Een experiment dat is geschetst door een door de UCL (University College London) geleid team van wetenschappers uit Groot-Brittannië en India zou kunnen testen of relatief grote massa's een kwantumkarakter hebben, waarmee de vraag kan worden opgelost of kwantummechanische beschrijving op veel grotere schaal werkt dan die van deeltjes en atomen.

Kwantumtheorie wordt doorgaans gezien als een beschrijving van de natuur op de kleinste schaal, en kwantumeffecten zijn in een laboratorium niet waargenomen voor objecten die zwaarder zijn dan ongeveer een quintiljoenste van een gram, of beter gezegd 10 ^-20 g.

Het nieuwe experiment, beschreven in een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters en het betrekken van onderzoekers van de UCL, de Universiteit van Southampton en het Bose Institute in Kolkata, India, zou in principe de kwantumheid van een object kunnen testen, ongeacht zijn massa of energie.

Het voorgestelde experiment maakt gebruik van het principe uit de kwantummechanica dat het meten van een object de aard ervan kan veranderen. (De term meten omvat elke interactie van het object met een sonde, bijvoorbeeld als er licht op schijnt of als het licht of warmte uitstraalt).

Het experiment concentreert zich op een slingerachtig object dat oscilleert als een bal aan een touwtje. Er schijnt licht op de helft van het trillingsgebied, waardoor informatie wordt onthuld over de locatie van het object (dat wil zeggen:als er geen verstrooid licht wordt waargenomen, kan worden geconcludeerd dat het object zich niet in die helft bevindt). Er schijnt een tweede licht, dat de locatie van het object verderop in zijn beweging aangeeft.

Als het object kwantum is, zal de eerste meting (de eerste lichtflits) zijn pad verstoren (door door metingen veroorzaakte ineenstorting – een eigenschap die inherent is aan de kwantummechanica), waardoor de waarschijnlijkheid verandert van waar het zich zal bevinden bij de tweede lichtflits. terwijl als het klassiek is, de observatie geen verschil zal maken. Onderzoekers kunnen vervolgens scenario's vergelijken waarin ze tweemaal licht laten schijnen met scenario's waarin alleen de tweede lichtflits optreedt, om te zien of er een verschil is in de uiteindelijke verdeling van het object.

Hoofdauteur Dr. Debarshi Das (UCL Physics &Astronomy en de Royal Society) zei:“Een menigte bij een voetbalwedstrijd kan het resultaat van de wedstrijd niet beïnvloeden door simpelweg krachtig te staren. Maar met de kwantummechanica verandert de handeling van observatie of meting zelf. het systeem."

"Ons voorgestelde experiment kan testen of een object klassiek of kwantum is door te kijken of een observatie kan leiden tot een verandering in zijn beweging."

Het voorstel, zo zeggen de onderzoekers, zou kunnen worden geïmplementeerd met de huidige technologieën met behulp van nanokristallen of, in principe, zelfs met behulp van spiegels bij LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in de Verenigde Staten, die een effectieve massa van 10 kg hebben.

De vier LIGO-spiegels, die elk 40 kg wegen maar samen trillen alsof ze één object van 10 kg zijn, zijn al afgekoeld tot de minimale energietoestand (een fractie boven het absolute nulpunt) die nodig zou zijn bij elk experiment dat kwantumgedrag wil detecteren. .

Senior auteur professor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy) zei:“Ons schema heeft brede conceptuele implicaties. Het zou kunnen testen of relatief grote objecten definitieve eigenschappen hebben, dat wil zeggen dat hun eigenschappen reëel zijn, zelfs als we ze niet meten. het domein van de kwantummechanica en onderzoeken of deze fundamentele natuurtheorie alleen geldig is op bepaalde schaalniveaus of ook geldt voor grotere massa's.

"Als we geen massalimiet voor de kwantummechanica tegenkomen, wordt het probleem van het proberen de kwantumtheorie te verzoenen met de werkelijkheid zoals wij die ervaren steeds nijpender."

In de kwantummechanica hebben objecten geen definitieve eigenschappen totdat ze worden waargenomen of interactie hebben met hun omgeving. Vóór de waarneming bestaan ​​ze niet op een bepaalde locatie, maar kunnen ze zich op twee plaatsen tegelijk bevinden (een toestand van superpositie). Dit leidde tot de opmerking van Einstein:"Is de maan er als niemand ernaar kijkt?"

De kwantummechanica lijkt misschien op gespannen voet te staan ​​met onze ervaring van de werkelijkheid, maar de inzichten ervan hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van computers, smartphones, breedband, GPS en magnetische resonantiebeeldvorming.

De meeste natuurkundigen geloven dat de kwantummechanica op grotere schaal geldt, maar alleen moeilijker te observeren is vanwege de isolatie die nodig is om een ​​kwantumtoestand te behouden. Om kwantumgedrag in een object te detecteren, moeten de temperatuur of trillingen ervan worden teruggebracht tot het laagst mogelijke niveau (de grondtoestand) en moet het zich in een vacuüm bevinden, zodat er bijna geen atomen mee interageren. Dat komt omdat een kwantumtoestand zal instorten, een proces dat decoherentie wordt genoemd als het object interactie heeft met zijn omgeving.

Het nieuwe voorgestelde experiment is een ontwikkeling van een eerdere kwantumtest die in 2018 door professor Bose en collega's is bedacht. Er loopt al een project om met deze methodologie een experiment uit te voeren, dat de kwantumaard van een nanokristal met een miljard atomen zal testen. door de Universiteit van Southampton.

Dat project beoogt al een sprong in termen van massa, waarbij eerdere pogingen om de kwantumaard van een macroscopisch object te testen beperkt waren tot honderdduizenden atomen. Het onlangs gepubliceerde plan zou intussen kunnen worden gerealiseerd met de huidige technologieën, waarbij gebruik wordt gemaakt van een nanokristal met biljoenen atomen.

Meer informatie: Debarshi Das et al, Massa-onafhankelijk schema om de kwantumheid van een enorm object te testen, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.030202

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door University College London