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.
Teraz grupa fizyków – 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”, bowiem zmiana stanu jednej cząstki natychmiast wywołuje zmianę stanu drugiej. Dzieje się tak niezależnie od dzielącej je odległości, zaś między cząstkami nie zachodzi wymiana informacji – bo musiałaby przekroczyć prędkość światła, a tego zakazuje teoria względności. To prowadzi niektórych fizyków do wniosku, że odległość jest rodzajem złudzenia.
Kwantowo splątane diamenty, bakteria, a teraz niesporczak
Jeszcze trzydzieści lat temu fizycy w takie stany potrafili wprowadzić 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.
Teraz grupa fizyków, wśród których jest dr hab. Tomasz Paterek, prof. UG, wprowadziła w stan splątania zwierzę. Był to niesporczak. Eksperyment był możliwy ze względu na niebywałą odporność tych organizmów.
Stany kwantowe są bardzo podatne na zaburzenia. 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.
W takiej temperaturze umieszczono je na tzw. kubicie (to kwantowy układ, który – choć przeczy to logice – może znajdować się w dwóch kwantowych stanach jednocześnie). Gdy badacze zmierzyli naturalne drgania kubitu i niesporczaka, ich pomiar wskazał, że oba znalazły się w stanie splątania kwantowego.
Nie kot, a niesporczak Schrödingera
Choć dwa niesporczaki takiej próby nie przeżyły – nie wróciły do życia po ogrzaniu, trzeci taką próbę przeżył. Biolodzy będą zapewne teraz prowadzić spory, czy w stanie kwantowego splątania, w temperaturze jednej setnej kelwina, zwierzę żyło czy znajdowało się w stanie głębokiej hibernacji. Dr Paterek sądzi, że nie żyło. Jak mówi tygodnikowi „New Scientist”, w trakcie eksperymentu nie zaobserwowano żadnego śladu reakcji biochemicznych.
To przywodzi na myśl inny eksperyment – choć dotychczas był to eksperyment wyłącznie myślowy – czyli słynnego kota Schrödingera. W nim także zwierzę znajduje się w stanie zawieszenia pomiędzy życiem a śmiercią. Nie chodzi o hibernację, lecz o superpozycję: kwantowy stan, w którym można przebywać w dwóch stanach naraz.
Taki eksperyment myślowy opisał w 1935 roku fizyk Edwin Schrödinger. Polega na umieszczeniu w jednym pojemniku żywego kota, promieniotwórczego atomu (który w wyniku rozpadu emituje cząstkę promieniowania) oraz detektor promieniowania (np. licznik Geigera). Detektor w chwili wykrycia cząstki promieniotwórczej uwalnia trujący gaz. Rozpadem promieniotwórczego atomu rządzą prawa fizyki kwantowej. Nie można określić, kiedy się rozpadnie. Wiadomo jednak, że statystycznie po upływie pewnego czasu – zwanego czasem połowicznego rozpadu – prawdopodobieństwo, że cząstka się rozpadnie, wynosi połowę. Zanim to zmierzymy, cząstka znajduje się (według większości interpretacji fizyki kwantowej) jednocześnie i w jednym, i w drugim stanie.
Czy kot Schrödingera może w ogóle istnieć?
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 i wynosiło 50 procent. Choć przeczy to zdrowemu rozsądkowi, kot powinien znajdować się w stanie kwantowej superpozycji stanów |kot jest nadal żywy> oraz |kot jest już martwy> (takie nawiasy właśnie są stosowane przez fizyków do opisywania stanów kwantowych).
Fizycy od dawna próbują stwierdzić, gdzie leży granica tej kwantowej nieoznaczoności. Na co dzień wszakże nie obserwujemy 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 sam.
Być może dzieje się tak, bowiem cząstki bezustannie wchodzą ze sobą w interakcje. Przeprowadzano wiele eksperymentów, które miały tego dowieść: w stan kwantowej superpozycji wprowadzano najpierw grupy kilkudziesięciu, potem kilku tysięcy atomów. Odpowiednio izolowane od wpływów otoczenia znajdowały się w stanie superpozycji i 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 z pewnością będą się toczyć dyskusje fizyków, biologów, a nawet filozofów.
Źródła: New Scientist, ArXiv; Nature; Small.
