Znajdź zawartość

Gdyby przeprowadzić test, co najbardziej zostaje nam w głowach ze szkolnej fizyki, zapewne prym wiodłyby przeczące instynktowi wiadomości o spadaniu. Bo chyba niemal każdy pamięta, że prędkość spadania zależy tylko od grawitacji, nie zależy zaś w ogóle od masy ciała. Dlatego piórko, kamyk i fortepian, zrzucone z tego samego wieżowca, będą spadać z jednakową szybkością - oczywiście jeśli usuniemy zakłócające pomiar powietrze. Niemal tak samo powszechna jest wiedza, że swobodne spadanie nie różni się od swobodnego lewitowania w zerowej grawitacji - oczywiście jeśli pominiemy skutki spadania, czyli bolesne gruchnięcie o ziemię. Każdy zresztą może w ten sposób doświadczyć lewitacji, wystarczy wynająć odpowiedni samolot, który będzie swobodnie spadał przez kilkanaście sekund, takie atrakcje dostępne są komercyjne. Te spostrzeżenia na temat spadania legły u podstaw ogólnej teorii względności Einsteina. Fachowo nazywa się to równoważnością masy grawitacyjnej i masy bezwładnościowej. Jednak zasada równoważności masy nie wynika z żadnego prawa, jest jedynie postulatem. Czy zatem na pewno jest słuszna? Wydawałoby się, że dotychczasowe próby i doświadczenia, jak eksperymenty Eötvösa z wirującymi elementami, dowiodły jego słuszności bez cienia wątpliwości. Dotychczas tak, ale zawsze używano do tego celu stworzonych przez człowieka obiektów makroskopowych. Ale czy zasada równoważności masy obowiązuje również obiekty mniejsze - jak cząstki elementarne? Wiadomo, że fizyka klasyczna rządzi się innymi prawami niż fizyka kwantowa. Do dziś nie udało się ich powiązać, ani objąć żadną nadrzędną teorią, sam Einstein nie potrafił poradzić sobie z tą sprzecznością. Nie wiadomo zatem, jakie efekty dałyby podobne eksperymenty w dziedzinie, gdzie zaczyna rządzić mechanika kwantowa. Ponad wiek po sformułowaniu postulatu równoważności przez Einsteina nadszedł czas na jego zweryfikowanie. Powiedzieć łatwo, wykonać trudno Założenie jest proste: zrzucić w dół szybu obiekty kwantowe. Nieproste jest wykonanie takiego doświadczenia. Dopiero teraz rozwiązanie problemu opisali naukowcy z Uniwersytetu Leibniza w niemieckim Hanowerze. Ernst Rasel zaproponował, aby jako zrzucanego obiektu użyć kondensatu Bosego-Einsteina. Kondensat ten to gaz schłodzony do tak niskiej temperatury, że jego atomy zachowują się jak jedna cząsteczka (fachowo mówiąc, jest to efekt kwantowy w którym bozony uzyskują taki sam pęd, czyli obsadzają stan podstawowy, ale niekoniecznie trzeba to wiedzieć). Normalnie uzyskanie takiego stanu, czyli schłodzenia gazu do zaledwie miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego wymaga skomplikowanej aparatury zajmującej obszerne pomieszczenie: precyzyjnie skalibrowanych laserów, próżniowych komór i zaawansowanej elektroniki. Osiągnięciem hanowerskich badaczy jest upakowane całego urządzenia do kapsuły o średnicy 61 centymetrów i długości 165 centymetrów. Tę można zrzucać z wysokiej na 148 metrów wieży w Bremen, skonstruowanej właśnie do takich eksperymentów. Doświadczenie ze schłodzonym rubidem, powtórzone 180 razy, dowiodło że można obserwować zachowanie kondensatu Bosego-Einsteina z wysoką precyzją. Najbliższy cykl doświadczeń ma na celu porównanie zachowania kondensatów dwóch różnych pierwiastków, rubidu i potasu i stwierdzenie, czy zachowują się identycznie podczas swobodnego spadania. W przyszłości mają być prowadzone obserwacje na orbicie, w warunkach prawdziwej nieważkości. Podczas gdy eksperyment orbitalny może być prowadzony bez przerwy nawet latami, badania swobodnego upadku, z oczywistych powodów, muszą być wielokrotnie powtarzane, żeby uzyskać odpowiednią ilość danych: upadek z wieży w Bremen trwa zaledwie 4 sekundy. Naukowcy chcą zbadać obszar powiązań między mechaniką klasyczną a kwantową, tam, gdzie przebiega między nimi granica. Mają nadzieję na uzyskanie nowego, interesującego spojrzenia na różnice między procesami fizyki klasycznej i kwantowej, a być może nawet na znalezienie klucza do jednej, ujmującej je obie, teorii.

Zasada nieoznaczoności Heisenberga mówi, że pewnych par wielkości nie można dokładnie zmierzyć. Pomiar jednej zakłóca bowiem odczyt drugiej. Z zasady tej wynika, że w fizyce kwantowej nie jesteśmy w stanie dokładnie zmierzyć jednocześnie położenia i pędu cząstki. Możemy tylko wyciągnąć średnią z całej serii pomiarów. Jest to jedna z głównych przeszkód na drodze do zbudowania komputera kwantowego, w którym przecież musimy dokładnie mierzyć, czyli odczytywać, kwantowe dane. Tymczasem Maurice de Gosson z Uniwersytetu Wiedeńskiego twierdzi, że zasada nieoznaczoności ma więcej wspólnego z geometrią symplektyczną niż z fizyką kwantową. Zdał on sobie sprawę, że teorie z dziedziny geometrii symplektycznej są paralelne do zasady nieoznaczoności. Swoje odkrycie de Gosson nazwał symplektycznym wielbłądem, odnosząc się w ten sposób do biblijnej przypowieści o zwierzęciu, które prędzej przejdzie przez ucho igielne niż bogacz trafi do nieba. De Gosson proponuje, by wyobrazić sobie wszystkie możliwe położenia danej cząsteczki w formie kuli. Moglibyśmy określić jej dokładne położenie pod warunkiem, że bylibyśmy w stanie ścisnąć tę kulę do wielkości samej cząsteczki. Jednak fakt, iż nie możemy tego zrobić nie wynika z fizyki kwantowej a właśnie z zasad geometrii. Teoria de Gossona może mieć niezwykle ważne implikacje. Jeśli jest prawdziwa, to zasada nieoznaczoności ma naturę klasyczną, a nie kwantową. Być może uda się zatem przełożyć to, co dzieje się w świecie kwantowym na geometrię symplektyczną i w ten sposób rozwiązać pewne nierozwiązywalne dotychczas problemy. Przede wszystkim trzeba zbadać, czy spostrzeżenie de Gossona do jedynie przypadkowa zależność czy też głębokie powiązanie pomiędzy fizyką kwantową a geometrią. John Norton, filozof fizyki z University of Pittsburgh zwraca uwagę na poważną lukę w teorii de Gossona. Otóż nieoznaczoność w położeniu i pędzie cząsteczki jest zawsze większa niż wielkość reprezentowana przez stałą Plancka. Tymczasem u de Gossona brak jakiejkolwiek stałej.

Europejscy naukowcy chcą wykorzystać prawa fizyki kwantowej do bezpiecznego komunikowania się z satelitami. Europejska Agencja Kosmiczna rozważa wykorzystanie splątanych fotonów do przesyłania i odbierania informacji. Stan splątany jest to pewien z rodzajów stanu kwantowego co najmniej dwóch cząstek. Jego ciekawą cechą, niemożliwą do uzyskania w fizyce klasycznej jest fakt, że stan takiego układu jako całości jest lepiej określony niż stan poszczególnych jego części. Ten bowiem jest nieokreślony, a gdy spróbujemy go zbadać otrzymamy przypadkowe wyniki. Europejscy naukowcy chcą skorzystać ze splątanych fotonów dlatego, że jest to bezpieczny rodzaj komunikacji. Przy odczycie informacji stan układu ulega bowiem zmianie. Jeśli ktoś spróbuje podsłuchać komunikację prowadzoną w ten sposób, odbiorca natychmiast dowie się o podsłuchu i może mu przeciwdziałać zmieniając np. kanał komuniakcji. Uczonym udało się już wysłać pojedynczy strumień fotonów na odległość 144 kilometrów, tak więc już w tej chwili jest to najmniejszy dystans na jaki można się komunikować. W przyszłości kwantowa komunikacja może posłużyć do przesyłania za pośrednictwem satelity danych finansowych, militarnych czy nawet do dystrybucji filmów, które byłyby w ten sposób świetnie chronione przed piratami.