места“, казва д-р Шон Ходжман от Изследователската школа по физика на ANU.

Тъй като тези атоми имат маса, те подлежат на гравитацията. Този пробив дава на учените съвсем нов набор от инструменти, с които да тестват как странните правила на квантовата механика взаимодействат с гравитационните полета, които оформят нашата вселена.

Способността за заплитане на субатомни частици, така че промените в едната да се отразяват незабавно върху другата — дори на разстояние — е била демонстрирана многократно. Въпреки това, предишните експерименти се основаваха на безмасови фотони или на вътрешни характеристики на атомите и електроните, като например техния спин. Тъй като в тези ранни демонстрации липсваше физическо движение или маса, те не можаха да отговорят на ключовия въпрос как заплитането взаимодейства с гравитацията.

Заплитането е най-странната характеристика на квантовия свят. Ако заплетете две частици, промяната в състоянието на едната незабавно се отразява върху другата, независимо от разстоянието, което ги разделя. Това не е просто абстрактна теория; учените са демонстрирали квантовото заплитане в действие многократно.

Първите експерименти в края на 90-те години показаха, че квантовите състояния могат да се предават на къси разстояния, а последвалите изследвания доказаха, че това е възможно и на все по-големи разстояния, дори до и от ниска околоземна орбита, както показаха китайски учени през 2017 г. Изследователските лаборатории вече рутинно извършват експерименти със заплитане на фотони – частици на светлината. Фотоните обаче са практически безтегловни. Тъй като нямат маса, те не са идеални за изследване на ефектите на гравитацията. За тази цел атомите на хелия са много по-подходящи. Те имат маса, така че трябва да усещат притеглянето на гравитацията.

И така, как се постига заплитане на физическото движение на два масивни атома? Охлаждате ги до изключително ниски температури и ги сблъсквате един с друг.

Изследователският екип охлади облаци от хелиеви атоми до температура, която е само с няколко десети от градуса над абсолютната нула. Това екстремно охлаждане създаде състояние на материята, наречено кондензат на Бозе-Айнщайн. След това те насочиха тези ултрастудени атомни облаци един към друг.

Когато атомите се сблъскат, те се разпръснаха – но не по начина, по който си мислите. В странния свят на квантовата физика, вместо да отскачат в определени посоки като билярдни топки, атомите всъщност поемат по няколко пътя едновременно. Те се движат наляво/надясно и нагоре/надолу едновременно. Тъй като импулсът определя посоката, в която се движи един обект, наличието на множество импулси означава, че атомът ефективно се движи по множество физически пътища едновременно. Докато пада, частицата буквално се намира на две места едновременно.

Когато атомите се устремят към детектора на екипа, тези едновременни траектории се припокриват и взаимодействат помежду си. Тъй като атомите бяха в състояние на заплитане вследствие на първоначалното си сблъскване, крайните им точки на приземяване остават напълно свързани. В момента, в който детекторът измери импулса на един атом, това принуждава този атом най-накрая да избере определена траектория. Това измерване незабавно сведе до нула възможните траектории на заплетения му партньор, независимо къде се намира той.

За да докаже, че атомите наистина са били в състояние на заплитане в движението си, екипът ги оставя да паднат. Докато атомите се спускат стремително надолу, те преминават през устройство, наречено интерферометър „Rarity-Tapster“. Тази система измерва импулса им, докато те се удрят в детекторната плоча отдолу.

Чрез разширяване на мащаба на този експеримент изследователите се надяват да наблюдават какво точно се случва с квантовата заплетеност, когато гравитацията въздейства върху частиците. Но все още има уловка: за да докажат напълно, че тези атоми по никакъв начин не комуникират помежду си със скорост, по-малка от тази на светлината, учените трябва да запълнят така наречената „пролука на локалността“.

По-конкретно, атомите трябва да са на разстояние поне 30 сантиметра един от друг. В момента детекторът на екипа е широк едва 8 сантиметра. Постигането на тази цел ще отнеме време и средства. Екипът ще се нуждае от много повече финансиране, за да увеличи мащаба“, а вероятно и от години работа, за да достигне необходимия мащаб, с който да запълни пропуските в принципа на локалността. В бъдеще екипът се надява да заплете напълно различни изотопи, като хелий-3 и хелий-4. Тъй като тези изотопи имат различна маса, заплитането им би позволило на учените да тестват принципа на слабата еквивалентност – основен стълб на общата относителност – като използват квантови тестови маси.

Снимка: Unsplash/Nic Vevers/ANU

Виж още: Xiaomi 17 Ultra – не телефон с камера, а камера с телефон (РЕВЮ)