Dober mesec dni po tistem, ko je Slovenija tudi uradno postala članica Cerna v Ženevi, so tamkajšnji znanstveniki razglasili novo veliko odkritje: v detektorju Atlas, ki je del velikega hadronskega pospeševalnika delcev (LHC), so opazili redek pojav »sipanja svetlobe na svetlobi«. Gre za v praksi težko zaznaven kvantni pojav, v katerem med seboj reagirajo svetlobni delci – fotoni. Pojav je bil teoretično predviden že pred osmimi desetletji, ko sta ga prva opisala fizika Halpern in Heisenberg, a pred razvojem dovolj močnega pospeševalnika delcev teorije ni bilo mogoče eksperimentalno potrditi. »Rezultat je prelomen: imamo prvi neposreden dokaz, da svetloba pri visokih energijah reagira sama s seboj,« je odmevno odkritje, ki je bilo objavljeno v znanstveni reviji Nature Physics, komentiral koordinator raziskovanja v Atlasu Dan Tovey. »V klasični teoriji elektromagnetizma ta fenomen sploh ne obstaja,« je dodal. »Zato lahko govorimo o testu kvantne teorije elektromagnetizma.«

Visoka članarina, veliki uspehi

Profesor in raziskovalec na Institutu Jožefa Stefana Marko Mikuž, ki v Atlasu vodi slovensko skupino raziskovalcev, je za Dnevnik potrdil, da gre za težko opazen proces. V osnovi gre za reakcijo štirih fotonov, ki se morajo na ustrezen način »ujeti«, kar pa se zgodi izjemno redko. Znanstveniki so tako pri trkanju delcev – svinčevih ionov, ki v detektorju trčijo s skoraj svetlobno hitrostjo – pregledali štiri milijarde trkov in posledic trkov (pri trkih namreč nastanejo različni novi delci, tudi fotoni). A so med njimi našli le trinajst takšnih, pri katerih bi lahko šlo za interakcijo svetlobnih delcev med seboj.

Vendar, poudarja Mikuž, odkritje ni bilo naključje, ampak rezultat skrbno načrtovanega iskanja. »Naključij v naši panogi ni,« je odločen. »Ravno zato, ker gre za neobičajne dogodke pri trkih svinčevih ionov, je bilo treba posebej nastaviti prožilni sistem, da takih dogodkov ni vnaprej zavrnil.« V raziskavah je sodelovalo kar dva tisoč osemsto znanstvenikov, ki so se vsi podpisali pod omenjeni članek. Med podpisniki je tudi trinajst članov slovenske raziskovalne skupine. Slovenski znanstveniki v Cernu sodelujejo že več kot dvajset let, a šele z julijsko pridružitvijo Slovenije tej »elitni znanstveni povezavi« (kar vključuje tudi plačevanje visoke, milijonske članarine) se Slovenci lahko neovirano ponašajo s tovrstnimi skupnimi dosežki.

Kvantni svet vse okoli nas

Odkritje interagiranja delcev svetlobe ponuja pomemben vpogled v mehanizme kvantne fizike. Ta je v teoriji nadgradila »klasično« fiziko že pred stoletjem, a eksperimentalne potrditve prihajajo šele z dolgo zamudo, po koščkih.

Vloga svetlobe je v kvantni teoriji drugačna kot v klasičnem elektromagnetizmu. »V klasični fiziki svetloba ne more interagirati s svetlobo, saj fotoni – četudi posredujejo pri interakcijah med nabitimi delci – sami nimajo naboja,« so odkritje razložili v ugledni poljudnoznanstveni reviji Physics World. »Vendar Heisenbergovo načelo nedoločenosti, ki je bilo za kvantno fiziko prelomno, pravi, da tudi foton lahko za hip razpade v 'virtualni' par delca in antidelca (antimaterijo, op. p.). Denimo v elektron in pozitron.« Ta dva delca pa naboj imata. »Po tem obstaja spet majhna možnost, da ti delci ponovno tvorijo fotone,« razlaga Physics World. »In posledično lahko tudi tovrstni fotoni med seboj reagirajo, se razpršijo v različne smeri, pri čemer pa ne izgubijo energije (kot bi se zgodilo pri 'klasičnih' trkih delcev, kjer vsak trk pomeni tudi izgubo energije, op. p.).«

Profesor Mikuž poudarja, da tovrstni kvantni fenomeni danes niso več nikakršna novost. »Na določeni stopnji vedenja, pred približno stoletjem, je imela svetloba res dva obraza,« je spomnil na začetke kvantne fizike, ko so znanstveniki s poskusi preverjali, ali je svetloba sestavljena iz delcev ali valovanja, in so ugotavljali, da velja oboje. »Kvantna teorija polja oziroma kvantna elektrodinamika danes (enotno) opisuje svetlobo s pomočjo kvantnomehanskega polja, torej fizikalno količino, ki je prisotna v prostoru in času,« pravi Mikuž. »Ta teorija predpisuje tudi, kako to polje sodeluje z okolico. Dileme 'delci ali valovanje' ni več, saj kvantna elektrodinamika dobro opiše vse pojave v zvezi s svetlobo.«

Tudi sicer, pravi Mikuž, kvantna mehanika ni več veliko čudo. Kvantne pojave na subatomski ravni – denimo hkratni obstoj dveh nasprotujočih si stanj snovi – ljudje intuitivno resda težko dojamemo. A ti pojavi v makroskopskem svetu, pri nadatomskih dimenzijah, »lepo preidejo v klasično fiziko«, pravi Mikuž. »Kvantnomehanskih pojavov je v resnici kolikor hočete – delujejo v računalniku, na katerem pišem, in v mobilnem telefonu, s katerim se pogovarjava.«