Imaginați-vă două particule capabile să comunice instantaneu, indiferent de distanța dintre ele. Acest fenomen, cunoscut sub numele de entanglement (încâlcire, împletire) cuantic(ă), care ne contrazice intuiția. Considerat mult timp un paradox ciudat de însuși Albert Einstein, care la descris ca pe o acțiune misterioasă la distanță, încâlcirea a fost demonstrată de multe ori la scară macroscopică. Mai recent, oamenii de știință au făcut o descoperire spectaculoasă: acest fenomen ciudat are loc și în interiorul protonilor, blocurile de bază ale materiei. Această descoperire revoluționează viziunea noastră asupra infinitului de mic și deschide calea către noi explorări științifice.
Entanglementul cuantic descrie o situație în care, după interacțiune, două particule devin legate în așa fel încât stările lor respective sunt corelate instantaneu, indiferent cât de departe sunt. Aceasta înseamnă că o schimbare a stării uneia o afectează imediat pe cealaltă, indiferent de distanță. Entanglementul cuantic se bazează pe un principiu fundamental al mecanicii cuantice: principiul suprapunerii. Când o pereche de particule se împletesc, stările lor cuantice nu sunt pur și simplu stări individuale independente, ci formează o singură stare generală. Aceasta înseamnă că proprietățile particulelor, cum ar fi spinul, polarizarea sau poziția lor, nu pot fi descrise izolat. În schimb, ele sunt descrise în termenii unei singure stări cuantice comune. Deci, chiar dacă aceste particule sunt separate, starea lor totală rămâne legată și informațiile de pe una se reflectă instantaneu în cealaltă de îndată ce se face o măsurătoare pe una dintre ele. Acest fenomen este împotriva intuiției clasice. La scară cuantică, entanglementul creează un fel de punte între particule care permite un schimb instantaneu de informații. În practică, atunci când se face o măsurătoare pe una dintre particulele încurcate (de exemplu, măsurarea spinului acesteia), starea celeilalte particule, indiferent cât de departe sunt acestea, este determinată imediat. Acest proces este instantaneu, ceea ce sfidează conceptele de viteză și cauzalitate pe care le cunoaștem în experiența noastră de zi cu zi.
Este important de menționat că această instantaneitate nu permite transmiterea informațiilor cu o viteză mai mare decât cea a luminii. Transmiterea informațiilor clasice necesită o interacțiune fizică care este supusă limitelor vitezei luminii. Deci, deși împletirea pare instantanee, ea nu încalcă principiile fundamentale ale relativității.
Timp de zeci de ani, oamenii de știință au încercat să testeze împletirea cuantică în experimente care implică obiecte mai mari decât particulele subatomice simple, pentru a înțelege implicațiile fenomenului la o scară mai tangibilă. O serie de experimente esențiale, efectuate încă din anii 1980, au confirmat că încurcarea nu se limitează la modele teoretice. Aceste experimente au constat în măsurarea corelațiilor dintre stările particulelor separate prin distanțe mari. Unul dintre cele mai cunoscute este experimentul lui Alain Aspect, realizat în 1982, în care fotonii încâlciți au fost trimiși în direcții opuse. Studiul măsurătorilor efectuate asupra acestor fotoni a relevat corelații care nu au putut fi explicate prin influențe locale clasice. Alte astfel de experimente au fost efectuate de atunci, cu progresele tehnologice care permit testarea încurcăturii în condiții din ce în ce mai riguroase.
Aceste rezultate au demonstrat că împletirea cuantică nu este doar un artefact teoretic, ci o realitate observabilă, valabilă chiar și la scară macroscopică. Aceste experimente s-au concentrat în principal pe sisteme de particule relativ mari, cum ar fi fotonii, și nu pe particule atât de mici precum quarcii și gluonii prezenți în protoni. Descoperirea recentă, care extinde încurcarea în interiorul protonilor, marchează, prin urmare, un punct de cotitură radical în înțelegerea noastră a acestui fenomen.
Un proton, departe de a fi o simplă particulă, este un univers în miniatură compus din quarci și gluoni. Quarcii sunt blocurile fundamentale ale materiei, în timp ce gluonii acționează ca elemente de legătură, purtând forțele care țin împreună quarcii. Până acum, ei erau considerate ca fiind relativ independenți. O echipă de cercetători a demonstrat că aceste elemente sunt și ele împletite cuantic. Rezultatele au fost prezentate într-un articol publicat în Reports on Progress in Physics.
Pentru a demonstra această împletire cuantică, oamenii de știință au folosit ciocniri de particule de înaltă energie, cum ar fi cele care au loc în Large Hadron Collider (LHC) și HERA. Când un proton se ciocnește cu o altă particulă la viteze extreme, se descompune într-o ploaie de particule secundare, la fel ca resturile aruncate într-un accident de mașină. O tehnică inovatoare introdusă în 2017 a făcut posibilă măsurarea gradului de ordine sau dezordine în aceste evenimente prin studierea a ceva numit entropie. Cu cât este mai mare entropia, cu atât particulele produse prezintă o stare de încurcare maximă. Analizând datele din ciocnirile proton-proton și electron-proton, cercetătorii au descoperit că entropia observată se potrivea perfect cu predicțiile lor teoretice despre încurcare. Mai simplu spus, quarcii și gluonii din interiorul unui proton nu sunt izolați, ci formează un sistem dinamic, conectat.
Descoperirea împletirii cuantice în protoni redefinește înțelegerea noastră asupra acestor particule, adesea percepute ca simple entități. Acesta arată că protonii sunt sisteme mult mai complexe și mai dinamice decât se imagina anterior. Cu toate acestea, dincolo de această revelație fundamentală, această descoperire ridică întrebări cruciale pentru viitorul fizicii. O întrebare cheie se referă la efectul mediului asupra încurcăturii. De exemplu, atunci când protonii sunt grupați împreună în nuclee atomice, este păstrată sau distrusă încâlcirea lor cuantică? Acest fenomen, numit decoerență cuantică, este esențial pentru înțelegerea modului în care interacțiunile puternice influențează materia la scară subatomică. Această cercetare deschide, de asemenea, calea pentru explorări și mai ambițioase cu instrumente precum viitorul ciocnitor electron-ion (EIC), planificat pentru 2030. Acest echipament va face posibilă studierea modului în care se comportă împletirea cuantică în medii mai complexe, cum ar fi nucleele dense compuse din protoni și neutroni.
