kvanttimekaniikka

Tutkimus ei kuitenkaan liity musiikkiin vaan pyrkimyksiin ymmärtää klassisen fysiikan ja kvanttimaailman hämmentävää rajaa.

Kvanttimekaniikassa esimerkiksi "kappaleilla" havaitaan samanaikaisesti sekä hiukkasten että aaltojen ominaisuuksia, mutta makromaailmassa moiset kummallisuudet katoavat. Miksi?

Ehkä siksi, että ne eivät sittenkään katoa tyystin. Tuoreessa tutkimuksessa on onnistuttu saamaan aikaan kvanttikäyttäytymistä esineessä, joka on mahdollista nähdä paljain silmin – jos kohta juuri ja juuri.

"Tällaisten järjestelmien avulla on todennäköisesti mahdollista kehittää uutta kvanttitehostettua tekniikkaa, kuten huipputarkkoja ilmaisimia ja uudenlaisia muuntajia", arvelee tutkimusta johtanut Michael Vanner Lontoon Imperial Collegesta.

"Jännittävää on, että tarkastelemalla, miten kvanttisuperpositio toimii suuremmassa mittakaavassa, voimme myös testata kvanttimekaniikan äärimmäisiä rajoja."

"Keinotekoisen spin-jään" tietyissä olomuodoissa aine vaikuttaa olevan epäjärjestyksessä, mutta todellisuudessa se on järjestynyttä, mutta poikkeuksellisella tavalla, "topologisesti".

Vastikään löydetyn aineen olomuodon rakenne määrittyy pikemminkin kvanttimekaniikan kuin perinteisen termodynamiikan lakien mukaan.

"Tutkimuksemme osoittaa ensimmäisen kerran, että klassiset järjestelmät kuten keinotekoinen spin-jää voidaan suunnitella siten, että niissä on topologisesti järjestyneitä olomuotoja, joita on aiemmin löytynyt ainoastaan kvanttiolosuhteissa", toteaa teoriapuolta tutkinutta ryhmää Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa johtanut Christiano Nisoli. Kokeet tehtiin Illinois’n yliopistossa Peter Schifferin johdolla.

Tuoreessa tutkimuksessa tarkasteltiin tietyntyyppisen keinotekoisen spin-jään, Shakti-spin-jään, geometriaa. Yleensä tällaisten aineiden jäljille päästään teoreettisesti, mutta tällä kertaa erikoiset ominaisuudet löydettiin kokeellisesti.

Tutkijoiden selvittäessä Shakti-spin-jään ominaisuuksia PEM-elektronimikroskoopilla (Photoemission Electron Microscopy) he huomasivat, että toisin kuin muut keinotekoiset spin-jäät, jotka asettuivat alimmalle energiatasolleen lämpötilan laskiessa, Shakti-versio pysytteli sitkeästi samalla energiatasolla. Jonkin ominaisuuden täytyi säilyä lämpötilan laskusta huolimatta.

"Fyysikot ovat esittäneet jo vuosikymmenten ajan teoreettisia ennustuksia siitä, että kvanttikentissä pitäisi voida olla solmuja, mutta kukaan ei ole ennen meitä onnistunut tekemään niitä", toteaa sekä Jyväskylän yliopistossa että Aalto-yliopistossa toimiva Möttönen.

"Nyt kun olemme todella nähneet näitä kummajaisia, pääsemme viimein tutkimaan niiden erikoisia ominaisuuksia. Erityisen merkittävää tässä on se, että löytömme on yhteydessä useisiin tutkimusaloihin, kuten kosmologiaan, fuusioenergiaan ja kvanttitietokoneisiin."

Tutkijat tekivät solmun tuomalla rakenteen sisään Bosen–Einsteinin kondensaatin sen ulkopuolelta. Ensin he alustivat kondensaatin sisäistä järjestystä kuvaavan kvanttikentän osoittamaan yhteen suuntaan, minkä jälkeen he muuttivat ulkoista magneettikenttää äkillisesti. Silloin pilven keskelle muodostui yksittäisen magneettikentän nollapiste. Sen jälkeen oli odotettava vajaa millisekunti, minä aikana magneettikenttä teki tehtävänsä ja solmu muodostui.

"Koetta varten altistimme rubidium-kondensaatin sopivasti paikassa kääntyvän magneettikentän nopeille muutoksille, minkä seurauksena solmu syntyi alle sekunnin tuhannesosassa. Oivallettuamme oikean solmimistavan ja tehtyämme ensimmäisen kvanttisolmun olemme tulleet solmujenteossa todella taitaviksi. Olemme sittemmin tehneet useita satoja kvanttisolmuja", kertoo professori David Hall Amherst Collegesta.

Eri sivilisaatiot ovat käyttäneet ja arvostaneet solmuja tuhansien vuosien ajan. Solmut ovat muun muassa mahdollistaneet tutkimusretket valtamerten yli ja inspiroineet mitä hienoimpia koriste- ja kuviomalleja. Inkat käyttivät quipu-nimistä solmujärjestelmää tietojen kirjaamiseen. Nykyaikana solmuilla on katsottu olevan merkittävä rooli luonnon kvanttimekaanisissa perusteissa, vaikka niitä ei ole aikaisemmin nähty kvanttidynamiikassa.

Arkielämässä solmuja tehdään tavallisesti kaksipäisiin naruihin tai köysiin. Tällainen solmu ei ole kuitenkaan matematiikan määritelmän mukaan topologisesti stabiili, sillä se voidaan avata narua leikkaamatta. 

Stabiilin solmun päät on pakotettu yhteen. Solmun paikkaa narussa voidaan siirtää mutta solmua ei voida avata leikkaamatta narua.

Toisin kuin solmussa oleva naru tutkijoiden aikaansaamat kvanttisolmut muodostuvat kenttään, jolla on kussakin paikassa tietty suunta. Solmussa oleva kenttä voidaan kuvata lukemattomalla määrällä toisensa läpäiseviä renkaita, joiden kohdalla kentällä on tietty suunta. 

Otsikkokuvassa on visualisointi tutkijoiden muodostaman kvanttisolmun rakenteesta. Jokainen värillinen nauha edustaa joukkoa lähekkäisiä solmulla olevan kvanttikentän suuntia. 

Kukin nauha on kiertynyt itsensä ympäri ja ympäröi muut nauhat kerran. Suunta on sama yksittäisen renkaan kohdalla, mutta vaihtuu renkaasta toiseen. Näin syntyvä rakenne on topologisesti stabiili, sillä sitä ei voi purkaa rikkomatta renkaita. Toisin sanoen solmua ei voi avata supranesteessä ilman, että samalla tuhotaan kvanttiaineen tila.

Alla on kokeellisia kuvia supranesteestä solmimisprosessin aikana. Solmimisaika etenee vasemmalta oikealle. Kirkkaus kertoo hiukkastiheyden, joka vastaa kentän ylös- tai alaspäin osoittavaa suuntaa. Oikeanpuolimmaisessa ruudussa näkyvät mustat renkaat tuovat esiin otsikkokuvassa näkyvän värikkään toruksen, jossa kentän suunta osoittaa sivulle.

Kvanttiteorian kuvaaman mikromaailman kummallisia ilmiöitä on usein havainnollistettu Schrödingerin kissan karulla kohtalolla. Tunnetussa ajatuskokeessa kissa on suljetussa laatikossa, jossa on potentiaalisesti tappava laitteisto. 

Radioaktiivisen ytimen hajoaminen vapauttaa myrkyn, jolloin kissa kuolee. Ellei hajoamista tapahdu, kissa pysyy hengissä. Vasta kun laatikko avataan, saadaan selville, miten kissan on käynyt.

Ytimen hajoaminen tapahtuu 50 prosentin todennäköisyydellä, joten kvanttimekaniikan tulkinnan mukaan kissa on samanaikaisesti sekä elossa että kuollut. 

Paitsi että Erwin Schrödinger ei tarkoittanut sitä, vaan käytti ajatuskoetta kuvaamaan kvanttiteorian puutteita: se ei pysty kuvaamaan makromaailman ilmiöitä. 

Wienin, Harvardin ja Queenslandin yliopistojen tutkijat ovat nyt tulleet siihen tulokseen, että Albert Einsteinin pian satavuotias yleinen suhteellisuusteoria pelastaa kissan epätietoisuudelta ja mahdollisesti kivuliaalta kuolemalta.

Suhteellisuusteorian mukaan gravitaatio saa ajan hidastumaan samaan tapaan kuin huima nopeus. Ilmiö on hyvin vähäinen, mutta silti todellinen ja havainnoilla varmistettu. 

Esimerkiksi toimistokompleksin pohjakerroksessa työskentelevät vanhenevat vuodessa 10 nanosekuntia vähemmän kuin kerrosta ylempänä uurastavat. Vaikka työuria pidennettäisiin kuinka paljon, verotettavaa hyötyä siitä ei kuitenkaan ehdi kertyä.

Uuden tutkimuksen mukaan tämä gravitaatiodilataatioksi kutsuttu ilmiö voi selittää myös siirtymän kvanttimaailman kummallisuuksista arkipäivän tuttuihin ilmiöihin. 

Palataan kissaan. Kvanttimekaanisen tulkinnan mukaan se on periaatteessa kahden tilan superpositiossa. Käytännössä niin ei kuitenkaan ole. Huolimatta siitä, että radioaktiivisen ytimen hajoaminen noudattaa kvanttimekaniikan sääntöjä, jokin tekee ne merkityksettömiksi kissan kokoluokassa. Kissa on joko kuollut tai elävä.  

Makromaailman mittakaavassa keskeinen tekijä on lukemattomien hiukkasten vaikutus toisiinsa. Niitä ei voi enää tarkastella yksittäisinä aaltofunktioina, joita ne kvanttiteorian mukaan ovat. Tutkijoiden mukaan toinen tekijä on Einsteinin teorian mukainen gravitaatiodilataatio. 

Kun yksittäiset hiukkaset muodostavat isompia kappaleita, Maan vetovoima hillitsee niiden kvanttikäytöstä. Hiukkaset ovat teoriassa samanaikaisesti monessa eri paikassa, mutta mitä voimakkaammassa vetovoimakentässä ne ovat, sitä hitaampaa hötkyily on. 

Laskelmien mukaan gravitaatio tuhoaa hiukkasten superposition, jolloin havaitsemamme kappaleet käyttäytyvät havaitsemallamme "normaalilla" tavalla. 

"On aika yllättävää, että gravitaatiolla on oma roolinsa myös kvanttimekaniikassa", hämmästelee tutkijaryhmää johtanut Igor Pikovski. "Gravitaatiota tutkitaan yleensä tähtitieteellisissä mittakaavoissa, mutta näyttää siltä, että se vaikuttaa myös kaikkein pienimpien hiukkasten kvanttiluonteeseen täällä maanpinnalla."

Toistaiseksi tulokset ovat puhtaasti teoreettisia, mutta tutkijoiden mukaan ilmiön pitäisi olla havaittavissa lähitulevaisuudessa tehtävissä kokeissa. Silloin ollaan ehkä askelta lähempänä kvanttiteorian ja suhteellisuusteorian yhdistämistä, joka on ollut jo pitkään tutkijoiden haaveena.

Kvanttikissan pelastumisesta kerrottiin Wienin yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature Physics -tiedelehdessä. 

Kuva: Igor Pikovski/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysic

Aalto-yliopiston tutkijat havaitsivat yhdysvaltalaisten kollegoidensa kanssa ensimmäisenä maailmassa pistemäisen monopolin kvanttikentässä.

Tutkijat tekivät kokeen, jossa rubidium-atomeista muodostunutta kaasua muokattiin magneetittomassa tilassa lähes absoluuttisessa nollapisteessä. Nämä olosuhteet mahdollistivat yksittäisen monopolin luomisen kaasua kuvaavaan kvanttimekaaniseen kenttään.

”Magneetittomassa tilassa kaasun kenttään syntyi samankaltainen rakenne kuin miltä magneettinen monopolihiukkanen näyttää hiukkasfysiikan teorioissa", iloitsee tutkimusryhmäss mukana oleva dosentti Mikko Möttönen Aalto-yliopistosta. 

"Aikaisemmin olemme saaneet aikaan monopolin synteettiseen magneettikenttään, mutta monopolia ei ollut kaasua kuvaavassa kvanttikentässä. Nyt vihdoinkin näimme kvanttimekaanisen monopolin!”

Kvanttimekaniikka on fysiikan teorioista menestyksekkäin. Se kertoo huikealla tarkkuudella hiukkasmaailman ilmiöistä, mutta arkielämän näkökulmasta sen antama kuva todellisuudesta on lievästi sanottuna kummallinen.

Tunnetuimmassa esimerkissä kvanttimekaniikan omituisuuksista Schrödingerin kissarukka ei tiedä, ollako vai eikö olla – siis elävä. Vanha kunnon Erwin-setä loihti ajatuskokeen, jossa suljetussa laatikossa on kissa, myrkkypullo, pieni vasara ja radioaktiivinen atomi. Jos atomi hajoaa, vasara heilahtaa, rikkoo pullon ja kissa kuolee.

Atomin hajoamisen todennäköisyys tietyssä ajassa on 50–50, joten kissan kohtalo selviää vasta, kun laatikko avataan. Yksinkertaista? Eipä olekaan. Kvanttimekaniikan mukaan kissan kohtalo ratkeaa vasta, kun laatikko avataan. Sitä ennen se on yhtä aikaa elävä ja kuollut.

Kun vähemmän kissarakas tutkija avaa laatikon, lemmikkieläimen olotilaa kuvaava aaltoyhtälö romahtaa ja kertoo, kuinka kävi. Kuten kvanttimaailmassa muutoinkin, havainnon tekeminen vaikuttaa maailmaan ja sen tilaan.

Suosiota kasvattava kvanttimekaniikan tulkinta, niin sanottu ”kvanttibayesianismi” eli QBism (Quantum Bayesianism) tarkastelee todellisuutta vielä henkilökohtaisemmalla tai ainakin havaitsijalähtöisemmällä tavalla.

QBismin mukaan esimerkiksi Schrödingerin kissa ei suinkaan ole yhtä aikaa elävä ja kuollut eikä aaltoyhtälö kuvaa sen tilaa. Kissa on suljetussa laatikossa joko kuollut tai elävä, ja se selviää, kun laatikko avataan. Aaltoyhtälö kuvaakin siten havaitsijan mielentilaa ja käsitystä kissan vaihtoehtoisten kohtaloiden todennäköisyyksistä.

Kvanttibayesianismi pohjautuu 1700-luvulla vaikuttaneen brittipapin Thomas Bayesin kehittämään tilastollisuuteen, joka ei perustu kylmiin numeroihin, vaan myös todennäköisyyttä määrittävän tutkijan – tai vaikkapa vedonlyöjän – arvioon ja aikaisempiin kokemuksiin.

Siihen vaikuttaa myös tietomäärän lisääntyminen: uuden tiedon valossa jokin tietty tilanne voi vaikuttaa todennäköisemmältä tai epätodennäköisemmältä. Havaitsijan käsitys ratkaisee asian.

Jotkut fyysikot pitävät kvanttimekaniikan bayesialaista tulkintaa tolkullisempana kuin ”vanhoja tuttuja” tulkintoja, sillä se vähentää kvanttimekaanisten kummallisuuksien määrää. Maallikon kannalta hiukkasmaailman ilmiöt pysyvät edelleen monessa suhteessa järjenvastaisina. Mikä ei silti tee niistä epätodellisia.