Mentionsy

Piotr Wcisło jest profesorem na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz badaczem w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej.

Natomiast w fizyce kwantowej my nie mówimy dokładnie o położeniu czy o prędkości cząstki, tylko mamy funkcję falową, gdzie w najprostszy sposób o tej funkcji falowej, takiej kwantowej funkcji falowej, która określa stan cząstki czy stan układu wielu cząstek w danej chwili, możemy myśleć w taki sposób.

Natomiast ten taki kontrastujący, ten taki najbardziej uderzający moment jest wtedy, gdy my potrafimy spreparować taki układ eksperymentalny, gdzie jaskrawą

Natomiast dzisiaj to bez problemu jesteśmy w stanie w laboratoriach robić.

I teraz gdybyśmy te detektory, gdyby one nie były takimi zwykłymi, klasycznymi detektorami, tylko one by były takimi detektorami kwantowymi, na przykład składającymi się, zamiast detektora mamy pojedynczy atom w takim porządnym, dobrze zdefiniowanym stanie kwantowym, jeden detektor i drugi detektor.

Teraz, gdy detektorem nie byłby klasyczny przyrząd, tylko układ kwantowy, na przykład pojedynczy atom, to my byśmy nie zrobili pomiaru w sensie klasycznym.

Po takim, w cudzysłowie, akcie pomiaru, my byśmy mieli superpozycję, że albo atom po lewej jest wbudzony, albo po prawej.

Wyekstrahować pojedyncze atomy, potrafimy pojedyncze atomy spułapkować i potrafimy tę kopenhaską interpretację, czyli tą bardziej bym powiedział intelektualnie stymulującą, że te prawdopodobieństwo odnosi się do pojedynczego atomu, ją potrafimy bardzo precyzyjnie w laboratorium w takich już powoli bym powiedział standardowych eksperymentach obserwować.

Natomiast większość aspektów tej debaty jest, bym powiedział...

Piotr Wcisło, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej, European Research Council ERC.

To, że ja teraz siedzę na krześle i nie spadam grawitacyjnie na podłogę, to dlatego, że w strukturach krzesła, na którym siedzę, atomy, molekuły wiązane są razem, potem w ciało stałe za pomocą oddziaływań elektromagnetycznych.

Bo to są atomy, które tak naprawdę na zewnątrz mają dużą chmurę elektronową, a tylko w środku, w samym jądrze, który jest 100 tysięcy razy mniejszy od całego atomu, tam dopiero zaczynają grać rolę oddziaływania silne i słabe,

Natomiast ten świat, który obserwujemy w życiu codziennym, to on jest w ogromnej mierze tylko z trzech cząstek elementarnych.

Natomiast tutaj o jednej ważnej rzeczy nie powiedziałem, że poza tą strukturą teoretyczną, poza tymi rodzinami cząstek, w strukturze tego problemu jest około 20 stałych, bezwymiarowych...

Natomiast my nie wiemy, skąd bierze się wartość tych stałych.

Natomiast te stałe bezwymiarowe możemy niezwykle dokładnie mierzyć.

Natomiast jeśli skupimy się tylko na stałych czy na parametrach modelu, które są bezwymiarowe, to wtedy odizolowujemy się od tego arbitralnej potrzeby wyboru systemu jednostek.

To by było źle postawione pytanie, bo gdybym zapytał, jaka jest masa elektronu, to byśmy za chwilę wpadli w problem, jak zdefiniować jednostkę masy, czy to ma być kilogram, czy to ma być atomowa jednostka, jak wzorzec kilogram i by była cała kaskada problemów.

Nie daje konsystentnego modelu wszechświata, natomiast model standardowy na poziomie badania samej fizyki kwantowej, to model standardowy nigdzie wyłomu do modelu standardowego nie zaobserwowaliśmy.

Natomiast to nie jest tak, że hipoteza o ciemnej materii wywala model standardowy.

Poprzez to, że badają bardzo dokładnie, spektroskopowo strukturę tamtejszych atomów, tamtejszych molekuł, potrafią wyznaczyć wartość tamtejszych, ówczesnych stałych fundamentalnych, a z drugiej strony ultradokładnie takie same pomiary są robione w laboratoriach i wszyscy ostrzą sobie zęby na to, żeby pokazać, że gdyby się stała którakolwiek, albo czasowo, albo przestrzennie zmieniała, to to od razu wywala model standardowy.

My w Toruniu, w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Uniwersytecie Mikołaja Kopernika zrobiliśmy taki bardzo awangardowy, pierwszy na świecie tego typu eksperyment.

Gdzie my pokazaliśmy, że można wykorzystać optyczne zegary atomowe.

Wykorzystaliśmy nasze optyczne atomowe zegary do tego, żeby przesunąć tą granicę poznania o kilka rzędów wielkości dla jednej z tych stałych.

Natomiast one cały czas uderzają w te same fundamentalne równania, które opisują teorię kwantową na takim najgłębszym możliwym poziomie.

Jednocześnie były prowadzone, nasłuchiwaliśmy naszymi zegarami optycznymi, zegarami atomowymi w Toruniu.

Wcześniej był taki paradygmat, że żeby wykorzystać sieć optycznych zegarów atomowych, żeby robić takiego

Piotr Wcisło, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularna Fizyka Atomowa.

To jest bardzo obszerny taki front badań, natomiast to jest tylko jedna z takiej kaskady pomysłów na to, gdzie można spróbować właśnie tą granicę poznania przesunąć jeszcze trochę w nadziei, że wreszcie model standardowy się podda i pokaże nam inną twarz.

generuje taki zakaz, że odpowiednie przejścia dipolowe w atomach są niedozwolone.

Atom to jest głównie oddziaływanie elektromagnetyczne.

Elektrony i protony i jakbyś skonstruował fizykę atomową z oddziaływań tylko elektromagnetycznych, to byś się dowiedział, że takie przejścia są ściśle niedozwolone.

Natomiast okazuje się, że w modelu standardowym jest jedno oddziaływanie, które łamie tę symetrię.

I to, co ludzie robią, to robią takie, no, wydawałyby się elektromagnetyczne eksperymenty, że manipulują elektronami w atomach, ale przez to, że tam minimalnie sprzęga się oddziaływanie słabe, że minimalnie bozony Z lub W mediują oddziaływania,

To pewne przejście w atomie staje się dozwolone.

Robiąc taki eksperyment czysto elektromagnetyczny, fizyka atomowa czy molekularna dała wgląd

I to jest jakby taka dyskusja o symetriach wewnątrz modelu standardowego, natomiast ta cała dyskusja przesuwa nas na front poznania współczesnej fizyki wtedy, gdy my mówimy o takich ogólnych symetriach całego modelu standardowego.

To znaczy, są proste molekuły, które nie mają takiej własności skrętności, ale są molekuły, które mają taką strukturę trochę jak prawa czy lewa ręka, że te atomy się tak układają, że można je zrobić taki prawoskrętny i lewoskrętny odpowiednik tej samej molekuły.

Atomy w takiej molekule są wzajemnie zaaranżowane, jak są daleko od siebie, jak oddziałują.

Kolejnym takim absolutnie niesamowitym przykładem jest, znowu wracamy do zegarów optycznych, zegarów atomowych, gdzie najlepsze zegary, to już nie u nas w laboratorium, tam liderem jest grupa Colorado w Stanach Zjednoczonych, gdzie wymasterowano

Natomiast to, gdzie teraz ludzkość doszła technologicznie, to doszliśmy do momentu, gdzie ta odległość jest dużo mniejsza niż milimetr.

Atomy, które są tymi takimi atomowymi zegarami i w ramach takiej jednej pułapki atomowej widzą, że takiej mikroskopowej pułapki, która ma wielkość kilkadziesiąt mikrometrów, widzą, że czas trochę inaczej płynie w jednej części pułapki, a trochę inaczej w innej części pułapki.

Za dwa, trzy rzędy wielkości, a ten postęp wykładniczo, postęp na skali logarytmicznej on liniowo wzrasta, to znaczy tam powiedzmy co pięć lat o rząd wielkości, spodziewam się, że za dekadę, dwie, ludzkość dojdzie do dokładności, gdzie dojdziemy do takiego niesamowitego przecięcia się oddziaływań grawitacyjnych i teorii kwantowej, to znaczy w ramach wielkości pojedynczego atomu

To, że jest gradient pola grawitacyjnego, to, że dół atomu jest trochę niżej niż góra, czas będzie dla elektronu trochę płynął wyżej, jak elektron jest nad protonem, a trochę jak jest pod protonem i wtedy grawitację trzeba będzie włączyć, tę poprawkę grawitacyjną do wytłumaczenia struktury atomu.

Na przykład dyskusje traktowali to jako taką niepotrzebną, no okej, po co zastanawiać się, czy interpretacja probabilistyczna funkcji falowej dotyczy jednego atomu, skoro i tak nigdy to jest absolutnie niemożliwe, żeby robić eksperymenty na pojedynczych atomach.

Dzisiaj to w najbardziej zaawansowanych laboratoriach to już złotyna, że atomy się pojedynczo w oczkach takiego sztucznego kryształu stworzonego z wiązek laserowych rozkłada się selektywnie w sposób bardzo dobrze kontrolowany, kładzie się po jednym atomie w odpowiednich oczkach i nie tylko operuje się pojedynczymi atomami, każdy z tych atomów da się selektywnie przygotować w ściśle określonym stanie kwantowym.

Można każdy z tych atomów, na każdym z nich osobna można robić inżynierię kwantową, można sobie robić superpozycje różnych stanów.

To jest bardzo mocno związane też z technologią tych optycznych zegarów atomowych, o których przed chwilą mówiłem.

To, co ludzie potrafią robić, to potrafią robić kwantowe splątanie w sposób selektywny pomiędzy atomami w różnych oczkach.

Być może nie mamy czasu, żeby kolejnego takiego wątku i frontu otwierać, ale najkrócej mówiąc, taki pojedynczy atom, taki w takim spułapkowanym, to opisuje jedna przestrzeń Hilberta, taka przestrzeń wektorowa, cokolwiek to znaczy.

Inny atom opisuje inną przestrzeń Hilberta.

I to, co ludzie potrafią robić, to je splątywać, to znaczy sprawiają, że dwa atomy, które mogą być blisko, ale potem można je dać daleko siebie, że one opisywane są taką łączną, już więcej wymiarową przestrzenią Hilberta, czyli mamy taki jeden układ kwantowy i one są razem opisane przez taką bardziej złożoną strukturę matematyczną, ale my sobie możemy je mechanicznie w koherentny sposób oddzielić, te atomy, że na przykład są daleko od siebie.

Natomiast gdy tam dopuści się to, że środowisko na tym wpływa albo że rozpatrujemy pod układ, to to się mówi tam...

Natomiast w technologiach kwantowych jest ogromny zasób taki utylitarny też, który potencjalnie może być game changerem, natomiast na razie jest potencjalnie game changerem.

Tak dynamicznego rozwoju to trudno sobie wyobrazić większy niż ten, który teraz obserwuję, a ja tylko dotykam mojej działki, tego co jest fizyki atomowej i molekularnej tak naprawdę, wokół tego się cały czas, czy optycznej fizyki, wokół tego się kręcimy, a to jest jeden z kilku ważniejszych działów, ale to nie jest cała fizyka.

To tak jest, że rozwój nauki jest tak dynamiczny, że trudno jest śledzić, nawet w mojej działce atomowej i molekularnej, rozwój wszystkich frontów.

Nawet ta fizyka atomowa i molekularna, ona jest niezwykle szeroka, ma wiele kontekstów, np.

Jest fizyka atomowa i molekularna, gdzie bada się, próbuje się spektroskopowo, zdalnie badać strukturę atomów i molekuł w atmosferach innych egzoplanet.

Natomiast jak troszkę zrobimy krok w jedną albo w drugą stronę, nawet w ramach naszej dziedziny, to trudno jest dokładnie śledzić wszystkie.

Natomiast to nie jest tak, że każda