Pe stadion domnește o tăcere solemnă, plină de anticipație. Portarul e gata să plonjeze ca să respingă mingea pe care jucătorul din echipa adversă este pregătit să o lanseze spre poartă, dintr-o lovitură de pedeapsă. Arbitrul fluieră, jucătorul șutează direct spre poartă, portarul zâmbește pentru cât de ușor se arată totul. Ceva ciudat se întâmplă însă: mingea trece și prin dreapta, și prin stânga sa, ajungând în plasă acompaniată de vuietul suporterilor.
Imposibil? Nu și dacă mingea este o particulă microscopică, precum un atom sau un electron. Căci lumea microscopică eludează legile fizicii stabilite de Newton, legi ce explică cu succes vasta majoritate a fenomenelor și întâmplărilor ce au loc în viața noastră de zi cu zi. Lumea microscopică se supune legilor contraintuitive, ce par aproape magice, ale mecanicii cuantice.
Mecanica cuantică este un cadru matematic stabilit la începutul secolului trecut ce furnizează cea mai clară – cel puțin până în prezent – înțelegere a rezultatelor experimentelor conduse pe sisteme fizice extrem de mici, ca un singur atom, molecule foarte mici sau lumină foarte slabă. Succesul mecanicii cuantice este frapant, conducând eforturi științifice considerabile în cercetarea minusculelor efecte ce stau la baza unor proces importante, cu aplicații vaste – de la rezonanța magnetică nucleară la tranzistor, de la laser la cel mai precis GPS.
Pe lângă succes, un alt cuvânt ce se potrivește foarte bine mecanicii cuantice este „ciudat”. Aceasta deoarece mecanica cuantică consideră ca fiind perfect legitime procesele ce pun unul din sistemele microscopice menționate anterior în două configurații perfect distincte, în același timp! Cu alte cuvinte, mingea noastră microscopică ar putea trece și prin dreapta, și prin stânga portarului, în același timp. Legea care face acest lucru posibil este așa-numitul principiu al suprapunerii cuantice (eng. quantum superposition principle – QSP), care este și unul din fundamentele mecanicii cuantice.
Validitatea acestui principiu la nivel microscopic a fost confirmată de un număr enorm de date experimentale precise. Atomi, electroni și fotoni (componentele de bază ale luminii în mecanica cuantică) au fost surprinși în stări în care configurații fizice completamente distincte se suprapun, ca de exemplu a fi „aici” și „acolo” în același timp.
Este însă acest principiu valid doar în cadrul acestor sisteme elementare de mecanică cuantică? Viața de zi cu zi pare să sugereze că da: mingea de fotbal trece ori prin stânga, ori prin dreapta portarului (câteodată acesta o mai și prinde), niciodată simultan în ambele părți. Lumea macroscopică ce se arată ochilor noștri pare că se sustrage minunăției stărilor cuantice de suprapunere. În același timp, mingile de fotbal sunt alcătuite din atomi, care sunt cuantici. De ce nu-i vedem comportându-se ca în mecanica cuantică? Pentru că pur și simplu astfel de stări sunt foarte fragile și deosebit de greu de văzut – dar totuși acolo pentru ca noi să le putem explora.
Se pot, așadar, observa suprapuneri cuantice de obiecte macroscopice? Aceasta este întrebarea. Este una dificilă, a cărei relevanță nu poate fi îndeajuns subliniată. Un răspuns afirmativ ar da avânt utilizării „ciudățeniei” mecanicii cuantice în sisteme fizice mai mari, dincolo de lumea microscopică.
Este ceea ce și-a propus o echipă de cercetători din care face parte și cea de la Laboratorul Frascati al Institutului Național de Fizică Nucleară din Italia (LNF-INFN), condusă de dr. Cătălina Curceanu. Colaborarea acestor oameni de știință este sprijinită de Comisia Europeană prin acordarea unei finanțări de 4,4 milioane de euro. Intitulat TEQ (Testing the large-scale limit of quantum mechanics), acest proiect reunește opt grupuri de vârf la nivel de cercetare europeană: Universitatea din Trieste (Italia), Universitatea Aarhus (Danemarca), Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italia), Oesterreischische Akademie Der Wissenschaften (Austria), The Queen’s University Belfast (Marea Britanie), Universitatea Tehnică din Delft (Olanda), University College London (Marea Britanie), Universitatea din Southampton (Marea Britanie). Lor li s-a alăturat și compania britanică MSquared. Scopul colaborării TEQ este de a explora efectele cuantice pe o scară mai mare, sub egida programului de cercetare al Comisiei Europene Horizon2020. TEQ se numără printre cele 26 de proiecte finanțate din 374 depuse la categoria Future and Emerging Technologies.
Așa cum este explicat în comunicatul de presă al TEQ, cercetătorii vor levita o mică particulă într-un mediu foarte bine controlat, cu temperatură joasă și vibrații scăzute. Într-un astfel de mediu, un test indirect al QSP poate fi efectuat prin analiza atentă a zgomotului care afectează deplasarea centrului de masă al particulei. Zgomotul măsurat va fi apoi comparat cu predicțiile teoretice din diferite modele, printre care și unele ce prezumă infirmarea principiului suprapunerii cuantice.
Ambiția acestui proiect este de a stabili până unde se întinde validitatea cadrului cuantic. „Aceasta este întrebarea la care trebuie să găsim un răspuns”, afirmă dr. Cătălina Curceanu, cea care conduce echipa LNF-INFN în cadrul proiectului TEQ. „Discuțiile pe această temă animă comunitatea fizicienilor de foarte mult timp, iar acum avem instrumentele experimentale necesare pentru a găsi un răspuns definitiv. Avem deci posibilitatea să facem un uriaș pas înainte, în cercetarea fundamentală și pentru viitorul tehnologiilor cuantice, de la sol în spațiu.”
Repere biografice
Dr. Cătălina Curceanu, prim-cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare la Institutul Național de Fizică Nucleară (INFN), Laboratori Nazionali di Frascati (Roma), și colaboratoare a publicației noastre la rubrica de Știință & Tehnologie, a fost recompensată anul acesta cu „Emmy Noether Distinction for Women in Physics” de către Societatea Europeană de Fizică.
Tot anul acesta ea a primit și premiul Visiting International Scholar (VISA) din partea Universității Wollongong din Australia, iar în 2016 premiul „Women in Physics Lecturer”, acordat de Institutul Australian de Fizică.
Dr. Curceanu se numără de asemenea şi printre câștigătorii premiului „Science and the Big Question” oferit de Fundația John Templeton pentru cercetarea sa asupra principiului de excluziune (ce explică de ce materia nu colapsează spontan în Univers). Prin intermediul acestui program sunt finanțate cele mai bune proiecte de cercetare la nivel internațional, axate pe probleme științifice de maximă importanţă.
