Může se to zdát jako poměrně jednoduchý problém. Víme přece, jak se chovají padající předměty. Od dob Galilea a později Newtona dokážeme velmi přesně popsat, kde se padající objekt bude nacházet, jakou bude mít rychlost a jak rychle bude zrychlovat. No jenomže v okamžiku, kdy se podíváme na stejný problém optikou kvantové mechaniky, přestává být všechno tak přímočaré.

V kvantovém světě totiž není částice pouze malým objektem pohybujícím se po přesně dané trajektorii. Zároveň se chová jako vlna. Taková vlnová povaha má vlastnosti, které mohou být gravitací ovlivněny způsobem, jenž není možné jednoduše pozorovat na obyčejném padajícím kameni.

Teoretické výpočty dlouho ukazovaly, jak by se kvantová vlna při volném pádu měla chovat. Pokud by se však ukázalo, že tyto předpovědi nejsou správné, vznikl by velmi vážný problém. Kvantová mechanika a Einsteinova teorie gravitace by si posléze v určitém smyslu přímo odporovaly.

Kámen úrazu byl v tom, že takový experiment nikdo nedokázal provést.

Až nyní se týmu vedenému fyzikem Ronem Folmanem z Ben-Gurionovy univerzity podařilo postavit zařízení, které umožňuje tuto otázku skutečně zkoumat. Na projektu spolupracovali vědci z Německa, Velké Británie a Spojených států a mezi spolupracovníky byl také nositel Nobelovy ceny Roger Penrose.

Jejich zařízení dokáže jedinému atomu nabídnout dvě různé možnosti pohybu současně. V jedné variantě atom vykoná volný pád. Ve druhé zůstává prakticky nehybný. Obě tyto možnosti pak skončí na stejném místě a ve stejném okamžiku, což vědcům umožní porovnat, jak gravitační pohyb ovlivnil vlnové vlastnosti atomu.

Zní to možná jako velmi specifický experiment. Ve skutečnosti se ale dotýká jedné z největších otevřených otázek současné fyziky: Jak spolu souvisejí kvantová mechanika a gravitace?

Všechno je vlna, alespoň podle kvantové mechaniky

Jednou z nejpodivnějších vlastností kvantového světa je skutečnost, že částice mohou mít zároveň charakter objektu i vlny. Když tedy mluvíme o atomu jako o částici, představujeme si něco malého, co má určitou polohu a pohybuje se prostorem. Kvantová mechanika ale říká, že to není celý příběh. Atom lze zároveň popsat jako vlnu.

Ron Folman tuto myšlenku vysvětluje poměrně jednoduše. Každá částice je podle něj zároveň vlnou, nezáleží na tom, zda jde o atom, automobil nebo kosmickou loď. V praxi samozřejmě vlnovou povahu automobilu nepozorujeme, protože kvantové vlastnosti velkých objektů se za běžných podmínek velmi rychle ztratí. U malých částic, zejména atomů, však může být jejich vlnová povaha přímo měřitelná.

Každá vlna má určitý rytmus. Můžeme si představit mořskou vlnu, která se pravidelně zvedá a klesá. V jednom okamžiku je na vrcholu, v jiném na dně. Poloha v rámci tohoto pravidelného cyklu se ve fyzice běžně označuje jako fáze.

Fáze kvantové vlny je zde mimořádně důležitá. Přímý rozdíl mezi fázemi dvou vln totiž rozhoduje o tom, zda se vzájemně posílí, nebo naopak vyruší. Tento jev známe jako interferenci - již jsme o ní hovořili v článcích v souvislosti s dalšími kvantovými technologiemi a výzkumy.

A právě tuto interferenci potřebovali vědci využít.

Byl tu ale jeden zásadní háček. Kvantová vlna atomu se dá dobře pozorovat pouze tehdy, když je atom velmi pomalý, což znamená, že musí být extrémně ochlazený, prakticky na teplotu blízkou absolutní nule.

První teoretické úvahy o tomto problému vznikly dávno předtím, než lidstvo dokázalo atomy takto ochladit. Technologie potřebné k práci s ultrachladnými atomy se začaly rozvíjet až v závěru 20. století. Ani to ale samo o sobě nestačilo. Ochladit atom byl pouze první krok.

Fázi kvantové vlny nelze změřit samotnou

Další překážka byla ještě složitější. Fáze kvantové vlny není něco, co bychom mohli jednoduše změřit podobně jako teplotu nebo rychlost. Fáze má význam pouze ve srovnání s jinou fází.

Vědci proto potřebovali vzít jeden atom, rozdělit jeho kvantový stav na dvě možnosti a nechat tyto dvě možnosti projít odlišným vývojem. Teprve potom je mohli znovu spojit a sledovat, zda mezi nimi vznikla interference.

Princip je podobný slavnému experimentu se dvěma štěrbinami. Pokud jsou kvantové částice vysílány směrem ke dvěma úzkým štěrbinám, mohou za nimi vytvořit interferenční obrazec, jenž ukazuje, že částice se nechovají pouze jako malé kuličky, ale také jako vlny.

V novém experimentu však byla situace ještě komplikovanější, protože jedna část kvantového stavu atomu měla vykonat volný pád, zatímco druhá měla zůstat na místě. A pak bylo nutné obě části znovu spojit.

Zde se experiment dostal do oblasti, kde běžné představy o pohybu přestávají fungovat. Když pustíme kámen, začne padat. Po určité době se nachází níže než v okamžiku, kdy jsme ho pustili. Jak ale přivést zpět kvantovou vlnu padajícího atomu přesně na stejné místo, kde zůstala druhá část téhož atomu?

A hlavně: Jak to udělat, aniž bychom během celého procesu zničili kvantový stav?

Najít řešení tohoto zádrhele trvalo týmu několik let.

Zdroj: Shutterstock

Dělo a padák pro jediný atom

Jedna možnost by samozřejmě byla padající atom nějak zachytit a vrátit ho zpět na původní místo. Avšak to by celý experiment prakticky zničilo. Kvantové systémy jsou extrémně citlivé na jakékoli zásahy. Pakliže bychom atom během letu jednoduše chytili pomocí silného pole nebo jiné pasti a násilně ho přenesli zpět, vzniklo by příliš mnoho rušení, načež by vědci nedokázali určit, zda měří skutečný efekt gravitace, nebo pouze důsledky vlastního zásahu do systému.

Folmanův tým proto přišel s elegantnějším řešením. Místo toho, aby nechali atom jednoduše spadnout dolů a potom ho přenášeli zpět, rozhodli se jednu část jeho kvantového stavu vystřelit směrem vzhůru.

Atom se tak dostane do balistického pohybu, podobně jako dělostřelecký projektil. Nejprve se pohybuje vzhůru, postupně zpomaluje, na okamžik dosáhne nejvyššího bodu a poté začne pod vlivem gravitace padat zpět.

Pokud je celý pohyb správně načasován, může se vrátit přesně do oblasti, odkud původně vyrazil.

Druhá část kvantového stavu mezitím zůstává na místě.

Tento přístup ale vytvořil další problém. Bylo nutné vytvořit jakési kvantové dělo, které dokáže ovlivnit pouze jednu část superpozice, aniž by zničilo druhou.

A tím komplikace zdaleka nekončily.

Kvantová mechanika neprozradí, kudy atom letěl

Aby mohla vzniknout interference, nesmí existovat žádná informace o tom, kterou cestu částice skutečně absolvovala.

To je jeden z nejzákladnějších principů kvantové mechaniky.

Jestliže bychom dokázali určit, že atom letěl po jedné konkrétní trajektorii, kvantová superpozice by se ztratila. Atom by se přestal chovat jako systém existující ve více možnostech současně a začal by se chovat jako klasický lokalizovaný objekt.

Pro nový experiment to znamenalo velmi konkrétní dilema.

Atom, který absolvoval balistický let, se po návratu pohyboval, zatímco druhá část kvantového stavu zůstávala prakticky nehybná.

Rozdíl v rychlosti by mohl prozradit, kterou cestou atom prošel, a pokud by existovala taková informace, interference by zmizela.

Vědci proto museli nejen atom vystřelit vzhůru a nechat ho vrátit se zpět. Museli také zajistit, aby při návratu neměl oproti své nehybné kvantové dvojici žádnou rozpoznatelnou výhodu ani rozdíl - bylo nutné ho zastavit přesně ve správném okamžiku.

Folmanův tým proto vytvořil zařízení, které lze obrazně popsat jako systém s dělem a padákem.

Atom nejprve dostane impuls, který ho vystřelí vzhůru. Poté je ponechán prakticky pouze gravitaci. A když se vrací zpět, další přesně řízený impuls odstraní jeho rychlost, čímž vznikne situace, ve které se obě kvantové trajektorie mohou znovu setkat.

Právě pro tento účel vznikl nový typ zařízení nazvaný Galileův kvantový interferometr.

Kvantový Galileo je malý, ale technologicky mimořádně složitý

Celé zařízení je ve skutečnosti velmi malé. Experiment pracuje přibližně s dvaceti tisíci atomy rubidia, které jsou ochlazeny do stavu známého jako Boseho-Einsteinův kondenzát. V tomto stavu se velké množství atomů začne chovat jako jeden společný kvantový systém. Nad atomy se pak ještě nachází čip s mikroskopickými vodiči, které vytvářejí přesně kontrolované magnetické a mikrovlnné impulsy umožňující manipulovat s kvantovými stavy atomů.

První mikrovlnný impuls uvede každý atom do superpozice dvou různých stavů.

Jeden z těchto stavů reaguje na magnetické pole. Druhý je vůči němu prakticky necitlivý.

Následuje magnetický impuls, který funguje jako zmíněné kvantové dělo. Atom ve stavu citlivém na magnetismus dostane impuls směrem vzhůru, čímž se původní superpozice různých vnitřních stavů atomu změní na superpozici různých trajektorií.

Jedna část atomu se začne pohybovat vzhůru, zatímco druhá zůstává.

Krátce poté další mikrovlnný impuls stavy opět prohodí.

Část atomu, která byla vystřelena vzhůru, se stane necitlivou vůči magnetickému poli. To znamená, že po zbytek své trajektorie na ni nepůsobí žádná řízená magnetická síla. Atom se pohybuje pouze pod vlivem gravitace.

Druhá část, která zůstává na místě, se naopak stane citlivou na magnetické pole. Vědci pak toto magnetické pole nastaví s tak velkou přesností, že magnetická síla působící vzhůru prakticky přesně vyrovná gravitační sílu působící dolů.

Z pohledu laboratoře tak jedna část atomu padá, zatímco druhá se vznáší na místě.

Obě části však stále představují jeden kvantový systém.

Padající část dostane na konci svého letu kvantový padák

Když se atom vrací z balistického pohybu zpět, přichází na řadu druhý magnetický impuls, který funguje jako jakýsi padák. Jeho úkolem je odstranit rychlost padající části právě v okamžiku, kdy se vrátí do původní oblasti.

V experimentu se obě trajektorie od sebe vzdálily maximálně přibližně o 7,5 mikrometru. To je vzdálenost mnohem menší než šířka lidského vlasu.

Nejdelší volný pohyb trval pouze asi dvě tisíciny sekundy. Přesto se během této extrémně krátké doby podařilo zachytit efekt, který fyzikové hledali téměř sto let. Na konci experimentu vědci analyzovali atomy podle toho, jakou fázi získala část kvantového systému, která absolvovala volný pád.

A ukázalo se něco důležitého: Čím déle volný pohyb trval, tím větší byl rozdíl fáze.

Přesně tak, jak předpovídala teorie.

Co vlastně znamená volný pád z pohledu kvantové mechaniky?

Zdroj: Shutterstock

Tady se experiment dostává přímo k jednomu z nejzajímavějších principů Einsteinovy fyziky. Člověk, který se nachází ve volném pádu, svou vlastní hmotnost prakticky necítí. Zní to zvláštně, protože samozřejmě víme, že gravitace na padající těleso působí. Z pohledu pozorovatele stojícího na Zemi člověk nebo kámen zrychluje směrem dolů. Ale z pohledu samotného padajícího objektu je situace jiná.

Pokud by člověk padal společně se vším, co má kolem sebe, například uvnitř dokonale izolované kabiny, cítil by se beztížně. Krátkou podobu tohoto pocitu lze zažít například ve výtahu při prudkém pohybu dolů nebo při speciálních parabolických letech.

Einstein přesně na podobných úvahách postavil princip ekvivalence, který v zásadě říká, že lokálně není možné jednoduchým experimentem rozlišit mezi stavem beztíže při volném pádu a nepřítomností gravitace.

V kvantovém experimentu se ovšem tento princip musel projevit na něčem mnohem subtilnějším než na pohybu objektu. Musel se projevit právě na fázi kvantové vlny.

Z pohledu padající části atomu se během volného pohybu neobjevuje žádná další síla, která by ji tlačila nebo táhla. Z pohledu laboratoře však gravitace tuto část systému přitahuje k Zemi. Tento rozdíl mezi různými pohledy na stejný fyzikální děj se musí promítnout do kvantové fáze přesně definovaným způsobem.

Experiment ukázal, že se tak skutečně děje.

Podle Folmana se tím podařilo ukázat, že princip ekvivalence funguje i pro kvantový systém nacházející se v superpozici, což je nesmírně důležitý poznatek.

Kvantová mechanika a gravitace se stále odmítají smířit

Naměřená fáze se od teoretické předpovědi lišila přibližně o 2,5 procenta. Výsledek tedy velmi dobře odpovídá tomu, co fyzikové očekávali. Experiment samozřejmě nevyřešil jeden z největších problémů moderní fyziky, ale aspoň ukázal, jak hluboký tento problém stále je.

Kvantová mechanika patří mezi nejúspěšnější teorie v historii vědy. Dokáže s mimořádnou přesností popisovat chování atomů, elektronů, světla a dalších mikroskopických systémů.

Einsteinova obecná teorie relativity je stejně úspěšná při popisu gravitace, planet, hvězd, černých děr a struktury vesmíru ve velkých měřítcích. Problém nastává ve chvíli, kdy potřebujeme obě teorie použít současně. V aktuální podobě spolu totiž dokonale nespolupracují. Fyzikové proto dlouhodobě hledají teorii, která by dokázala propojit kvantový svět s gravitací. Často se mluví o takzvané kvantové gravitaci.

Nikdo zatím nemá experimentálně potvrzené řešení.

Nový kvantový Galileův interferometr proto určitě nepředstavuje konečnou odpověď. Je to spíše nový nástroj, který umožňuje dostat se blíže k místům, kde by se mezi oběma teoriemi mohly objevit skutečné rozdíly.

A podle Ronа Folmana je jednou z nejzajímavějších cest použití mnohem těžších objektů.

Příště se vyzkouší nanodiamanty

Dnešní experiment pracuje s atomy rubidia.

Atom je ale z pohledu běžného světa extrémně lehký objekt, takže pokud chceme zjistit, co se stane ve chvíli, kdy se kvantové vlastnosti začnou dostávat do kontaktu s významnější gravitací, potřebujeme pracovat s většími hmotnostmi.

Folmanův tým proto připravuje větší verzi experimentu, která by měla pracovat s nanodiamanty. Tyto malé diamantové částice by byly přibližně o deset řádů hmotnější než jednotlivé atomy.

Každý objekt s hmotností podle Einsteinovy teorie ovlivňuje strukturu časoprostoru. U běžných malých částic je tento efekt naprosto zanedbatelný. U těžšího objektu je však větší. V případě, že by se tedy nanodiamant podařilo uvést do kvantové superpozice dvou různých poloh, vznikla by zvláštní situace.

Jeden a tentýž objekt by se z kvantového pohledu nacházel současně na dvou místech. A protože jeho hmotnost ovlivňuje časoprostor, znamenalo by to, že by systém současně vytvářel dvě různé konfigurace zakřivení časoprostoru.

Zde se podle některých fyzikálních hypotéz může kvantová mechanika začít pěkně rozpadat.

Roger Penrose a otázka, zda vesmír unese dvě reality najednou

Zdroj: Shutterstock

Jednu z nejznámějších hypotéz v této oblasti rozvinul Roger Penrose. Podobné myšlenky nezávisle rozpracoval také maďarský fyzik Lajos Diósi.

Podstata této představy je fascinující. Kvantová mechanika umožňuje objektu existovat v superpozici různých stavů. Částice může být například popsána jako systém, který má současně několik možných poloh. Penrose však navrhuje, že existuje určitá hranice.

Pakliže se objekt stane dostatečně hmotným, jeho různé kvantové možnosti začnou znamenat také různé konfigurace samotného časoprostoru. Takovou superpozici by podle této hypotézy vesmír nemusel být schopen dlouhodobě udržet.

Kvantový stav by se pak spontánně zhroutil.

Pokud by se něco takového podařilo pozorovat, šlo by o mimořádně významný výsledek. Naznačovalo by to totiž, že gravitace není jen další fyzikální síla, která se musí nějakým způsobem kvantovat. Mohla by naopak hrát aktivní roli při určování hranice mezi kvantovým a klasickým světem.

Gravitace by mohla být jedním z důvodů, proč velké objekty nepozorujeme ve zjevných kvantových superpozicích. Na druhou stranu, pokud by se ukázalo, že i relativně těžké nanodiamanty dokážou zůstat v superpozici, byla by to tak či tak důležitá informace.

Podobný výsledek by znamenal další tlak na teorie, které předpokládají gravitační kolaps kvantových stavů.