Każdy atom we wszechświecie może być wyjątkowy — fizyk chce to sprawdzić

Wyobraź sobie dwa przedmioty, które są swoimi idealnymi kopiami. Żadnych rys, żadnych różnic – absolutna identyczność. Dla fizyków takimi kopiami są atomy: od dawna zakłada się, że jeśli dwa atomy mają tę samą liczbę protonów, neutronów i elektronów, są nierozróżnialne. To założenie leży u podstaw całej współczesnej fizyki, od mechaniki kwantowej po projektowanie komputerów kwantowych. A co, jeśli jest po prostu mylne?

Mark Raizen z University of Texas w Austin, w artykule opublikowanym w czasopiśmie Physics Letters B, proponuje eksperyment, który może to sprawdzić. Chce udowodnić, że każdy atom we wszechświecie może mieć swoją unikalną „tożsamość”.

To tylko założenie, nigdy nie zostało potwierdzone

→ Czytaj też: Schrödinger nie znał DNA, a i tak zadał pytanie, które wciąż napędza fizyków

Idea, że atomy tego samego izotopu są identyczne, jest fundamentem fizyki, ale – jak wskazuje sam Raizen – nigdy nie została poddana bezpośredniej, eksperymentalnej weryfikacji. „Lubimy, gdy teoria i eksperyment idą w parze” – mówi fizyk w rozmowie z Scientific American. „To pytanie nigdy nie było testowane eksperymentalnie i właśnie to czyni je interesującym”.

Porównanie do samochodów tej samej marki i modelu dobrze oddaje sedno sprawy. Christian Sanner z Colorado State University, który nie brał udziału w badaniu, tłumaczy: „Gdyby atomy były rozróżnialne, patrzenie na dwa atomy tego samego typu byłoby jak patrzenie na dwa samochody tej samej marki i modelu – na pierwszy rzut oka wyglądają identycznie, ale gdy przyjrzysz się dokładniej, zauważysz drobne różnice w dokręceniu śrub czy szczelinach między drzwiami a nadwoziem”.

Zegar atomowy w roli głównej

→ Czytaj też: Ogórek pod napięciem świeci. Fizycy w końcu odkryli dlaczego

Jak zmierzyć coś tak niewyobrażalnie małego? Raizen proponuje wykorzystanie lasera do schładzania i pułapkowania pojedynczych izotopów w ultraprecyzyjnym zegarze atomowym. Taki układ pozwoliłby wykryć minimalne różnice w poziomach energetycznych atomów, badając subtelne niuanse pola magnetycznego wytwarzanego przez wirujące jądro każdej cząstki. To właśnie tak zwany moment magnetyczny jądra może zdradzić, czy atomy faktycznie są unikalne.

Eksperyment opiera się na pracach, które Raizen prowadził od czasów studiów podoktorskich w amerykańskim National Institute of Standards and Technology. Już wtedy pomagał w opracowaniu metody, która pozwalała zegarom atomowym schładzać i pułapkować łańcuch naładowanych atomów „jak perły na naszyjniku”. Późniejsze prace nad kontrolą tych uwięzionych cząstek doprowadziły do skuteczniejszych metod rozdzielania izotopów – kluczowych w radioterapii nowotworów i diagnostyce obrazowej.

Kiedy eksperyment zamyka koło

Dla Raizena proponowany eksperyment ma wymiar osobisty. „To zamyka krąg, który rozpoczął się 30 czy 35 lat temu. To bardzo satysfakcjonujące i ekscytujące móc połączyć te rzeczy, do których nigdy nie planowałem wracać” – przyznaje. Jego pomysł nie jest odosobniony w środowisku naukowym.

Nawet jeśli nie wszyscy są przekonani, że atomy mogą być wyjątkowe, większość fizyków zgadza się, że testowanie przyjętych założeń jest niezbędne. „To jest postawa współczesnej nauki” – zaznacza Sanner. „Spekulacja jest potrzebna, by tworzyć nowe, kreatywne pomysły, ale ostatecznie to wyniki eksperymentów są prawdziwym rozjemcą”.

Gdyby okazało się, że każdy atom jest unikalny, nasze rozumienie materii i podstaw kwantowej nieoznaczoności mogłoby wymagać gruntownej aktualizacji. Na razie to tylko hipoteza, ale jedna z tych, które – jeśli się potwierdzą – mogą zmienić fizykę na zawsze.