Australski istraživači uspješno su proveli Bellov test na atomima helija, dokazavši da se i čestice s masom mogu kvantno spregnuti na daljinu, što otvara put ka dugo traženoj „teoriji svega“.
Znanstvenici s Australskog nacionalnog univerziteta (ANU), u saradnji s kolegama sa Univerziteta u Queenslandu i Univerziteta u Oklahomi, postigli su značajan, ako ne i revolucionaran, uspjeh u kvantnoj fizici dokazavši da materija s masom može iskusiti kvantnu spregnutost. Ovaj fenomen, koji je Albert Einstein svojevremeno odbacio kao „sablasno djelovanje na daljinu“, do sada je uglavnom uspješno demonstriran pomoću fotona, čestica bez mase. Međutim, novi eksperiment koristio je atome helija, što predstavlja ključnu razliku jer atomi, za razliku od čestica svjetlosti, imaju masu i reaguju na gravitaciju, a dokazano je da se i kao takvi mogu međusobno kvantno spregnuti.
Nelokalnost atoma
Eksperiment je obuhvatio takozvani Bellov test nejednakosti, kojim se provjerava jesu li kvantna svojstva dvije čestice neraskidivo povezana bez obzira na njihovu udaljenost. Glavni autor istraživanja, Yogesh Sridhar Arthreya, istakao je da su po prvi put uspjeli spregnuti momentum atoma. Umjesto fokusiranja na unutrašnja svojstva poput spina, tim je pokazao nelokalnost u vanjskom kretanju složenih čestica koje sadrže protone, neutrone i elektrone, čime su dodatno učvrstili temelje kvantne teorije. „Nekoliko ljudi je u prošlosti pokušalo dokazati te efekte, ali nisu uspjeli“, dodao je Arthreya.
Sam eksperiment izveden je pomoću tri oblaka hladnih atoma helija suspendiranih u magnetskom polju. Nakon isključivanja polja, atomi su počeli slobodno padati pod utjecajem gravitacije, dok su ih laserski impulsi usmjeravali jedne prema drugima, stvarajući stojni val koji je djelovao kao optička rešetka. Prilikom sudara u uslovima vrlo niske gustoće, atomi su mijenjali svoj impuls (momentum), stvarajući različite opcije putanja koje su, prema pravilima kvantne mehanike, ostale međusobno povezane i zavisne jedna o drugoj.
Korišteni interferometar, koji omogućava precizno mjerenje kvantnih korelacija, pokazao je da su parovi atoma bili raspoređeni u više stanja istovremeno. To potvrđuje hipoteze stare gotovo stoljeće prema kojima materija može postojati na više mjesta odjednom i interferirati sama sa sobom, čak i na velikim udaljenostima, što je tehnološki postalo mjerljivo tek u posljednjim decenijama.
Korak ka teoriji svega
Važnost ovog otkrića leži u činjenici da bi moglo poslužiti kao most između dvije trenutno nespojive grane fizike: kvantne mehanike, koja vlada mikrosvijetom, i Einsteinove opće teorije relativnosti, koja opisuje gravitaciju i makrosvijet. Budući da atomi helija imaju masu, oni omogućavaju naučnicima proučavanje efekata gravitacije na kvantne sisteme. To bi u konačnici moglo dovesti do razvoja Jedinstvene teorije polja, odnosno „teorije svega“, koju je Einstein pokušavao, ali nije uspio formulirati tokom posljednjih 30 godina svog života.
Voditelj istraživanja s ANU-a, Sean Hodgman, objasnio je da su sistemi u kojima atomi istovremeno prolaze različitim putanjama kroz prostor-vrijeme ključni za razumijevanje zakrivljenosti prostora na kvantnom nivou. Iako je implementacija eksperimenta bila izazovna i zahtijevala modifikacije teorijskih modela, uspješni rezultati objavljeni u časopisu Nature Communications otvaraju vrata za testiranje kvantnih efekata na još većim objektima iz stvarnog svijeta.