Nagroda Nobla z fizyki co roku potrafi zaskoczyć. Tegoroczni laureaci, John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis, udowodnili, iż choćby 100-letnia mechanika kwantowa ma dla nas jeszcze asy w rękawie.
Naukowcy z USA udowodnili, iż efekty kwantowe nie są zarezerwowane tylko dla najmniejszych cząstek, ale mogą dziać się dosłownie na naszych oczach, w układzie, który można trzymać w dłoni!
Królewska Szwedzka Akademia Nauk podjęła decyzję o przyznaniu Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2025 r. „za odkrycie makroskopowego tunelowania mechaniczno-kwantowego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym”. Nagrodę otrzymali John Clarke, Uniwersytet Kalifornijski, Berkeley, USA, Michel H. Devoret, Uniwersytet Yale w New Haven, Connecticut oraz Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara, USA i John M. Martinis, Uniwersytet Kalifornijski, Santa Barbara, USA.
Nobel z fizyki 2025 za ten eksperyment
Przez dekady fizyków nurtowało jedno fundamentalne pytanie: jaka jest maksymalna wielkość układu, w którym wciąż możemy zaobserwować efekty mechaniki kwantowej? Fizyka kwantowa zwykle kojarzy nam się ze światem atomów.
Słynny eksperyment myślowy z kotem Schrodingera udowadnia nam przecież, iż w trudno spodziewać się, byśmy na co dzień doświadczali efektów kwantowych. Gdy w grę wchodzi duża liczba cząstek, efekty mechaniki kwantowej zwykle stają się nieistotne. Nauka potrafi pokonać jednak każdą barierę.
Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla przeprowadzili eksperymenty z obwodem elektrycznym, w których zademonstrowali zarówno tunelowanie kwantowe, jak i skwantyzowane poziomy energii w układzie na tyle dużym, iż można go było trzymać w dłoni.
W latach 1984 i 1985 John Clarke , Michel H. Devoret i John M. Martinis przeprowadzili serię eksperymentów z obwodem elektronicznym zbudowanym z nadprzewodników, elementów, które mogą przewodzić prąd bez oporu elektrycznego.
Stworzyli układ, w którym cząstki naładowane (czyli prąd płynący w nadprzewodniku) zachowywały się jak jedna gigantyczna „makroskopowa cząstka”, która wypełniała cały obwód.
Początkowo ten system był w stanie zerowego napięcia, „uwięziony” za barierą energetyczną. Ku zdumieniu badaczy, układ zdołał uciec z tego stanu poprzez tunelowanie, co fizycy wykryli, mierząc pojawienie się napięcia.
Tunelowanie, czyli jak cząstka przechodzi przez ścianę
Tunelowanie kwantowe to jedno z najbardziej zaskakujących zjawisk fizyki. W świecie klasycznym, jeżeli piłka uderzy w mur, zatrzyma się. W świecie kwantowym potrafi przez ten mur przejść. To trochę tak, jakby elektron znalazł skrót przez ścianę, której nie powinien przekroczyć.
Tunelowanie kwantowe (efekt tunelowy) to zjawisko fizyczne, w którym cząstka może przeniknąć przez barierę potencjału, mimo iż jej energia jest mniejsza niż wysokość tej bariery – co jest niemożliwe w fizyce klasycznej. Zjawisko to wynika z falowej natury cząstek i jest opisane przez równanie Schrödingera, a jego prawdopodobieństwo zależy od wysokości i szerokości bariery oraz energii cząstki.Eksperyment noblistów pokazał, iż takie zjawisko może wystąpić nie tylko w pojedynczych cząstkach, ale w całym systemie, który można trzymać w dłoni. Ich obwód z nadprzewodników, początkowo „uwięziony” w stanie bez napięcia, nagle zmieniał swoje zachowanie przeskakiwał do stanu z napięciem, jakby „uciekł” przez barierę.
To był dowód, iż mechanika kwantowa nie kończy się na świecie atomów. Makroskopowy układ zachował się jak gigantyczna cząstka kwantowa.
Laureaci potrafili również wykazać, iż układ zachowuje się w sposób przewidywany przez mechanikę kwantową i jest skwantowany, co oznacza, iż pochłania lub emituje tylko określone ilości energii.
Więcej na Spider’s Web:
Od tranzystora po komputer kwantowy
Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki stworzyła możliwości rozwoju kolejnej generacji technologii kwantowej, w tym kryptografii kwantowej, komputerów kwantowych i czujników kwantowych.
Wspaniale jest móc świętować to, jak licząca sobie sto lat mechanika kwantowa nieustannie oferuje nowe niespodzianki. Jest to również niezwykle przydatne, ponieważ mechanika kwantowa stanowi fundament wszelkich technologii cyfrowych – mówi Olle Eriksson, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki.
Odkrycie nagrodzone Noblem z fizyki 2025 r. to nie tylko triumf nauki, ale też symboliczny most między mikro- i makroświatem. Pokazuje, iż granica między nimi nie jest tak ostra, jak kiedyś sądziliśmy.
Zjawiska, które przez lata wydawały się zarezerwowane dla fizyki atomowej, dziś napędzają technologie przyszłości. A wszystko zaczęło się od eksperymentu, w którym prąd elektryczny nauczył się przechodzić przez ścianę, jakby przypomniał nam, iż w fizyce, podobnie jak w życiu, nie ma rzeczy niemożliwych.
