Το τεράστιο πείραμα με νετρίνο υπονομεύει την αίσθηση της πραγματικότητας

Τα δεδομένα από ένα τεράστιο πείραμα νετρίνων δείχνουν ότι τα άπιαστα υποατομικά σωματίδια πρέπει κυριολεκτικά να είναι δύο αμοιβαία αποκλειστικών τύπων ταυτόχρονα - ανοίγοντας μια τρύπα στη διαισθητική αίσθηση της πραγματικότητας. Το αποτέλεσμα είναι η κβαντομηχανική του πετρώματος. Αλλά είναι κάτι που συνήθως παρουσιάζεται με εξαιρετικά ελεγχόμενα πειράματα κβαντικής οπτικής και όχι με σχεδόν μη ανιχνεύσιμα νετρίνα.

«Αν μου λέγατε πριν από 10 χρόνια ότι θα χρησιμοποιούσαμε νετρίνα για να μελετήσουμε τα κβαντικά θεμέλια, θα έλεγα ότι καπνίζατε κάτι πολύ συναρπαστικό», λέει ο Andrew White, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Queensland, St. Lucia. στο Μπρίσμπεϊν της Αυστραλίας, ο οποίος δεν συμμετείχε στις εργασίες. "Το αποτέλεσμα δεν προκαλεί έκπληξη και ωστόσο είναι εντελώς ελκυστικό γιατί μας λέει ότι υπάρχει ένα νέο σύστημα για τη δοκιμή κβαντικών θεμελίων."

Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, τα μικροσκοπικά πράγματα δεν συμπεριφέρονται σε τίποτα όπως τα καθημερινά αντικείμενα. Σε αντίθεση με ένα μήλο, ένα υποατομικό σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο μέρη ή δύο διαφορετικών τύπων ταυτόχρονα. Ωστόσο, αυτές οι αμφίδρομες καταστάσεις «υπερθέσεως» είναι εύθραυστες. Μετρήστε, ας πούμε, ένα σωματίδιο φωτός ή φωτόνιο που είναι ταυτόχρονα πολωμένο τόσο οριζόντια όσο και κατακόρυφα και θα "καταρρεύσει" τυχαία με τον ένα ή τον άλλο τρόπο.

Ωστόσο, σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, η πόλωση του φωτονίου δεν υπάρχει μέχρι να μετρηθεί. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν περιφρόνησε αυτή την ιδέα, υποστηρίζοντας ότι μια φυσική ιδιότητα ενός αντικειμένου πρέπει να είναι «ένα στοιχείο της πραγματικότητας» που υπάρχει ανεξάρτητα από τη μέτρηση. Για να σωθεί ο «ρεαλισμός», ορισμένοι φυσικοί υποστήριξαν ότι το αποτέλεσμα μιας τέτοιας μέτρησης προκαθορίζεται από κάποια «κρυμμένη μεταβλητή» μέσα στο φωτόνιο.

Το 1964, ο Βρετανός θεωρητικός John Bell επινόησε έναν τρόπο να δοκιμάσει αυτή την ιδέα. Στην κβαντική θεωρία, δύο φωτόνια σε αμφίδρομες καταστάσεις μπορούν να «μπλέξουν» έτσι ώστε μια μέτρηση στο ένα να καθορίζει αμέσως όχι μόνο την πόλωσή του αλλά και αυτή του άλλου φωτονίου, ακόμα κι αν απέχει έτη φωτός. Αυτή η κβαντική σύνδεση παράγει συσχετισμούς μεταξύ των σωματιδίων που είναι ισχυρότεροι από ό,τι επιτρέπουν οι κρυφές μεταβλητές, έδειξε ο Bell. Πέρυσι, φυσικοί στην Ολλανδία και τις Ηνωμένες Πολιτείες πραγματοποίησαν τις καλύτερες επιδείξεις από αυτές τις συσχετίσεις μέχρι σήμερα, καταργώντας τέτοιες κρυφές μεταβλητές.

Η δοκιμή με τα νετρίνα περιλαμβάνει συσχετισμούς μεταξύ μετρήσεων που χωρίζονται όχι στο χώρο, αλλά στο χρόνο. Το 1985, οι θεωρητικοί Anupam Garg, τώρα στο Northwestern University, Evanston, στο Illinois, και Anthony Leggett του Πανεπιστημίου του Illinois, Urbana-Champaign, εξέτασαν επαναλαμβανόμενες μετρήσεις ενός μεμονωμένου κβαντικού συστήματος:ενός δακτυλίου υπεραγωγού στον οποίο ρέει ένα άσβεστο ρεύμα. τον τρόπο ή τον άλλο. Το δαχτυλίδι μιμείται ένα νόμισμα, το οποίο μπορεί να είναι κεφαλές ή ουρές, με τη διαφορά ότι το ρεύμα μπορεί επίσης να ρέει και με τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα.

Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, το ρεύμα θα ταλαντώνεται μεταξύ των δύο κατευθύνσεων. Έτσι, μια μέτρηση θα αποκαλύψει ότι ρέει, ας πούμε, δεξιόστροφα, με πιθανότητα που εξαρτάται από την ώρα. Οι Leggett και Garg διαπίστωσαν ότι ορισμένοι συσχετισμοί μεταξύ τριών ή περισσότερων μετρήσεων θα ήταν ισχυρότεροι από ό,τι επιτρέπει η κλασική φυσική—αν το ρεύμα δεν έχει κατεύθυνση μέχρι να μετρηθεί.

Οι πειραματιστές έχουν προσεγγίσει τη δοκιμή Leggett και Garg. Το 2011, ο White και οι συνεργάτες του απέδειξαν τους εξαιρετικά ισχυρούς συσχετισμούς στην κβαντική οπτική, αν και με μέσο τρόπο και όχι με ένα μόνο φωτόνιο. Τώρα, ο Joseph Formaggio, ένας φυσικός νετρίνων στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στο Κέμπριτζ, και οι συνεργάτες του παρέχουν μια επίδειξη χρησιμοποιώντας δεδομένα από το πείραμα αναζήτησης ταλάντωσης νετρίνου κύριας έγχυσης (MINOS) στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi (Fermilab) στη Μπαταβία του Ιλινόις, το οποίο πυροδοτείται νετρίνα με ταχύτητα σχεδόν φωτός 735 χιλιόμετρα σε έναν ανιχνευτή 5,4 κιλοτόνων στο ορυχείο Soudan στη Μινεσότα.

Τα νετρίνα έρχονται σε τρεις γεύσεις που μεταμορφώνονται η μία στην άλλη. Αυτά που πυροδοτούνται από το Fermilab ξεκινούν ως τα λεγόμενα νετρίνα μιονίων και «ταλαντώνονται» κυρίως σε νετρίνα ηλεκτρονίων σε μια διαδικασία που μοιάζει με αυτή που ανέλυσαν οι Leggett και Garg. Οι πειραματιστές της MINOS δεν μέτρησαν επανειλημμένα μεμονωμένα νετρίνα, καθώς η ανίχνευση ενός νετρίνου τα καταστρέφει. Ωστόσο, κάθε νετρίνο ξεκινά στην ίδια κατάσταση της οποίας η εξέλιξη εξαρτάται μόνο από το χρόνο από τότε που έφυγε από το Fermilab. Έτσι, η μέτρηση πολλών νετρίνων ισοδυναμούσε με την επανειλημμένη μέτρηση του ίδιου.

Οι φυσικοί της MINOS επίσης δεν μέτρησαν τα νετρίνα σε διαφορετικές αποστάσεις από το Fermilab, έτσι ο Formaggio και οι συνεργάτες του δεν μπορούσαν να συγκρίνουν άμεσα τις μετρήσεις που έγιναν μετά από διαφορετικούς χρόνους πτήσης. Ωστόσο, ο ρυθμός με τον οποίο τα νετρίνα ταλαντώνονται ποικίλλει ανάλογα με την ενέργειά τους, με το ρολόι να χτυπά πιο γρήγορα για πιο ενεργητικά νετρίνα. Έτσι, αντί να αναζητούν συσχετίσεις μεταξύ των νετρίνων που μετρώνται σε διαφορετικούς χρόνους, ο Formaggio και οι συνεργάτες του αναζήτησαν ισοδύναμες συσχετίσεις στον αριθμό των νετρίνων μιονίων που φτάνουν στη Μινεσότα με διαφορετικές ενέργειες.

Οι ερευνητές παρατήρησαν τις ισχυρές συσχετίσεις που προέβλεψαν οι Leggett και Garg, όπως αναφέρουν σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters . «Όπως περιμέναμε, είναι ένα πολύ προφανές αποτέλεσμα», λέει ο Formaggio. Τα δεδομένα υπογραμμίζουν ότι το νετρίνο δεν έχει γεύση μέχρι να μετρηθεί πραγματικά, λέει.

Το αποτέλεσμα δεν προκαλεί έκπληξη, λέει ο Garg, καθώς οι ταλαντώσεις των νετρίνων είναι εγγενώς κβαντομηχανικές. Ωστόσο, λέει, "διερευνά τη σύγκρουση μεταξύ του κβαντικού και του κλασικού κόσμου σε ένα νέο καθεστώς."

Στη συνέχεια θα ήταν να δούμε αν τα νετρίνα μπορούν να δοκιμάσουν την κβαντομηχανική με άλλους τρόπους, λένε οι Formaggio και White. Ο Garg λέει ότι εξακολουθεί να ελπίζει ότι κάποιος θα πιέσει το τεστ που επινόησαν ο ίδιος και ο Leggett, όπως είχε αρχικά προβλεφθεί:να ελέγξει αν ισχύει ο ρεαλισμός για ένα πραγματικά μακροσκοπικό αντικείμενο. Εάν αποτύχει, η αίσθηση της πραγματικότητας θα έβγαινε πραγματικά από το παράθυρο.