A technika legyőzte Einstein kételyét

Bár Einstein szerint képtelenség, most mégis sikerült közvetlenül mérni egy mikroszkopikus részecske cikázását a levegőben. A módszer idővel elvezethet a szubatomi részecskéknél tapasztalt kvantum mechanikai viselkedés eléréséhez a nagyobb részecskéknél is.

A mikroszkopikus részecskék folyadékban vagy gázban Brown-mozgást végeznek. Ez egy szüntelenül zajló, véletlenszerű mozgás, ami a szomszédos molekulákkal való megszámlálhatatlan ütközés eredménye. Albert Einstein is tanulmányozta ezt a mozgást és 1907-ben arra a következtetésre jutott, hogy egy részecske kinetikus energiája, ezáltal sebességének a négyzete arányos környezete hőmérsékletével.

Az energia egyenletes eloszlásának, vagyis az ekvipartíció elvének közvetlen tesztelése azonban nehézségekbe ütközik a Brown-mozgást végző részecskékkel, mivel a számtalan ütközés miatt rendkívül gyorsan változik a részecskék sebessége és iránya. Ha sikerülne egy részecske pozícióját elég gyorsan mérni, akkor lehetséges lenne sebességének mérése is mielőtt az ütközések letérítenék pályájáról. Einstein azonban úgy vélte, hogy az ütközések közötti idő rövidsége miatt ezek a mérések "lehetetlenek".

Mark Raizen és munkatársai az austini Texas Egyetemen megtalálták a módját a közvetlen mérésnek, igaz csak levegőben. A levegő sűrűsége ugyanis alacsonyabb mint a vízé, ezért ritkábbak az ütközések, a mikroszkopikus részecskék irányváltoztatása hosszabb időt vesz igénybe. Sebességük méréséhez a kutatócsoport két lézersugarat használt, amivel foglyul ejtett egy porszem méretű, 3 mikrométer széles üvegszemcsét a levegőben. A lézerfény üvegszemcséről történő visszaverődésének mértéke alapján a csapat több mérést is elvégzett a részecske pozíciójáról, mielőtt az ütközések megváltoztatták volna a pályáját. A pozíció 5 mikroszekundumonkénti meghatározásával mérésekhez jutottak a szemcse sebességéről és elsőként közvetlenül demonstrálták az ekvipartíciós elmélet helyességét.

"Kétségkívül fontos eredmény, hogy képesek voltak közvetlenül mérni egy Brown-részecske sebességét ilyen rövid idő alatt" - értékelte a texasi csapat teljesítményét a Göttingen Egyetem fizikaprofesszora, Christoph Schmidt. "Technikailag lehetségessé vált az önálló részecskék nyomon követése nagyon nagy időbeli és térbeli felbontásban, aminek már csak az szab határt, hogy másodpercenként mennyi fotont tudunk kölcsönhatásba léptetni a részecskével."

Raizen reményei szerint hosszútávon a lézerekkel elérhetik a részecske mozgásának közömbösítését, annyira lelassítva, hogy az a lehető legkisebb energiaállapotát vehesse fel. Ez lehetővé tenné a csapatnak, hogy a szemcsét egy olyan rendszerben tanulmányozza, ahol már a kvantumhatások a meghatározók. Ugyanezt a technikát korábban is tanulmányozták kvantum viselkedést tanúsító organizmusok előállításának egy módjaként.

A Max Planck Kvantumoptikai Intézet kutatói szerint egy influenza vírussal, vagy akár egy medveállatkával is letesztelhető lenne a szuperpozíció, vagyis az objektum több állapotban vagy helyen való egyidejű jelenléte, ezek ugyanis képesek lennének túlélni a kísérlethez szükséges vákuumot. Emellett felfedhetné az ekvipartíció elvének hiányosságait is, mivel a kvantummechanika által irányított objektumok akkor is rendelkeznek valamilyen kinetikus energiával, amikor a hőmérsékletük nulla.