Ένα επίτευγμα που έρχεται από το University of Vermont υπόσχεται να αλλάξει τον τρόπο που κατανοούμε τον κόσμο των ατόμων και, ταυτόχρονα, να ανοίξει τον δρόμο για τεχνολογίες ακριβείας που μέχρι χθες φάνταζαν αδιανόητες. Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή φυσικής Dennis Clougherty και τον φοιτητή του Nam Dinh κατάφερε να δώσει απάντηση σε ένα ανοιχτό ερώτημα σχεδόν ενός αιώνα: πώς μπορεί να περιγραφεί με ακρίβεια το φαινόμενο του «εξασθενημένου ταλαντωτή» στον κβαντικό κόσμο.
Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στις 7 Ιουλίου 2025 στο περιοδικό Physical Review Research, παρουσιάζει για πρώτη φορά μια ακριβή λύση στο πρόβλημα του εξασθενημένου κβαντικού αρμονικού ταλαντωτή. Με απλά λόγια, οι ερευνητές κατάφεραν να αποτυπώσουν σε μαθηματικό μοντέλο την ταλάντωση ενός ατόμου, όπως ακριβώς η χορδή μιας κιθάρας που πάλλεται και σταδιακά σβήνει, μόνο που εδώ το σκηνικό μεταφέρεται στον κόσμο της κβαντικής φυσικής.
Η σημασία της ανακάλυψης είναι τεράστια. Για σχεδόν 90 χρόνια, Φυσικοί σε όλο τον κόσμο προσπαθούσαν να περιγράψουν αυτά τα φαινόμενα με βάση τους νόμους της κβαντομηχανικής, όμως κάθε προσπάθεια σκόνταφτε επάνω σε ένα θεμελιώδες εμπόδιο: την αρχή της απροσδιοριστίας του Heisenberg. Όπως εξηγεί ο Clougherty, στο επίπεδο κλίμακας ενός ατόμου δεν είναι δυνατόν να γνωρίζουμε ταυτόχρονα με απόλυτη ακρίβεια τη θέση και την ορμή του. Όσο καλύτερα μετράμε το ένα μέγεθος, τόσο περισσότερο χάνουμε την ακρίβεια στο άλλο. Αυτό το όριο αποτελούσε μέχρι σήμερα το μεγάλο «αγκάθι» στη μελέτη των κβαντικών ταλαντώσεων.
Η αφετηρία της αναζήτησης βρίσκεται πολύ πιο πίσω, στις αρχές του 20ού αιώνα. Το 1900, ο Βρετανός φυσικός Horace Lamb διατύπωσε ένα μοντέλο για να περιγράψει πώς ένα σωματίδιο που πάλλεται μέσα σε ένα στερεό υλικό χάνει ενέργεια προς το ίδιο το υλικό. Με τους κλασικούς νόμους του Νεύτωνα, έδειξε ότι τα κύματα που δημιουργούνται από την κίνηση του σωματιδίου επιστρέφουν πίσω σε αυτό, μειώνοντας σταδιακά την ενέργειά του. Στον μακροσκοπικό κόσμο, αυτό είναι εύκολο να το κατανοήσει κανείς: μια χορδή κιθάρας σταματά να πάλλεται. Στο κβαντικό πεδίο, όμως, η εξήγηση δεν είναι καθόλου προφανής.
Εδώ ακριβώς επενέβη η ομάδα του University of Vermont. Με τη στήριξη του National Science Foundation και της NASA, οι Clougherty και Dinh πήραν το κλασικό μοντέλο του Lamb και το «μετέφρασαν» στη γλώσσα της κβαντομηχανικής. Ο Dinh, που αποφοίτησε το 2024 με πτυχίο στη φυσική και το 2025 ολοκλήρωσε το μεταπτυχιακό του στο ίδιο πανεπιστήμιο πριν ξεκινήσει διδακτορικό στα μαθηματικά, εξηγεί:
Στην κλασική φυσική είναι προφανές ότι τα αντικείμενα χάνουν ενέργεια λόγω τριβής ή αντίστασης. Στην κβαντική φυσική όμως, αυτό το φαινόμενο δεν είναι τόσο εύκολο να εξηγηθεί.
Η λύση βρέθηκε μέσα από μια περίπλοκη αλλά αποτελεσματική μαθηματική μέθοδο: τον πολυτροπικό μετασχηματισμό Bogoliubov - Valatin. Η τεχνική αυτή επιτρέπει να «διαγωνιοποιηθεί» το σύστημα και να περιγραφεί η συμπεριφορά του με ακρίβεια, οδηγώντας σε μια κατάσταση γνωστή ως «πολυτροπικό συμπιεσμένο κενό». Σε αυτήν την ειδική κατάσταση, οι φυσικοί κατάφεραν να μειώσουν την αβεβαιότητα στη μέτρηση της θέσης ενός ατόμου, μεταφέροντας την «αταξία» σε μια άλλη μεταβλητή, την ορμή.
Η συνέπεια αυτής της ανακάλυψης μπορεί να είναι εντυπωσιακή: η δυνατότητα μέτρησης της θέσης ενός ατόμου με ακρίβεια μεγαλύτερη από το λεγόμενο τυπικό κβαντικό όριο. Με άλλα λόγια, η νέα θεωρητική περιγραφή ανοίγει τον δρόμο για την ανάπτυξη εξαιρετικά ακριβών εργαλείων μέτρησης, τα οποία ίσως αποτελέσουν στο μέλλον τις μικρότερες μετροταινίες στον κόσμο. Μια τέτοια τεχνολογία θα μπορούσε να αξιοποιηθεί σε νέας γενιάς αισθητήρες, στην κβαντική πληροφορική αλλά και σε εφαρμογές όπου απαιτείται απόλυτη ακρίβεια σε κλίμακες απειροελάχιστες.
Η ιδέα του συμπιεσμένου κενού δεν είναι καινούργια, αλλά αποτέλεσε μάλιστα βασικό στοιχείο στην κατασκευή των πρώτων ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων, οι οποίοι τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 2017, καθώς μπορούσαν να μετρήσουν μεταβολές σε αποστάσεις χίλιες φορές μικρότερες από τον πυρήνα ενός ατόμου. Το γεγονός ότι η ομάδα του Vermont κατάφερε να βρει μια ακριβή λύση σε ένα μοντέλο ηλικίας σχεδόν 100 ετών δείχνει ότι η ίδια μαθηματική «μαγεία» μπορεί να ανοίξει νέους δρόμους και σε άλλα πεδία.
Αν και πρόκειται για καθαρά θεωρητική δουλειά, οι εφαρμογές της μπορεί να αποδειχθούν επαναστατικές. Η δυνατότητα να μειώσουμε την κβαντική αβεβαιότητα και να κατανοήσουμε με ακρίβεια πώς πάλλεται ένα άτομο ίσως οδηγήσει σε καινούργια εργαλεία που σήμερα δεν μπορούμε καν να φανταστούμε.
[via]
