Lähes sata vuotta vanha kvanttifysiikan mysteeri ratkaistu

Näpätty kitaran kieli voi värähdellä sekunteja ennen kuin se hiljenee. Ilmiötä kutsutaan "vaimennetuiksi harmonisiksi oskillaattoreiksi", ja ne ymmärretään hyvin Newtonin liikelakien avulla.

Mutta atomien pienessä maailmassa asiat ovat outoja – ja toimivat kvanttifysiikan omituisten lakien mukaisesti. Vermontin yliopiston (UVM) professori Dennis Clougherty ja hänen oppilaansa Nam Dinh pohtivat, onko atomimaailmassa järjestelmiä, jotka käyttäytyvät kuten kitarankielen värähtely Newtonin maailmassa. "Jos on, voimmeko rakentaa kvanttiteorian vaimennetusta harmonisesta oskillaattorista?" Clougherty mietti.

Physical Review Research -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa hän ja Dinh tekivät juuri niin: löysivät tarkan ratkaisun malliin, joka käyttäytyy "vaimennetun kvanttiharmonisen oskillaattorin" tavoin – atomien mittakaavassa tapahtuvan kitarankielen kaltaisen liikkeen tavoin.

Teoreetikot ovat noin 90 vuoden ajan yrittäneet kuvata näitä vaimennettuja harmonisia järjestelmiä kvanttifysiikan avulla. ”Vaikeutena on Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen, kvanttifysiikan perustavanlaatuisen periaatteen, säilyttäminen”, sanoo Clougherty.

”Klassisessa fysiikassa tiedetään, että kun kappaleet värähtelevät tai oskilloivat, ne menettävät energiaa kitkan, ilmanvastuksen ja niin edelleen vuoksi”, Dinh sanoo. ”Mutta tämä ei ole niin ilmeistä kvanttimaailmassa.”

Clougherty ja Dinh muotoilivat vastaavan klassisen Lambin mallin kvanttimaailmalle uudelleen ja löysivät ratkaisun. ”Epämääräisyysperiaatteen säilyttämiseksi on välttämätöntä sisällyttää yksityiskohtaisesti atomin vuorovaikutus kaikkien muiden kiinteän aineen atomien kanssa”, Clougherty selittää, ”se on niin sanottu monikappaleongelma.”

Miten he ratkaisivat tämän ongelman? Ottakaa kiinni tuolistanne kehottaa tiedotteen kirjoittaja Joshua Brown.

”Monimuotoisen Bogoliubov-muunnoksen avulla, joka diagonalisoi järjestelmän Hamiltonin funktion ja mahdollistaa sen ominaisuuksien määrittämisen”, he kirjoittavat, jolloin saadaan tila, jota kutsutaan ”monimuotoiseksi puristetuksi tyhjiöksi”. Jos tämä jäi sinulta hieman epäselväksi, riittää, kuten tiedottaja toteaa, että UVM:n tutkijat pystyivät muotoilemaan Lambin järjestelmän matemaattisesti uudelleen niin, että atomin värähtelykäyttäytyminen voitiin kuvata täysin tarkasti.

Ja yhden atomin paikan tarkka paikantaminen voisi johtaa maailman pienimmän mittanauhan kaltaiseen: uusiin menetelmiin kvanttietäisyyksien mittaamiseksi ja muihin ultratarkkoihin anturiteknologioihin. Nämä potentiaaliset sovellukset syntyvät UVM:n tutkijoiden uuden työn tärkeästä seurauksesta: se ennustaa, miten atomin paikan epävarmuus muuttuu vuorovaikutuksessa muiden kiinteän aineen atomien kanssa.

"Vähentämällä tätä epävarmuutta voidaan mitata sijainti tarkkuudella, joka on alle standardin kvanttirajan", Clougherty sanoo. Fysiikassa on joitakin perimmäisiä rajoja, kuten valonnopeus – ja että Heisenbergin epävarmuusperiaate estää hiukkasen täydellisen mittaamisen.

Mutta tätä epävarmuutta voidaan vähentää normaalin rajojen yli tietyillä kvanttitempuilla – tässä tapauksessa laskemalla hiukkasen käyttäytyminen erityisessä "puristetussa tyhjiössä", joka vähentää kvanttisatunnaisuuden kohinaa yhdessä muuttujassa (sijainti) lisäämällä sitä toisessa (liikemäärä).

Tämänkaltainen matemaattinen temppu oli ensimmäisten onnistuneiden gravitaatioaaltoilmaisimien luomisen taustalla. Nämä ilmaisimet pystyvät mittaamaan tuhat kertaa atomin ydintä pienemmän etäisyyden muutoksia – ja näistä laitteista Nobel-palkinto myönnettiin vuonna 2017.

Kuka tietää, mitä Vermontin teoreetikkojen löytämä uusi kvanttiratkaisu Lambin vuosisadan vanhaan malliin saattaa paljastaa visioi tiedote.

Aiheesta aiemmin:

Missä kulkee kvanttiraja?

Einsteinin jalanjäljissä

Tarkempia mittauksia mutkan kautta