Για πρώτη φορά, ένα θεμελιώδες αξίωμα της κβαντικής φυσικής επιβεβαιώθηκε απευθείας από πείραμα. Το είχε διατυπώσει ο Richard Feynman πριν από σχεδόν 80 χρόνια και από τότε αποτέλεσε βασικό πυλώνα της σύγχρονης φυσικής.
Τα κβαντικά σωματίδια είναι διαβόητα δύσκολα στην ανάλυση, καθώς η αλληλεπίδραση μαζί τους επηρεάζει τις ιδιότητές τους. Οι ερευνητές, όμως, έχουν αναπτύξει ισχυρά μαθηματικά εργαλεία για να προβλέπουν τι είναι πιθανό να κάνει ένα σωματίδιο υπό συγκεκριμένες συνθήκες.
Ένα από αυτά είναι το «Feynman path integral», το οποίο υποστηρίζει ότι η πιο πιθανή διαδρομή που θα ακολουθήσει ένα κβαντικό σωματίδιο ανάμεσα σε δύο σημεία μπορεί να προβλεφθεί με έναν υπολογισμό που αθροίζει με ειδικό τρόπο όλες τις πιθανές διαδρομές μεταξύ αυτών των σημείων. Από τότε που το πρότεινε ο Feynman το 1948, η μέθοδός του μπήκε στα εγχειρίδια και σήμερα παραμένει πολύτιμη για πολλούς επιστήμονες, ανάμεσά τους και φυσικούς που μελετούν σωματίδια.
Τώρα, για πρώτη φορά, η ιδέα του Feynman δοκιμάστηκε απευθείας σε πείραμα.
Ο Shi-Liang Zhu από το South China Normal University και οι συνεργάτες του το πέτυχαν βασιζόμενοι σε προηγούμενη εργασία τους, στην οποία είχαν μετρήσει ένα ακόμη κβαντικό μέγεθος που αφορά τα σωματίδια του φωτός, τα φωτόνια.
Το μέγεθος αυτό, γνωστό ως propagator, προβλέπει πώς αλλάζει η κβαντική κατάσταση ενός φωτονίου καθώς μετακινείται από ένα σημείο του πειράματος σε ένα άλλο — στη συγκεκριμένη περίπτωση, καθώς περνούσε μέσα από έναν λαβύρινθο από μικροσκοπικούς καθρέφτες, φακούς και κρυστάλλους.
Νωρίτερα, οι ερευνητές είχαν δείξει πώς να μετρούν διαφορετικές ιδιότητες των φωτονίων, όπως η πόλωση, και στη συνέχεια να ανασυνθέτουν τους propagators τους. Τώρα, συνειδητοποίησαν ότι ένα path integral για ένα δεδομένο φωτόνιο μπορούσε να κατασκευαστεί με τη μέτρηση διαδοχικών propagators και στη συνέχεια με τον πολλαπλασιασμό τους μεταξύ τους.
Συγκεκριμένα, μέτρησαν πέντε propagators για ένα δεδομένο φωτόνιο σε όλο το πείραμα. Επειδή υπήρχαν πάρα πολλές διαφορετικές τροχιές στις οποίες μπορούσαν να αντιστοιχούν αυτοί οι propagators, καθώς το φωτόνιο κινούνταν μέσα στον λαβύρινθο, οι ερευνητές κατέληξαν να μετρούν συνολικά 1.419.857 ξεχωριστές διαδρομές. Στη συνέχεια, έβαλαν όλες αυτές τις διαδρομές στον τύπο του Feynman για το path integral, για να δουν τι προέβλεπε για τη συμπεριφορά του φωτονίου — και διαπίστωσαν ότι συμφωνούσε με όσα έκανε πραγματικά το φωτόνιο.
«Δεδομένης της εξαιρετικής επιτυχίας της διατύπωσης του Feynman σε σχεδόν οκτώ δεκαετίες, το αποτέλεσμα καθαυτό δεν ήταν απροσδόκητο. Αλλά το να το βλέπουμε να λειτουργεί … ήταν και πάλι συγκλονιστικό», λέει ο Zhu. «Η γνωστή φράση “άθροισμα πάνω από όλες τις διαδρομές” δεν ήταν πια απλώς μια συμβολική οδηγία σε ένα εγχειρίδιο· μπορούσαμε να δούμε τις συνέπειές της να προκύπτουν άμεσα από τα πειραματικά δεδομένα».
Όπως λέει, το πείραμα ήταν εξαιρετικά απαιτητικό, γιατί ο τεράστιος αριθμός των διαδρομών που εξετάστηκαν άφηνε ανοιχτό το ενδεχόμενο σφαλμάτων και πειραματικού θορύβου, τα οποία θα μπορούσαν εύκολα να συσσωρευτούν και να κάνουν το τελικό αποτέλεσμα ακατανόητο.
«Χρειάστηκε να βελτιώσουμε σχεδόν κάθε πτυχή του πειράματος ταυτόχρονα», λέει ο Zhu. Οι ερευνητές έπρεπε να βελτιώσουν σημαντικά την ακρίβεια της προηγούμενης δοκιμής τους, γιατί αν χρησιμοποιούσαν εκείνη όπως ήταν, μετά τους πέντε πολλαπλασιασμούς των propagators, τα δεδομένα θα έμοιαζαν σχεδόν εντελώς τυχαία, λέει.
Ο Jörg Götte από το Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης, στη Βρετανία, λέει ότι η ακρίβεια του πειράματος αποτελεί πραγματική επιστημονική πρόοδο. Δεδομένου ότι η διαδρομή ενός φωτονίου δεν μπορεί να εντοπιστεί άμεσα όσο κινείται, το πείραμα αναδεικνύει εξελιγμένες μεθόδους κβαντικής μέτρησης και ελέγχου. Και επιβεβαιώνει ότι τα θεμέλια της κβαντικής φυσικής είναι ακριβώς όπως τα θεωρούσαν μέχρι σήμερα οι ερευνητές.
Αν η μέτρηση της ομάδας έδειχνε κάτι διαφορετικό, θα ήταν πολύ απρόσμενο και ολόκληρο το πλαίσιο χρήσης του path integral για κβαντικούς υπολογισμούς θα κατέρρεε, λέει ο Götte.
Το νέο πείραμα θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο σύνθετες δοκιμές του path integral — για παράδειγμα, σε άμεση μέτρηση του τρόπου με τον οποίο οι διαφορετικές διαδρομές αθροίζονται όταν τα φωτόνια ταξιδεύουν μέσα από υλικά αντί για αέρα, λέει. «Ελπίζουμε επίσης ότι ερευνητές από διαφορετικά πεδία θα μπορέσουν να προσαρμόσουν τη δική μας πειραματική προσέγγιση στα δικά τους συστήματα», λέει ο Zhu.
Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.aeh1011
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
