Heisenberg, nieoznaczoność i kwantowe bębny

Zasada nieoznaczoności, wprowadzona po raz pierwszy przez Wernera Heisenberga pod koniec lat dwudziestych XX wieku, jest podstawową koncepcją mechaniki kwantowej. W świecie kwantowym cząstki, takie jak elektrony, które zasilają wszystkie produkty elektryczne, mogą również zachowywać się jak fale.

Elektron będzie dobrze zlokalizowany, jeśli jego fala przypomina falę tsunami z pojedynczym grzbietem. Elektron jest tam, gdzie znajduje się jej grzbiet. Taka fala nie ma jednak dobrze określonej długości, czyli odległości dzielącej grzbiety (w końcu mamy tylko jeden grzbiet). Zupełnie z innych postulatów wynika, że długość fali określa pęd (im jest ona mniejsza, tym pęd większy). Dla naszej fali tsunami jest jednak niemożliwe określenie jej długości, czyli niemożliwe staje się podanie pędu reprezentowanego przez tą falę elektronu. W rezultacie prawdziwe jest ogólne twierdzenie, że cząstki nie mogą mieć jednocześnie dobrze określonej pozycji i pędu.

W ostatnich badaniach, opublikowanych w Science, zespół kierowany przez prof. Mika Sillanpää z Uniwersytetu Aalto w Finlandii wykazał, że istnieje sposób na obejście zasady nieoznaczoności. W zespole znalazł się dr Matt Woolley z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Australii, który opracował model teoretyczny eksperymentu. Zamiast cząstek elementarnych, zespół przeprowadził eksperymenty, używając znacznie większych obiektów: dwóch wibrujących bębnów o szerokości 1/5 szerokości ludzkiego włosa. Membrany zostały starannie wykonane tak, aby zachowywały się jak obiekty mechaniki kwantowej.

Co osiągnęli badacze? Otóż udało im się im się splątać kwantowo obie membrany w taki sposób, że wibrowały one przeciwnie do siebie. Gdy jedna unosiła się do góry, druga wychylała się w dół. Obie zatem mają dobrze zdefiniowany pęd (równy zero) i położenie (wbrew zasadzie nieoznaczoności). Splątanie kwantowe nie pozwala na opis dwóch lub więcej obiektów niezależnie – dopóki są one splątane, wykazują doskonałą korelację swoich zachowań.

Do tej pory słyszeliśmy o splątanych fotonach, cząstkach, czy atomach. Jednak rzadko można spotkać się ze splątanymi tak dużymi obiektami, jak kwantowe bębny fińskich i australijskich naukowców. Ponieważ splątanie kwantowe jest bardzo niestabilnym zjawiskiem i bardzo łatwo je zniszczyć, naukowcy przeprowadzali  eksperyment wyjątkowo niskiej temperaturze 1 stopnia powyżej zera bezwzględnego (-273 stopnie Celcjusza).