Κάποιος μπορεί να πιστεύει ότι το οπτικό τσιμπιδάκι - μια εστιασμένη δέσμη λέιζερ που μπορεί να παγιδεύει μικρά σωματίδια - είναι παλιό καπέλο μέχρι τώρα. Εξάλλου, το τσίμπημα εφευρέθηκε από τον Άρθουρ Άσκκιν το 1970. Και έλαβε το βραβείο Νόμπελ γι 'αυτό φέτος - πιθανώς αφού οι βασικές του συνέπειες είχαν πραγματοποιηθεί κατά τη διάρκεια του τελευταίου μισού αιώνα.
Εκπληκτικά, αυτό απέχει πολύ από την αλήθεια. Το οπτικό τσιμπιδάκι αποκαλύπτει νέες δυνατότητες βοηθώντας τους επιστήμονες να κατανοήσουν την κβαντική μηχανική, τη θεωρία που εξηγεί τη φύση σε όρους υποατομικών σωματιδίων.
Αυτή η θεωρία έχει οδηγήσει σε κάποια περίεργα και αντιφατικά συμπεράσματα. Ένας από αυτούς είναι ότι η κβαντική μηχανική επιτρέπει την ύπαρξη ενός και μοναδικού αντικειμένου σε δύο διαφορετικές καταστάσεις πραγματικότητας ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, η κβαντική φυσική επιτρέπει σε ένα σώμα να βρίσκεται σε δύο διαφορετικές θέσεις στο διάστημα ταυτόχρονα - ή και τα δύο νεκρά και ζωντανά, όπως στο περίφημο πείραμα σκέψης της γάτας του Schrödinger.
Τα δύο κράτη της γάτας του Schrodinger: νεκρά (στα αριστερά) και ζωντανά (στα δεξιά). Η κβαντική φυσική λέει ότι η γάτα μπορεί να υπάρχει και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. (Rhoeo / Shutterstock.com) Η τεχνική ονομασία αυτού του φαινομένου είναι υπερβολή. Υπέρυθρες παρατηρήσεις παρατηρήθηκαν για μικροσκοπικά αντικείμενα όπως μεμονωμένα άτομα. Αλλά σαφώς, δεν βλέπουμε ποτέ μια υπερβολή στην καθημερινότητά μας. Για παράδειγμα, δεν βλέπουμε ένα φλιτζάνι καφέ σε δύο τοποθεσίες ταυτόχρονα.
Για να εξηγήσουν αυτή την παρατήρηση, οι θεωρητικοί φυσικοί πρότειναν ότι για μεγάλα αντικείμενα - ακόμη και για τα νανοσωματίδια που περιέχουν περίπου ένα δισεκατομμύριο άτομα - οι υπερθέσεις καταρρέουν γρήγορα σε μία ή την άλλη από τις δύο δυνατότητες, λόγω μιας διάσπασης της κβαντικής μηχανικής. Για τα μεγαλύτερα αντικείμενα, ο ρυθμός κατάρρευσης είναι ταχύτερος. Για τη γάτα του Schrodinger, αυτή η κατάρρευση - "ζωντανή" ή "νεκρή" - θα ήταν πρακτικά στιγμιαία, εξηγώντας γιατί ποτέ δεν βλέπουμε την υπέρθεση μιας γάτας να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα.
Μέχρι πρόσφατα, αυτές οι "θεωρίες κατάρρευσης", οι οποίες θα απαιτούσαν τροποποιήσεις της κβαντικής μηχανικής του εγχειριδίου, δεν θα μπορούσαν να δοκιμαστούν, καθώς είναι δύσκολο να ετοιμαστούμε ένα μεγάλο αντικείμενο σε μια υπέρθεση. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μεγαλύτερα αντικείμενα αλληλεπιδρούν περισσότερο με το περιβάλλον τους από τα άτομα ή τα υποατομικά σωματίδια - πράγμα που οδηγεί σε διαρροές στη θερμότητα που καταστρέφουν τις κβαντικές καταστάσεις.
Ως φυσικοί, μας ενδιαφέρει οι θεωρίες κατάρρευσης, διότι θα θέλαμε να κατανοήσουμε καλύτερα την κβαντική φυσική και ειδικά επειδή υπάρχουν θεωρητικές ενδείξεις ότι η κατάρρευση θα μπορούσε να οφείλεται σε βαρυτικά αποτελέσματα. Μια σχέση μεταξύ κβαντικής φυσικής και βαρύτητας θα ήταν συναρπαστική για να βρούμε, αφού όλη η φυσική βασίζεται σε αυτές τις δύο θεωρίες, και η ενιαία περιγραφή τους - η αποκαλούμενη Θεωρία του Όλα - είναι ένας από τους μεγάλους στόχους της σύγχρονης επιστήμης.
Εισάγετε την οπτική λαβίδα
Οι οπτικές λαβίδες εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι το φως μπορεί να ασκήσει πίεση στην ύλη. Αν και η πίεση της ακτινοβολίας ακόμη και από μια έντονη ακτίνα λέιζερ είναι αρκετά μικρή, ο Ashkin ήταν ο πρώτος που έδειξε ότι ήταν αρκετά μεγάλο για να υποστηρίξει ένα νανοσωματίδιο, αντισταθμίζοντας τη βαρύτητα, αποτελεσματικά το αφαιρώντας.
Το 2010, μια ομάδα ερευνητών συνειδητοποίησε ότι ένα τέτοιο νανοσωματίδιο που κρατείται από ένα οπτικό λαβίδα ήταν καλά απομονωμένο από το περιβάλλον του, καθώς δεν έρχεται σε επαφή με καμία υλική υποστήριξη. Ακολουθώντας αυτές τις ιδέες, αρκετές ομάδες πρότειναν τρόπους για να δημιουργήσουν και να παρατηρήσουν τις επιθέσεις ενός νανοσωματιδίου σε δύο χωριστές χωρικές τοποθεσίες.
Ένα ενδιαφέρον σχέδιο που προτάθηκε από τις ομάδες των Tongcang Li και Lu Ming Duan το 2013 αφορούσε ένα nanodiamond κρύσταλλο σε ένα τσιμπιδάκι. Το νανοσωματίδιο δεν βρίσκεται ακόμα μέσα στο τσιμπιδάκι. Αντίθετα, ταλαντεύεται σαν ένα εκκρεμές μεταξύ δύο θέσεων, με την δύναμη αποκατάστασης να προέρχεται από την πίεση ακτινοβολίας που οφείλεται στο λέιζερ. Περαιτέρω, αυτός ο νανοκρύσταλλος διαμαντιών περιέχει ένα μολυσμένο άτομο αζώτου, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως ένας μικρός μαγνήτης, με έναν βόρειο (Ν) πόλο και έναν νότιο (S) πόλο.
Η στρατηγική Li-Duan συνίστατο σε τρία βήματα. Πρώτον, πρότειναν την ψύξη της κίνησης του νανοσωματιδίου στην κβαντική κατάσταση του εδάφους. Αυτή είναι η χαμηλότερη κατάσταση ενέργειας που μπορεί να έχει αυτός ο τύπος σωματιδίων. Μπορούμε να περιμένουμε ότι σε αυτή την κατάσταση το σωματίδιο σταματά να κινείται και να μην ταλαντεύεται καθόλου. Ωστόσο, αν συνέβαινε αυτό, θα γνωρίζαμε πού ήταν το σωματίδιο (στο κέντρο του τσιμπιδάκι), καθώς και πόσο γρήγορα κινείται (καθόλου). Αλλά η ταυτόχρονη τέλεια γνώση τόσο της θέσης όσο και της ταχύτητας δεν επιτρέπεται από τη γνωστή αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg για την κβαντική φυσική. Έτσι, ακόμα και στη χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση, το σωματίδιο κινείται γύρω από λίγο, αρκεί να ικανοποιήσει τους νόμους της κβαντικής μηχανικής.
Δεύτερον, το σχήμα Li και Duan απαιτούσε το μαγνητικό άτομο αζώτου να προετοιμαστεί σε μια υπερβολή του βόρειου πόλου του προς τα πάνω και προς τα κάτω.
Τέλος, ένα μαγνητικό πεδίο ήταν απαραίτητο για τη σύνδεση του ατόμου αζώτου με την κίνηση του αιωρούμενου κρυστάλλου διαμαντιών. Αυτό θα μεταφέρει τη μαγνητική υπέρθεση του ατόμου στην υπέρθεση θέσης του νανοκρυστάλλου. Αυτή η μεταφορά ενεργοποιείται από το γεγονός ότι το άτομο και το νανοσωματίδιο εμπλέκονται από το μαγνητικό πεδίο. Εμφανίζεται με τον ίδιο τρόπο που η υπέρθεση του αποσυνθεμένου ραδιενεργού δείγματος και του μη αποσυντιθέμενου δείγματος μετατρέπεται στην επικάλυψη της γάτας του Schrodinger σε νεκρές και ζωντανές καταστάσεις.
Αποδεικνύοντας τη θεωρία της κατάρρευσης
Σύμπτυξη της επικάλυψης σε μία θέση. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Αυτό που έδωσε αυτό το θεωρητικό δόντι εργασίας ήταν δύο συναρπαστικές πειραματικές εξελίξεις. Ήδη το 2012 οι ομάδες των Lukas Novotny και Romain Quidant έδειξαν ότι ήταν δυνατό να ψυχθεί ένα οπτικώς αφηρημένο νανοσωματίδιο σε ένα εκατοστό του ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν - τη χαμηλότερη θερμοκρασία θεωρητικά δυνατό - με τη ρύθμιση της έντασης του οπτικού τσιμπιδάκι. Το αποτέλεσμα ήταν το ίδιο με αυτό της επιβράδυνσης ενός παιδιού σε μια κούνια πιέζοντας τις κατάλληλες στιγμές.
Το 2016 οι ίδιοι ερευνητές κατάφεραν να κρυώσουν σε δέκα χιλιοστό του ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Γύρω από αυτό το χρονικό διάστημα οι ομάδες μας δημοσίευσαν ένα έγγραφο το οποίο επιβεβαίωσε ότι η θερμοκρασία που απαιτείται για την επίτευξη της κβαντικής κατάστασης εδάφους ενός nanoparticle tweezed ήταν περίπου ένα εκατομμύριο βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Αυτή η απαίτηση είναι προκλητική, αλλά είναι εφικτή σε συνεχή πειράματα.
Η δεύτερη συναρπαστική εξέλιξη ήταν η πειραματική άνοδος ενός νανοδιαμαντιού που φέρει ελάττωμα αζώτου το 2014 στην ομάδα του Nick Vamivakas. Χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο, μπορούσαν επίσης να επιτύχουν τη φυσική σύζευξη του ατόμου αζώτου και την κρυσταλλική κίνηση που απαιτείται από το τρίτο βήμα του σχεδίου Li-Duan.
Ο αγώνας είναι τώρα για να φτάσει στην κατάσταση εδάφους έτσι ώστε - σύμφωνα με το σχέδιο Li-Duan - ένα αντικείμενο σε δύο θέσεις μπορεί να παρατηρηθεί καταρρέει σε μια ενιαία οντότητα. Αν οι υπερθέσεις καταστρέφονται με την ταχύτητα που προβλέπουν οι θεωρίες κατάρρευσης, η κβαντική μηχανική όπως γνωρίζουμε θα πρέπει να αναθεωρηθεί.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Mishkat Bhattacharya, Αναπληρωτής Καθηγητής στη Σχολή Αστρονομίας, Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Rochester και Νικ Βαμιβάκας, Αναπληρωτής Καθηγητής Κβαντικής Οπτικής & Κβαντικής Φυσικής, Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ
