Experimentul Quantum Cheshire Cat separa particulele de proprietățile lor

Mecanica cuantică a ajuns Alice in Tara Minunilor niveluri de ciudățenie.

Un experiment care urmărește particulele subatomice care trec pe lângă o bifurcație a drumului pare să dezvăluie că particulele au mers într-un sens, în timp ce una dintre proprietățile lor intrinseci, spinul lor, a mers în cealaltă. Deși rezultatul este în conflict cu intuiția, este de acord cu o predicție veche de un deceniu. Fenomenul se numește pisica cuantică Cheshire, după Alice felină al cărei rânjet răutăcios rămâne în mod inexplicabil după ce corpul său a dispărut.

„Puteți separa practic orice proprietate a unei particule de particula în sine”, spune Jeff Tollaksen, fizician cuantic la Universitatea Chapman din Orange, California, și coautor al studiului Cheshire Cat, care apare pe 29 iulie în Comunicarea naturii. Deși rezultatul sfidează explicația pentru moment, spune el, ar putea duce la o mai bună înțelegere a lumii cuantice, precum și la îmbunătățiri în măsurarea proprietăților cele mai subtile ale particulelor.

Orice fizician care încearcă să decodeze mecanica cuantică trebuie să se ocupe de suprapunere, un fenomen în care un neutron sau o altă particulă ia mai multe căi simultan, cu probabilitatea de a exista de-a lungul fiecărei căi la un moment dat. Fizicienii pot folosi instrumente pentru a localiza un neutron, dar măsurarea acestuia distruge suprapunerea – neutronul este acum cu siguranță într-o singură cale și nu există nicio modalitate de a ști unde s-ar fi dus dacă nu ar fi fost deranjat.

În 1988, fizicianul Yakir Aharonov, acum la Chapman și Universitatea Tel Aviv din Israel, și colegii lui au propus o modalitate de a arunca o privire în spatele cortinei de suprapunere. Ei au propus tragerea de particule către un detector, dar plasarea unui alt instrument de-a lungul traseului particulelor. Acest instrument ar face ceea ce se numește o măsură slabă – o estimare aproximativă a proprietăților care abia deranjează o particulă.

O astfel de măsurare slabă ar putea fi făcută de un instrument care a expus particulele la efecte subtile, cum ar fi un câmp magnetic slab. O măsurare individuală slabă a unei singure particule este inutilă deoarece este imprecisă. Dar repetând măsurarea pe mii sau milioane de particule, fizicienii ar afla ceva despre modul în care particulele, în medie, s-au comportat pe parcurs.

Aceasta este tehnica folosită de fizicianul cuantic de la Universitatea de Tehnologie din Viena, Yuji Hasegawa, și echipa sa, pentru a căuta pisica cuantică Cheshire, decuplarea unei particule și proprietățile ei presupuse de Aharonov și Tollaksen în 2001.

Cercetătorii au direcționat un fascicul de neutroni emis de un reactor nuclear de la Institut Laue-Langevin din Grenoble, Franța, într-un cristal, care a împărțit fasciculul în două. Echipa a manipulat fasciculele astfel încât toți neutronii din fasciculul superior au un anumit spin (de exemplu, +½) iar neutronii din fasciculul inferior au avut spin opus (-½). Fasciculele au fost în cele din urmă recombinate, iar un detector de la capătul cristalului a numărat doar neutronii cu +½ a învârti. Intuiția sugerează că neutronii detectați ar fi trebuit să fi călătorit cu toții prin fasciculul superior și că modificarea cu fasciculul inferior nu ar avea niciun efect asupra măsurării detectorului.

Pentru a determina dacă intuiția este greșită, cercetătorii au efectuat măsurători slabe înainte ca particulele să ajungă la detector. Mai întâi, cercetătorii au plasat o placă metalică care absoarbe neutroni în căile fiecărui fascicul, pe rând. După cum era de așteptat, atunci când placa era pe calea inferioară, nu a avut niciun efect asupra numărului de particule de la detector. Dar placa a redus numărul de neutroni când a fost plasată pe calea superioară.

Apoi, cercetătorii au expus fiecare dintre fascicule la un câmp magnetic suficient de puternic pentru a modifica rotația particulelor. S-ar putea aștepta ca, la fel ca în cazul plăcii, câmpul să strice citirea detectorului numai atunci când este aruncat pe fasciculul superior, unde toți neutronii (și probabil roțile lor) călătoreau. Cu toate acestea, s-a întâmplat opusul: câmpul a avut un impact numai atunci când a fost expus la fasciculul inferior, sugerând că neutronii – sau cel puțin rotațiile lor – foloseau acea artere.

Cercetătorii au ajuns la concluzia că neutronii detectați au trecut doar prin calea superioară, dar spinurile lor au traversat doar calea inferioară. În Alice termeni, pisica a luat calea de sus și rânjetul ei a luat-o pe cea de jos.

„Este o demonstrație foarte frumoasă”, spune Aefhraim Steinberg, un fizician cuantic la Universitatea din Toronto, care nu a fost implicat în studiu. Cu toate acestea, el observă că studiul nu dovedește că niciun neutron a urmat o cale diferită de rotația sa; arată doar că neutronii măsurați s-au comportat astfel în medie. Steinberg este optimist că acest experiment și altele care folosesc măsurători slabe vor oferi perspective asupra comportamentului cuantic al particulelor – pur și simplu nu este sigur care sunt aceste perspective încă.

Indiferent de momentul în care fizicienii dau sens rezultatelor, tehnica Cheshire Cat ar putea deveni un instrument util. Cercetătorii sugerează că oamenii de știință pot găsi o proprietate greu de măsurat a unei particule prin eliminarea influenței unei alte proprietăți. De exemplu, unii oameni de știință cercetează gravitația la scară microscopică, unde este micșorată de alte forțe, cum ar fi electromagnetismul (SN Online: 2/26/10). Măsurarea gravitației ar deveni mult mai ușoară, sugerează Steinberg, dacă cercetătorii ar putea izola particulele de sarcina lor electrică.