Minuni cuantice: efectul Casimir (3)

"Din nimic, nimic va ieşi" o avertizează Regele Lear pe Cordelia în opera omonimă scrisă de Shakespeare. În lumea cuantică lucrurile se petrec într-un mod diferit: în acest microunivers aparte ceva ia naştere din nimic şi poate pune lucrurile în mişcare.

Concret, dacă punem două plăcuţe metalice neutre dpdv electric una alături de cealaltă în vid, se vor deplasa una spre alta, aparent fără motiv. Atenţie, nu se vor deplasa mult. Două plăci având o suprafaţă de un metru pătrat poziţionate la o miime de milimetru una de cealaltă vor resimţi o forţă echivalentă cu puţin peste o zecime de gram.

Fizicianul olandez Hendrik Casimir a remarcat pentru prima dată această minusculă deplasare în 1948. "Efectul Casimir este una dintre manifestările bizare de natură cuantică din lumea microscopică", afirmă fizicianul Steve Lamoreaux de la Universitatea Yale.

Efectul are de-a face cu una din normele ciudate ale lumii cuantice cunoscută sub numele de "principiul de nedeterminare al lui Heisenberg", care în esenţă afirmă următoarele: cu cât ştim mai multe despre unele lucruri aparţinând lumii cuantice, cu atât mai puţin cunoaştem despre alte lucruri. Nu putem deduce, de exemplu, poziţia exactă şi impulsul unei de particule în acelaşi timp. Cu cât suntem mai siguri că ştim unde este particula, cu atât mai puţin siguri suntem de locul spre care se îndreaptă.

O relaţie similară, de incertitudine, există şi în ceea ce priveşte energia şi timpul, cu o consecinţă dramatică. Dacă vidul ar fi cu adevărat gol, ar conţine zero energie la un moment precis definit în timp, un lucru pe care principiul de incertitudine ne interzice să îl cunoaştem.

Rezultă că, de fapt, vidul cuantic nu există. În conformitate cu teoria cuantică a câmpului, în vid iau constant naştere diverse "chestii" cu o durată foarte scurtă de viaţă care apar, privesc pentru foarte scurt timp în jur şi se decid că nu le place ceea ce văd, dispărând în neantul care le-a creat, toate acestea pentru ca Universul să respecte regulile impuse de principiul incertitudinii. În mare parte, e vorba de perechi alcătuite din fotoni şi antiparticulele lor, care se anihilează rapid. Minusculele câmpuri electrice generate de aceste particule care apar de nicăieri şi efectul lor asupra electronilor liberi din plăcile metalice ar putea explica efectul Casimir.

Sau poate lucrurile nu stau astfel. Datorită principiului incertitudinii, câmpurile electrice asociate cu atomii din plăcile de metal variază de asemenea. Aceste fluctuaţii dau naştere unor forţe de atracţie minuscule între atomi, numite forţe van der Waals. "Nu se poate atribui forţa Casimir exclusiv particulelor virtuale din vidul cuantic ori exclusiv minusculei deplasări a atomilor care formează plăcuţele", afirmă Lamoreaux. "Fiecare punct de vedere este corect şi conduce către acelaşi rezultat concret, fizic. "

Indiferent ce variantă îmbrăţişăm, efectul Casimir este suficient de intens pentru a reprezenta o problemă. În mecanisme realizate la scară nanometrică, de exemplu, efectul ar putea determina elementele componente aflate în imediată vecinătate să se lipească unele de altele.

O modalitate de a evita aşa ceva ar fi simpla inversare a efectului. În 1961, fizicienii ruşi au demonstrat teoretic că anumite combinaţii de materiale caracterizate de forţe de atracţie Casimir de valori diferite pot da naştere unor scenarii în care efectul total este unul de respingere. Dovada acestei aşa-numite şi stranii "flotabilităţi cuantice" a fost prezentată în ianuarie 2009 de fizicieni de la Universitatea Harvard, care au realizat un montaj din plăcuţe de aur şi de siliciu separate de bromobenzen lichid (Nature, vol. 457, p. 170).

Read More

Minuni cuantice: efectul Zeno cuantic (2)

Ibricele cuantice privite îndeaproape chiar refuză - uneori - să fiarbă. În alte cazuri, fierberea are loc mai repede. Există chiar şi cazuri în care, supravegheate fiind, ajung la o dilemă existenţială, neştiind dacă să fiarbă ori nu.


Această întreagă nebunie este consecinţa ecuaţiei lui Schrödinger, formula născocită de fizicianul austriac Erwin Schrödinger în 1926 pentru a descrie, de o manieră probabilistică, felul în care obiectele cuantice evoluează de-a lungul timpului.


Imaginaţi-vă de exemplu că efectuaţi un experiment folosind un atom radioactiv, iniţial nedescompus, aflat într-o cutie. Potrivit ecuaţiei lui Schrödinger, în orice moment de după începerea experimentului atomul se află într-un amestec, "o superpoziţie" de stări, dezintegrat ori nu.


Fiecare stare are asociată o anumită probabilitate descrisă matematic prin intermediul unei aşa-numite funcţii de undă. De-a lungul timpului, atâta vreme cât nu privim sistemul cuantic descris mai sus, funcţia sa de undă evoluează odată cu creşterea lentă a probabilităţii asociate stării dezintegrate a atomului. De îndată ce privim, atomul "alege", de o manieră conformă cu probabilităţile descrise de funcţia de undă, sub ce stare ni se înfăţişează, iar funcţia de undă "colapsează (se prăbuşeşte)" către o stare determinată, unică.


Acesta este mecanismul care a dat naştere faimoasei pisici a lui Schrödinger. Să presupunem că o pisică împreună cu un flacon de gaz otrăvitor sunt plasate într-o cutie închisă, în interiorul căreia dezintegrarea radioactivă a unui atom declanşează spargerea sticluţei cu otravă. Este pisica în acelaşi timp moartă cât şi vie, de vreme ce nu ştim dacă dezintegrarea atomului a avut loc?


Nu ştim. Tot ce ştim este că experimente care utilizează obiecte de dimensiuni din ce în ce mai mari, printre care recent s-a numărat şi o bandă de metal rezonantă suficient de mare pentru a putea fi văzută la microscop, par să indice că într-adevăr obiectele pot ajunge să adopte două stări simultan (Nature, vol. 464, p. 697).


Cel mai ciudat lucru despre cele afirmate mai sus este ideea că simpla observare a unui sistem cuantic poate modifica comportamentul acestuia. Să ne referim la atomul nedescompus de mai înainte: observarea sistemului şi constatarea că atomul nu s-a dezintegrat readuce "montajul" la o stare bine determinată, iar evoluţia ecuaţiei lui Schrödinger către starea de "dezagregare" trebuie să înceapă din nou de la zero.


Corolarul este că dacă continuaţi să "măsuraţi" sistemul suficient de des, acesta nu va fi niciodată capabil să se dezintegreze. Această posibilitate poartă numele de efect Zeno cuantic, după filozoful grec omonim din Elea, care a imaginat un paradox celebru care "dovedeşte" că dacă împărţim timpul în clipe din ce în ce mai mici, am putea face schimbarea ori mişcarea imposibile.


Şi efectul cuantic Zeno chiar se petrece în realitate. În 1990, cercetătorii de la National Institute of Standards and Technology din Boulder, Colorado, au demonstrat că ar putea menţine un ion de beriliu într-o configuraţie energetică instabilă, oarecum asemănătoare cu un creion care se balansează sprijinit de vârful său ascuţit, cu condiţia să măsoare în repetate rânduri energia acestuia (Physical Review O, vol. 41, p. 2295).


Efectul invers, "anti-Zeno" - metaforic spus, fierberea mai rapidă a unui "ibric cuantic" - are de asemenea loc. În cazul în care un sistem cuantic are la dispoziţie un aranjament complex de stări cuantice prin care poate trece, dezintegrarea către o stare cu energie mai scăzută poate fi accelerată prin măsurarea sistemului în ordinea corespunzătoare. Acest tip de comportament a fost, de asemenea, evidenţiat în laborator, în 2001 (Physical Review Letters, vol. 87, p. 040402).


Un al treilea truc poartă numele de "efect Hamlet cuantic", propus în cursul anului trecut de către Vladan Pankovic de la Universitatea din Novi Sad, Serbia. Acesta a descoperit că o anumită succesiune de măsurători deosebit de complicate pot afecta un sistem în aşa fel încât să facă ecuaţia lui Schrödinger pentru evoluţia ulterioară a acestuia practic imposibil de rezolvat. Aşa cum afirmă Pankovic: a fi sau a nu fi descompus, "aceasta este întrebarea de nerezolvat prin metode analitice".

Read More

Minuni cuantice: corpuscul şi undă (1)

De la pisici moarte şi vii în acelaşi timp până la particule care apar de nicăieri, de la fotoni care urmează două traiectorii simultan până la acţiuni ciudate la distanţă, fizica cuantică ne dărâmă intuiţiile legate de felul în care funcţionează lumea.

Michael Brooks a făcut o trecere în revistă a bizareriilor şi efectelor din universul cuantic care în mod garantat ne vor surprinde.

Lumina are atât caracter corpuscular, cât şi ondulatoriu şi începem să demonstrăm că şi celelalte lucruri sunt la fel.

1. Ambele şi niciuna. Dualitatea corpuscul-undă.

Nu este necesar să ai cunoştinţe de fizică cuantică pentru a recunoaşte bizareriile lumii cuantice. Cea mai veche şi mai grandioasă dintre tainele cuantice face referire la o întrebare care a pus la încercare minţile cele mai geniale, cel puţin de pe vremea filozofului grec antic Euclid: din ce este compusă lumina? Este lumina undă sau particulă?

De-a lungul timpului părerile legate de această temă au fost împărţite. Isaac Newton credea că lumina este formată din particule minuscule, "corpusculi" în jargonul vremii. Nu toţi contemporanii săi au fost impresionaţi, iar în cadrul unor experimente devenite clasice efectuate la începutul anilor 1800 polivalentul Thomas Young a dezvăluit felul în care se propagă o rază de lumină la trecerea prin două fante înguste plasate în apropiere una de cealaltă, producând un tipar de interferenţă caracteristic undelor pe un ecran poziţionat în spatele fantelor.

Deci, despre ce este vorba de fapt, de particulă ori de undă? Nerăbdătoare să-şi stabilească o reputaţie de contestatar al ideilor fizicii clasice, teoria cuantică a oferit un răspuns la scurt timp după ce şi-a făcut apariţia pe scena ştiinţelor, la începutul secolului XX. Lumina are atât un caracter corpuscular (de particulă), cât şi unul ondulatoriu (de undă), reprezentând astfel, în fapt, cu totul altceva. O particulă izolată aflată în mişcare, de pildă un electron, poate suferi fenomenul de difracţie şi poate interfera cu ea însăşi, asemenea undelor şi, credeţi sau nu, un obiect de mărimea unui automobil are asociată şi o natură secundară, ondulatorie.

Acest lucru (natura duală a particulelor - n.tr.) a fost propus în premieră în cadrul unei curajoase teze de doctorat scrisă în 1924 de unul dintre deschizătorii de drumuri din teoria cuantică, fizicianul Louis de Broglie. El a arătat faptul că, prin descrierea particulelor aflate în mişcare ca fiind unde, am putea explica de ce acestea au asociate niveluri energetice discrete, cuantizabile, neputându-li-se asocia un spectru energetic continuu, aşa cum prezicea fizica clasică.

De Broglie a presupus la început că acest lucru este doar un concept abstract, de natură matematică, dar dualitatea undă-particulă este "dureros" de reală. Experimentul clasic de interferenţă a undelor luminoase efectuat de Thomas Young (1773-1829) a fost reprodus înlocuindu-se lumina cu electroni sau cu tot felul de alte particule.

Într-adevăr, trebuie spus că experimentul nu a fost realizat folosind un obiect macroscopic, cum ar fi un automobil în mişcare. Lungimea de undă de Broglie asociată unui asemenea obiect are o valoare de aproximativ 10^-38 metri, iar a supune o aşa entitate unor fenomene precum difracţia ar presupune construirea unor fante cu o deschidere de acelaşi ordin de mărime, o sarcină care depăşeşte cu mult posibilităţile noastre tehnologice. Experimentul a fost realizat, totuşi, folosind fulerene, molecule de forma unei mingi de fotbal formate din 60 de atomi de carbon, care, la un diametru de aproximativ un nanometru, sunt suficient de mari pentru a fi văzute la microscop (Nature, vol. 401, p. 680).

Toate acestea ridică o întrebare fundamentală: cum este posibil ca substanţele să fie unde şi particule în acelaşi timp? Poate pentru că nu sunt nici una dintre cele două, afirmă Markus Arndt de la Universitatea din Viena, Austria, care a efectuat în 1999 experimente utilizând compuşii menţionaţi mai sus. Ceea ce noi numim electroni sau fulerene s-ar putea dovedi, în cele din urmă, entităţi cu nimic mai reale decât un sunet produs de un detector ori decât imaginea reconstituită la nivel cerebral generată de câţiva fotoni care vin în contact cu retina. "Ne-am putea, aşadar, referi la unde şi particule ca fiind doar simple construcţii mentale ce au menirea să ne faciliteze conversaţiile cotidiene", afirmă el.

Read More

Interferenţa cuantică, filmată în timp real

O echipă internaţională de fizicieni a reuşit să filmeze în timp real tiparul de interferenţă creat de molecule mari, după ce acestea treceau prin două fante. Tehnica ar putea furniza detalii suplimentare despre graniţele dintre fizica cuantică şi cea clasică.

Mai mult decât atât, avem de-a face cu un exemplu minunat care evidenţiază dualitatea undă-particulă din mecanica cuantică.

Procesul de realizare a unui tipar de interferenţă pe un ecran pe măsură ce particulele trec prin două fante alăturate este unul dintre cele mai faimoase exemple despre cum o entitate cuantică, de pildă un electron, se poate comporta atât ca o particulă, cât şi ca undă. Aceste cercetări îşi au originea în celebrul experiment cu doua fante realizat de Thomas Young la începutul anilor 1880. Când Young a emis lumină prin aparatul său, a observat un tipar de franje luminoase şi întunecate, care puteau fi explicate doar de interferenţa fronturilor de undă. În anii 1920, s-a arătat că acelaşi fenomen apare şi în cazul electronilor, punându-se astfel bazele conceptului dualităţii undă-particulă. Recent, comportamente similare au fost observate în momentul folosirii moleculelor având în conţinut un număr de până la 400 de atomi.

De asemenea, fizicienii au demonstrat că particulele individuale creează un tipar de interferenţă care ia naştere pe măsură ce acestea trec prin fante, una câte una, apoi ajung la detector. Astfel, se confirmă că fiecare particulă se comportă ca o undă, în timp ce trece prin fante. Observarea comportamentului cuantic în cazul moleculelor de mari dimensiuni este de interes deoarece permite cercetătorilor să investigheze dacă există un prag la care particulele nu se mai comportă ca unde şi încep să urmeze legile clasice ale fizicii.
Interferenţe inovatoare

În prezent, fizicieni de la institute din Austria, Israel, Elveţia şi Germania, au observat, în timp real, crearea tiparelor de interferenţă de către molecule de ftalocianină cu 58 de atomi (C32H18N8) şi derivaţi de ftalocianină cu 114 atomi (C48H26F24N8O8), cele din urmă fiind cele mai mari molecule care au fost studiate în această manieră. Moleculele au fost produse folosind micro-evaporarea, proces în care o rază laser a fost focalizată pe un strat subţire de substanţă. Astfel s-a redus sarcina termică aplicată mostrei, prevenind descompunerea moleculelor şi furnizând cercetătorilor un fascicul intens şi coerent de molecule organice mari.

Echipa a mai creat şi o reţea de difracţie din azotat de siliciu, cu o separare de 100 nm între fante. Aceasta a asigurat că unghiul de difracţie a fost suficient de mare pentru a rămâne fix după ce moleculele au trecut prin fante. Mai mult, reţeaua a avut doar 10 nm grosime (de 16 ori mai subţire decât reţelele anterioare), pentru a reduce interacţiunile dintre molecule şi materialul reţelei.

O altă inovaţie importantă a fost utilizarea microscopiei fluorescente pentru detectarea moleculelor. Acest proces a implicat excitarea moleculelor cu un laser, iar lumina emisă de acestea a fost proiectată pe o cameră EMCCD (dispozitiv CCD de multiplicare a electronilor). Această tehnică, care a permis determinarea poziţiei fiecărei molecule cu o precizie de 10 nm, a fost de 10000 de ori mai sensibilă decât metodele anterioare de detecţie.

Frame-uri selectate dintr-un film în timp real care înfăţişează construirea tiparului de interferenţă cuantică obţinut în experimentul cu două fante folosind molecule mari de ftalocianină.

Un tipar de interferenţă de manual

Produsul final este un film prezentând crearea succesivă a tiparului de interferenţă pe durata a 90 de minute, fiecare moleculă apărând ca un punct fluorescent pe un fundal negru.

„Sosirea fiecărei molecule radiante este, obiectiv, impredictibilă şi, totuşi, ansamblul relevă tiparul de interferenţă într-o manieră perfect deterministă”, spune un membru al echipei, Markus Arndt, de la Universitatea din Viena. „Experimentele anterioare redau interferenţa însă nu se puteau stoca particulele pe un detector pentru analize ulterioare. Prin intermediul imagisticii fluorescente se poate vizualiza natura particulelor din molecule, mult mai bine decât cu orice altă versiune anterioară şi se poate face acest lucru şi la câteva ore după experiment”.

Echipa a folosit aceste imagini pentru a trasa curbele 1D de difracţie, integrând tiparele peste o secţiune a distribuţiei vitezei moleculelor. Cum era de aşteptat, curbele indică un punct maxim central, înconjurat de puncte secundare (descrise de cercetători ca o „difracţie de manual a unor unde plane pe o reţea de difracţie”).

Limitele cuantice

„Studiul interferenţei cuantice a moleculelor mari este important deoarece reprezintă o cale de explorare a limitelor comportamentului cuantic până la care se poate ajunge în cazul obiectelor macroscopice”, spune Wieland Schöllkopf, fizician de la Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft din Berlin, care nu a fost implicat în studiu. „Cred că pe baza altor tehnici experimentale ingenioase precum, de exemplu, nanotehnologiile folosite de grupul din Viena, va fi posibilă mutarea limitelor din ce în ce mai departe”.

Arndt consideră că tehnologiile lor pot fi acum scalate pentru mase moleculare mai mari. „Mecanica cuantică nu a fost testată până acum pentru acest regim parametrizat şi este sarcina experimentatorilor să exploreze necunoscutul”, spune Arndt. „Dacă lumea noastră este pur cuantică sau dacă există o tranziţie efectivă către fizica clasică, este un răspuns care poate fi dat doar prin experimente viitoare”.

Un videoclip pe această temă poate fi urmărit aici.

Cercetările prezentate sunt descrise în „Nature Nanotechnology”.

Read More