Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Onderzoekers observeren een kenmerkend kwantumgedrag bij stuiterende druppels

Wiskundigen van MIT volgden een druppel terwijl deze door een structuur stuiterde die was geïnspireerd op de theoretische 'kwantumbomtest'. Het toont de trajecten van de druppel wanneer de "bom" aanwezig is, en het rechterpaneel toont de trajecten die zijn afgelegd wanneer de "bom" afwezig is. Credit:Massachusetts Institute of Technology

In onze alledaagse klassieke wereld is wat je ziet wat je krijgt. Een bal is maar een bal, en als hij door de lucht wordt gelobd, is zijn baan rechtlijnig en duidelijk. Maar als die bal zou worden gekrompen tot de grootte van een atoom of kleiner, zou zijn gedrag veranderen in een kwantum, vage realiteit. De bal zou niet alleen bestaan ​​als een fysiek deeltje, maar ook als een golf van mogelijke deeltjestoestanden. En deze dualiteit tussen golven en deeltjes kan aanleiding geven tot enkele vreemde en stiekeme verschijnselen.



Een van de vreemdere vooruitzichten komt voort uit een gedachte-experiment dat bekend staat als de 'quantum bomb tester'. Het experiment stelt voor dat een kwantumdeeltje, zoals een foton, zou kunnen fungeren als een soort telekinetische bomdetector. Door zijn eigenschappen als deeltje en als golf zou het foton in theorie de aanwezigheid van een bom kunnen waarnemen zonder er fysieke interactie mee te hebben.

Het concept klopt wiskundig en komt overeen met wat de vergelijkingen die de kwantummechanica beheersen toestaan. Maar als het erom gaat precies uit te leggen hoe een deeltje zo'n bomsnuffelprestatie zou volbrengen, staan ​​natuurkundigen voor een raadsel. Het raadsel ligt in de inherent veranderlijke, tussenliggende, ondefinieerbare toestand van een kwantumdeeltje. Met andere woorden:wetenschappers moeten er gewoon op vertrouwen dat het werkt.

Maar wiskundigen aan het MIT hopen een deel van het mysterie te kunnen wegnemen en uiteindelijk een concreter beeld van de kwantummechanica te kunnen schetsen. Ze hebben nu aangetoond dat ze een analoog van de kwantumbomtester kunnen nabootsen en het gedrag kunnen genereren dat het experiment voorspelt. Ze hebben dit niet gedaan in een exotische, microscopische kwantumomgeving, maar in een ogenschijnlijk alledaagse, klassieke tafelopstelling.

In een artikel gepubliceerd op 12 december in Physical Review A rapporteert het team dat ze de kwantumbomtester hebben nagebouwd in een experiment met een onderzoek naar stuiterende druppels. Het team ontdekte dat de interactie van de druppel met zijn eigen golven vergelijkbaar is met het kwantumgolf-deeltjegedrag van een foton:wanneer hij in een configuratie valt die vergelijkbaar is met wat wordt voorgesteld in de kwantumbomtest, gedraagt ​​de druppel zich op precies dezelfde statistische manier als wordt voorspeld voor het foton. Als er 50% van de tijd daadwerkelijk een bom in de opstelling zou zitten, zou de druppel deze, net als het foton, in 25% van de gevallen detecteren, zonder er fysieke interactie mee te hebben.

Het feit dat de statistieken in beide experimenten overeenkomen, suggereert dat iets in de klassieke dynamiek van de druppel de kern kan vormen van het overigens mysterieuze kwantumgedrag van een foton. De onderzoekers zien het onderzoek als een nieuwe brug tussen twee realiteiten:de waarneembare, klassieke wereld en het vagere kwantumrijk.

“Hier hebben we een klassiek systeem dat dezelfde statistieken oplevert als bij de kwantumbomtest, die wordt beschouwd als een van de wonderen van de kwantumwereld”, zegt studieauteur John Bush, hoogleraar toegepaste wiskunde aan het MIT. "In feite vinden we dat het fenomeen toch niet zo wonderbaarlijk is. En dit is weer een voorbeeld van kwantumgedrag dat kan worden begrepen vanuit een lokaal realistisch perspectief."

De co-auteur van Bush is voormalig MIT-postdoc Valeri Frumkin.

Golven maken

Voor sommige natuurkundigen laat de kwantummechanica te veel aan de verbeelding over en zegt het niet genoeg over de feitelijke dynamiek waaruit dergelijke vreemde verschijnselen zouden voortkomen. In een poging de kwantummechanica te kristalliseren presenteerde natuurkundige Louis de Broglie in 1927 de pilotgolftheorie – een nog steeds controversieel idee dat stelt dat het kwantumgedrag van een deeltje niet wordt bepaald door een ongrijpbare, statistische golf van mogelijke toestanden, maar door een fysieke ‘pilot’. " zelf gemaakte golf die het deeltje door de ruimte leidt.

Wanneer een representatieve "bom" in de ene gang van het experiment wordt geplaatst en de druppel door de andere gang stuitert, zullen de golven van de druppel rimpel tegen de bom, waardoor de druppel wegzweeft. Het effect alsof de druppel de bom ‘voelde’, zonder er fysieke interactie mee te hebben. Dit klassieke effect is vergelijkbaar met wat wordt voorspeld in de 'kwantumbomtest'. Wanneer de druppel met de bom door de gang stuitert, ontploft deze voorspelbaar. Credit:Massachusetts Institute of Technology

Het concept werd grotendeels buiten beschouwing gelaten tot 2005, toen natuurkundige Yves Couder ontdekte dat de kwantumgolven van De Broglie konden worden gerepliceerd en bestudeerd in een klassiek, op vloeistof gebaseerd experiment. De opstelling omvat een vloeistofbad dat subtiel op en neer trilt, maar niet voldoende om zelf golven te genereren.

Een druppeltje van dezelfde vloeistof ter grootte van een millimeter wordt vervolgens over het bad verspreid, en terwijl het van het oppervlak stuitert, resoneert het druppeltje met de trillingen van het bad, waardoor wat natuurkundigen bekend staan ​​als een staand golfveld ontstaat dat de druppel ‘stuurt’ of duwt. langs. Het effect is dat een druppel langs een golvend oppervlak lijkt te lopen in patronen die in overeenstemming blijken te zijn met de pilootgolftheorie van De Broglie.

De afgelopen dertien jaar heeft Bush gewerkt aan het verfijnen en uitbreiden van de hydrodynamische proefgolfexperimenten van Couder en heeft hij de opstelling met succes gebruikt om druppeltjes te observeren die opkomend, kwantumachtig gedrag vertonen, waaronder kwantumtunneling, diffractie van afzonderlijke deeltjes en surrealistische trajecten. P>

"Het blijkt dat dit hydrodynamische proefgolfexperiment veel kenmerken van kwantumsystemen vertoont waarvan voorheen werd gedacht dat ze onmogelijk te begrijpen waren vanuit een klassiek perspectief", zegt Bush.

Bommen weg

In hun nieuwe onderzoek namen hij en Frumkin het op tegen de kwantumbomtester. Het gedachte-experiment begint met een conceptuele interferometer – in wezen twee gangen van dezelfde lengte die zich vertakken vanaf hetzelfde startpunt, vervolgens draaien en convergeren en een ruitachtige configuratie vormen naarmate de gangen verder gaan, elk eindigend in een respectievelijke detector.

Volgens de kwantummechanica zou een foton, als het vanaf het startpunt van de interferometer door een bundelsplitser wordt afgevuurd, het deeltje met gelijke waarschijnlijkheid door een van de twee corridors moeten reizen. Ondertussen reist de mysterieuze 'golffunctie' van het foton, of de som van al zijn mogelijke toestanden, tegelijkertijd door beide corridors.

De golffunctie interfereert zodanig dat het deeltje alleen bij de ene detector verschijnt (laten we dit D1 noemen) en nooit bij de andere (D2). Daarom zou het foton 100% van de tijd op D1 moeten worden gedetecteerd, ongeacht door welke corridor het reisde.

Als er zich een bom in een van de twee gangen bevindt, en een foton gaat door deze gang, dan wordt de bom voorspelbaar geactiveerd en wordt de opstelling in stukken geblazen, en wordt er bij geen van beide detectoren een foton gedetecteerd. Maar als het foton zonder de bom door de gang reist, gebeurt er iets vreemds:zijn golffunctie wordt, terwijl hij door beide gangen reist, door de bom in één keer afgebroken.

Omdat het niet echt een deeltje is, laat de golf de bom niet ontploffen. Maar de golfinterferentie wordt zodanig gewijzigd dat het deeltje met gelijke waarschijnlijkheid wordt gedetecteerd op D1 en D2. Elk signaal op D2 zou daarom betekenen dat een foton de aanwezigheid van de bom heeft gedetecteerd, zonder er fysiek interactie mee te hebben. Als de bom 50% van de tijd aanwezig is, zou deze vreemde kwantumbomdetectie 25% van de tijd moeten plaatsvinden.

In hun nieuwe onderzoek zetten Bush en Frumkin een analoog experiment op om te zien of dit kwantumgedrag in klassieke druppeltjes naar voren zou kunnen komen. In een bad met siliciumolie dompelden ze een structuur onder die leek op de ruitachtige gangen in het gedachte-experiment. Vervolgens lieten ze voorzichtig kleine oliedruppeltjes in het bad vallen en volgden hun paden. Ze voegden een structuur toe aan één kant van de ruit om een ​​bomachtig object na te bootsen en observeerden hoe de druppel en zijn golfpatronen als reactie daarop veranderden.

Uiteindelijk ontdekten ze dat 25% van de tijd een druppel door de gang stuiterde zonder de 'bom', terwijl de pilootgolven op een manier in wisselwerking stonden met de bomstructuur die de druppel van de bom wegduwde. Vanuit dit perspectief kon de druppel het bomachtige object 'voelen' zonder er fysiek mee in contact te komen.

Hoewel de druppel kwantumachtig gedrag vertoonde, kon het team duidelijk zien dat dit gedrag voortkwam uit de golven van de druppel, die fysiek hielpen om de druppel uit de buurt van de bom te houden. Deze dynamiek kan volgens het team ook helpen het mysterieuze gedrag van kwantumdeeltjes te verklaren.

"Niet alleen zijn de statistieken hetzelfde, maar we kennen ook de dynamiek, wat een mysterie was", zegt Frumkin. "En de gevolgtrekking is dat een analoge dynamiek ten grondslag kan liggen aan het kwantumgedrag."

"Dit systeem is het enige voorbeeld dat we kennen en dat geen kwantum is, maar enkele sterke eigenschappen van golfdeeltjes deelt", zegt theoretisch natuurkundige Matthieu Labousse van ESPCI Parijs, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Het is heel verrassend dat veel voorbeelden waarvan men denkt dat ze eigen zijn aan de kwantumwereld, kunnen worden gereproduceerd door zo’n klassiek systeem. Het maakt het mogelijk om de barrière te begrijpen tussen wat het specifiek is voor een kwantumsysteem en wat niet.” groep bij MIT duwt de barrière heel ver."

Meer informatie: Valeri Frumkin et al., Verkeerde gevolgtrekking van interactievrije meting vanuit een klassiek systeem, Fysieke recensie A (2023). DOI:10.1103/PhysRevA.108.L060201. journals.aps.org/pra/abstract/ … PhysRevA.108.L060201. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.13590

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling A , arXiv

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe synesthesie werkt
  2. Kan de behandeling van hondendementie aanwijzingen opleveren voor de ziekte van Alzheimer bij mensen?
  3. Interne factoren die van invloed zijn op celverdeling
  4. Hoe een bodemmicrobe kunstmatige fotosynthese kan stimuleren
  5. Afbraak in het Noordpoolgebied
  6. Antibioticaresistentie: definitie, oorzaken en voorbeelden
  7. Baanbrekende nieuwe technologie om de wereldwijde zoektocht naar gewasverbetering te versnellen
  8. Elements of Nucleic Acids
  9. Boot die Steinbeck naar de Zee van Cortez bracht wordt gerestaureerd

Wetenschap