Uvnitř Ultrachladné laboratoře. Kredit: Mukund Vengalattore.

Představte si, že někdo napne luk, zacílí a pak vypustí šíp. V pozadí zní dramatická hudba, samozřejmě. Jenže letící šíp je v každém okamžiku v určitém bodě prostoru. A v bezrozměrném bodě není žádný pohyb možný. Šíp je tedy po celou dobu v klidu, nám ale připadá, že letí. Tohle je Zenónův paradox letícího šípu v kostce. Dneska sice můžeme Zenóna odkázat do patřičných mezí infinitesimální počtem a skvělými triky, jako jsou derivace a limity, jeho legendární paradoxy jsou ale dodnes inspirující. Dokonce zanechaly otisk ve kvantové fyzice a daří se jim tam velmi uspokojivě.

Mukund Vengalattore vlevo. Kredit: Anne Ju / Cornell Chronicle.

Kvantový Zenonův jev, též známý jako Turingův paradox, je jednou z nejšťavnatějších předpovědí kvantové fyziky. V roce 1977 si George Sudarshan a Baidyanath Misra všimli jeho podobnosti se Zenónovým paradoxem letícího šípu a jméno bylo na světě. V čem ten jev spočívá? Stručně řečeno, když se někdo dívá na kvantový systém, čili když dojde k jeho kvantové dekoherenci a kolapsu vlnové funkce měřením (nebo prostě interakcí s prostředím), tak by se ten systém neměl změnit. Když si vezmete nestabilní částici a nepřetržitě ji pozorujete, tak by se neměla rozpadnout. Asi jako když hrajete akční hru „Cukr, káva, limonáda, čaj rum bum“, mezi foglarovci známou jako „Na trapery“ a vyvolávač zamrzne v pozici čelem k hráčům. Dokud se dívá, nikdo se nemůže ani pohnout.

Hrátky s lasery a ultrachladnými atomy. Kredit: Ultracold Lab.

A právě tento bizarní kvantový jev teď experimentálně potvrdili v Ultrachladné laboratoři Cornellovy univerzity. Mukund Vengalattore a jeho kolegové o tom sepsali ostře sledovanou publikaci do časopisu Physical Review Letters. Vzali si asi tak jednu miliardu atomů rubidia, ve vakuu je ochladili na teplotu blízkou absolutní nule a pak je rozprostřeli mezi laserové paprsky. Atomy se uspořádaly tak, jako kdyby byly v krystalické mřížce. Jenže za velmi nízkých teplot mohou atomy kvantově tunelovat z místa na místo. Je to kvůli slavnému Heisenbergovu principu neurčitosti, podle něhož jsou poloha a hybnost částic jako spojené nádoby (odborník by řekl že to jsou kanonicky konjugované veličiny). Čím přesněji určíme jednu z těchto vlastností, tím hůře určíme tu druhou. Hybnost na kost zmražených atomů rubidia je prakticky nulová, takže ji známe velmi dobře. A jejich poloha tudíž poskakuje jako splašený zajíc. 

Plačící anděl na lovu. Kredit: BBC.

Vengalattore a spol. dokázali rozverné kvantové tunelování potlačit pouhým pozorováním, právě tak, jak to předpovídá kvantový Zenónův jev. Je to vůbec poprvé, kdy někdo pozoroval tento jev měřením reálného pohybu atomů. Až doposud se kvantový Zenónův jev demonstroval jenom na spinech, tedy vnitřních momentech hybnosti subatomárních částic. Vengalattoreho týmu se rovněž podařilo experiment vyladit tak, že mohli pozorovat, jak kvantový jev odeznívá a vlády se ujímá klasická fyzika.

Vědci pozorovali své atomy mikroskopem, který ovšem nezobrazoval jednotlivé atomy, ale fluorescenci vyvolanou zobrazovacím laserem. Když byl zobrazovací laser vypnut anebo jel na malý výkon, tak atomy rubidia tunelovaly jako divé. Jakmile ale experimentátoři zesílili výkon zobrazovacího laseru, tak chuť atomů k tunelování dramaticky poklesla. Vengalattore a spol. jsou nadšeni a mají teď k dispozici kvantový systém, jehož dynamiku lze ovládat pouhým pozorováním. A komentáři si hned vzpomněli na plačící anděly ze seriálu Pán času (Doctor Who), pořádně děsivé kvantové predátory z počátku vesmíru, kteří se hýbou, jen když se na ně nikdo nedívá.


Video:  Mukund Vengalattore, Cornell University



Literatura
Cornell University 22. 10. 2015, Physical Review Letters 115: 140402, Wikipedia (Quantum Zeno effect).