Fyzikové znehybnili atomy tím, že je pozorovali

02.11. 06:11 | Autor: Radek John

Fyzikové studují chování atomů v teplotách těsně nad absolutní nulou.

Každý to zná. Postavíte hrnec polévky na plotnu a zapálíte pod ním plyn. Dokud se na hrnec díváte, polévka se ne a ne začít vařit. Jakmile se mu na chvíli přestanete věnovat, shodí pokličku a přeteče. Něco podobného existuje i v kvantovém světě.

Poloměr atomu se většinou vyjadřuje v desetimiliardtinách metru. Přírodní zákony ve světě tak malých měřítek jsou z našeho pohledu exotické. Popisuje je fyzikální teorie označovaná jako kvantová mechanika. Vědci ji vymysleli na začátku minulého století. Některé její předpovědi jsou bizarní. Fyzikové je ověřují dodnes. Patří k nim i poznatek, že se chování atomů a dalších mikroskopických objektů mění podle toho, jestli je pozorujete. Jeden takový jev teď prokázala trojice vědců z Cornellovy univerzity: Yogesh Patil, Srivatsan Chakram a Mukund Vengalattore.

Útroby ultrachladné laboratoře. Zabránili atomům rubidia v přeskakování z místa na místo jen tím, že se na ně dívali, respektive měřili jejich polohu. Prokázali tak správnost teorie svých kolegů George Sudarshana a Baidyanatha Misry ze sedmdesátých let.

Říká se jí kvantový Zénónův jev. Název odkazuje na starý antický paradox Zénónovy želvy. Kvantové jevy mohou podle Sudarshana a Misry probíhat, jen když se na ně nedíváte. Kdybyste třeba neustále pozorovali uranový atom, neměl by se rozpadnout.

Nad absolutní nulou

Patil, Chakram a Vengalattore sledovali asi miliardu rubidiových atomů při teplotě pouhé miliardtiny stupně nad absolutní nulou. Rubidiové atomy za takových okolností vytvoří mřížku připomínající krystal nějakého minerálu. Podle přírodních zákonů v ní ale mohou přeskakovat z jedné polohy do druhé. Může za to další podivná zákonitost kvantového světa. Říká se jí princip neurčitosti. Fyzikální veličiny jsou podle ní uspořádány do dvojic. Každá dvojice se dá měřit jen s určitou maximální přesností. Ovládací panely laseru.

Čím přesněji změříte jednu veličinu z dvojice, tím méně přesné bude měření u druhé. Mezi takové dvojice patří i poloha a rychlost (přesněji hybnost). Čím lépe znáte rychlost atomu, tím hůř můžete z principu znát jeho polohu.

Teplota je měřítko rychlosti molekul. V experimentu Patila, Chakrama a Vengalattoreho byla známá velice přesně. Atomy ochlazené skoro na absolutní nulu se totiž téměř nepohybovaly. To ale znamenalo, že poloha se dala zjistit naopak velice nepřesně.

Atomy přeskakovaly z jedné pozice v mřížce do druhé. Když na ně však experimentátoři posvítili laserem, přeskakování se zastavilo. Laserové světlo totiž umožnilo změřit polohu atomu v reálném čase. Fyzikové viděli, co atomy zrovna dělají.

Nepolapitelná želva

Jenže podle teorie Sudarshana a Misry mohou atomy přeskakovat, jen pokud se na ně nikdo nedívá. Když Patil, Chakram a Vengalattore laser vypnuli nebo nastavili na nižší výkon, přeskakování se zase rozběhlo. "Je to první pozorování kvantového Zénónova jevu pomocí skutečného prostorového měření pohybu atomů," prohlásil Vengalattore v tiskové zprávě. Všechny podrobnosti výzkumu vyšly v časopise Physical Review Letters.

Výzkum vypadá na první pohled odtažitě a neprakticky. V budoucnosti by však mohl být užitečný. Nabízí totiž možnost přímo kontrolovat pohyb jednotlivých atomů. Mohlo by se to hodit třeba při stavbě počítačů. Navstevě malých fyziků.

A co je vlastně ta Zénónova želva, podle níž se podivný efekt jmenuje? Přestavte si, že se nejrychlejší běžec všech dob, řecký hrdina Achilles, snaží dohonit želvu. Želva se pohybuje pomaleji než Achilles.

Za každý kousek, o nějž se jí hrdina přiblíží, ale přece jen nějakou vzdálenost urazí. Pokaždé, když Achilles doběhne do bodu, kde želva byla před chvílí, bude plaz o kousek dál.

Ačkoliv se vzdálenost mezi želvou a Achillem bude pořád zmenšovat, neměl by ji podle tvůrce paradoxu Zénóna z Eleje hrdina nikdy dohonit. Není to samozřejmě pravda. Zénón totiž nevěděl, že součet nekonečné číselné řady může být konečný. Nebo věděl a paradox vymyslel, aby to demonstroval.

Foto: Mukund Vengalattore, Anne Ju / Cornell Chronicle, ultracold@cornell

Autor: Radek John