Co bowiem nam z tego, że jesteśmy w stanie w miarę dokładnie opisać otaczającą nas rzeczywistość, taką jaką widzimy za pomocą naszych zmysłów, jesteśmy w stanie opisać prawa fizyczne regulujące ruch i zachowanie przedmiotów w przestrzeni i czasie, gdy na pewnym poziomie rozmiarów, wszystkie te prawa przestają działać, a rzeczywistość okazuje się być zupełnie czymś innym, przeczącym logice i całkowicie wymykającym się naszej intuicji?
Fakt, że w najmniejszej skali światem rządzi fizyka kwantowa, a nie klasyczna jest niepokojący. Nie wiadomo bowiem, gdzie znajduje się granica, po przekroczeniu której jedne prawa fizyki znikają, a pojawiają się drugie. Co więcej, mimo dekad wysiłków, naukowcom jak na razie nie udało się związać ze sobą tych dwóch światów, co pozwoliłoby opisać rzeczywistość jedną, spójną, zunifikowaną teorią.
Czytaj także: Jak długo żyje neutron? Naukowcy precyzyjnie to zmierzyli. Czy może się rozpadać na cząstki ciemnej materii?
Bezustannie podejmuje się próby sprawdzenia, czy zjawiska kwantowe da się opisać przy wykorzystania znanej wszystkim fizyki służącej do opisu świata makroskopowego. Najnowsze badania tego typu wskazują, że praktycznie nie ma na to szans. Świat w skali kwantowej wygląda zupełnie inaczej niż ten, w którym operujemy na co dzień, choć przecież tak naprawdę są to dwa komponenty tego samego świata zajmującego tę samą przestrzeń.
W najnowszym artykule naukowym opublikowanym w periodyku Physical Review Letters badacze postanowili przyjrzeć się zachowaniu neutronów za pomocą interferometru, aby sprawdzić, jak zachowują się one po napotkaniu przeszkody na swojej drodze. Jakby nie patrzeć, neutrony są obiektami mikroskopowymi, ale już całkiem sporymi jak na świat kwantowy.
Podstawą do przeprowadzenia eksperymentów za pomocą interferometru było w tym przypadku twierdzenie matematyczne o nierówności Leggetta-Garga. Twierdzenie to wskazuje, że układ może znajdować się wyłącznie albo w jednym, albo w drugim z dostępnych mu stanów i nawet pomiar tego stanu nie jest w stanie na niego bezpośrednio wpłynąć. Jak się można domyślić, układy makroskopowe spełniają tę nierówność (choć nie wiem, wszak wystarczy, że spojrzę na swojego psa chcącego iść na spacer, aby natychmiast samą obserwacją zmienić jego stan na „podekscytowany”) a układy kwantowe już nie (tutaj do głowy przychodzi natychmiast kot Schrödingera)
Nierówność Leggetta-Garga służy zatem do ustalania stanu danego obiektu w określonych punktach czasu i związku tego stanu ze stanem w innych punktach czasu.
W trakcie eksperymentu naukowcy wykorzystali interferometr neutronowy, w którym wiązka neutronów emitowana jest ku określonemu celowi. Podczas podróży przez interferometr wiązka neutronów dzieli się na dwie części, aby połączyć się ponownie u celu. Według twierdzenia Leggetta i Garga, wyniki mogą być zatem dwa: albo neutron leci jedną ścieżką, albo drugą. Tutaj odległość między dwiema częściami wiązki neutronów wyniosła kilka centymetrów, czyli była całkiem… makroskopowa.
Naukowcy badali wiązki neutronów w różnych punktach czasów za pomocą kilku metod pomiarowych. Co się okazało? Neutrony przemieszczały się jednocześnie po obu odrębnych torach, oddalonych od siebie o kilka centymetrów. Wychodzi zatem na to, że łamią one niepewność Leggetta-Garga. To z kolei wskazuje na to, że nie da się tego eksperymentu opisać prawidłowo bez wykorzystania fizyki kwantowej. Więcej, oznacza to, że każdy opis rzeczywistości, ignorujący zawiłości kwantowe będzie niepełny. Fizycy mają wciąż przed sobą ogromne wyzwanie. Jeżeli chcemy w pełni zrozumieć i opisać otaczającą nas rzeczywistość, trzeba znaleźć sposób na połączenie fizyki klasycznej z kwantową. Bez tego będziemy operowali jedynie na przybliżeniach i uproszczeniach.