10 kvante sannheter om vårt univers

Fra det øyeblikket det ble oppdaget at de makroskopiske, klassiske reglene som dikterte elektrisitet, magnetisme og lys ikke nødvendigvis gjaldt de subatomære skalaene, ble et helt nytt syn på universet åpent for menneskeheten. Dette kvantebildet er mye større og altomfattende enn folk flest forstår, inkludert mange spesialister. Her er ti grunnleggende om kvantemekanikk som kan få deg til å undersøke hvordan du ser på vårt univers, på de minste skalaene og utover. Ta en titt på disse kule kvantesannhetene om universet vårt:

10 Schrödingers katt er enten død eller i live, ikke begge deler

For å starte denne listen over kvantesannheter om vårt univers, la oss begynne med å informere deg om at det ikke var godt forstått i de første dagene av kvantemekanikken, men kvantefunksjonen til makroskopiske objekter forfaller veldig raskt. Denne «dekoherensen» skyldes gjentatte interaksjoner med miljøet, som på moderat varme og kompakte steder som de som trengs for livet, er umulig å unngå. Dette viser at det vi betrakter som en måling ikke krever et menneske; bare å samhandle med miljøet teller. Det demonstrerer også hvorfor det er veldig vanskelig å bringe store gjenstander i superposisjon av to forskjellige stater, og superposisjonen blekner raskt.

Den tunge gjenstanden som hittil har blitt brakt til en overposisjon av steder er et karbon-60-molekyl mens de mest pretensiøse har foreslått å gjøre denne testen for virus eller til og med tyngre skapninger som bakterier. Dermed er paradokset som Schrödingers katt en gang reiste – overføringen av en kvanteoverstilling (det forfallende atomet) til et stort objekt (katten) – blitt løst. Vi forstår nå at selv om små ting som atomer kan eksistere i superposisjon i lange mengder tid, ville et stort objekt slå seg veldig raskt i en bestemt tilstand. Derfor observerer vi aldri katter som både er døde og i live.

9 Men de kontrollerer små skalaer

I kvantemekanikk er hver partikkel også en bølge, og hver bølge er også en partikkel. Konklusjonene fra kvantemekanikken blir veldig åpenbare når man observerer en partikkel på avstander som ligner på den tilknyttede bølgelengden. Dette er grunnen til at atom- og subatomær fysikk ikke kan forklares uten kvantemekanikk, mens planetbaner definitivt er uendret av kvantevirkning.

8 Kvantepåvirkninger er ikke nødvendigvis små

Vi ser vanligvis ikke kvanteeffekter på lange avstander fordi de nødvendige korrelasjonene er veldig skjøre. Behandle dem imidlertid nøye nok, og kvanteeffekter kan fortsette over lange avstander. Fotoner har for eksempel blitt viklet inn over divisjoner så mye som noen hundre kilometer. I Bose-Einstein-kondensater har en degenerert tilstand av materie fått seg ved kalde temperaturer, opptil noen millioner atomer har blitt indusert i en sammenhengende kvantetilstand. Og til slutt aksepterer noen forskere at mørk materie kan ha kvantepåvirkninger som spenner over hele galakser.

7 Det handler om usikkerhet

Kvantemekanikkens grunnleggende postulat er at det er par synlige som ikke kan måles samtidig, som for eksempel posisjonen og momentet til en partikkel. Kvantesannhetene om universet vårt er at par heter «konjugerte variabler», og umuligheten av å måle begge verdiene deres nøyaktig, er det som skiller alt mellom en kvantisert og en ikke-kvantisert teori. I kvantemekanikken er denne teorien grunnleggende, ikke på grunn av eksperimentelle mangler. En av de mest rare manifestasjonene av dette er usikkerheten om energi og tid, noe som antyder at ustabile partikler har naturlig usikre masser, takket være Einsteins E = mc2.

6 Einstein avkreftet det ikke

Motsatt populær oppfatning var Einstein ikke en kvantemekanikkfornekter. Han kunne nok ikke være det – teorien var så vellykket først at ingen seriøs spesialist kunne avvise den. Faktisk var det hans nobelvinnende oppdagelse av den fotoelektriske påvirkningen, og beviste at fotoner oppførte seg som partikler så vel som bølger som var en av kjerneavsløringer av kvantemekanikk. Einstein bestred i stedet at teorien var ufullstendig, og mente at den naturlige tilfeldigheten til kvanteprosesser måtte ha en dyp forklaring. Det var ikke slik at han mente tilfeldigheten var feil, han bare trodde at dette ikke var avslutningen på historien. For en utmerket redegjørelse for Einsteins syn på kvantemekanikk, anbefaler jeg George Mussers artikkel «What Einstein Really Thought about Quantum Mechanics».

5 Kvantefysikk Et intenst forskningsfelt

Teorien startet for mer enn hundre år siden. Men mange synspunkter på det ble testbare bare med moderne teknologi. Kvanteoptikk, kvanteberegning, kvantetermodynamikk, kvantekryptografi, kvanteinformasjon og kvantemetrologi er nylig dannet og umiddelbart veldig intense forskningsområder. Med de nye evnene som oppnås med disse teknologiene, har investeringer i grunnlaget for kvantemekanikken blitt gjenopprettet.

4 Det er ingen rare handlinger på avstand

Ingen steder i kvantemekanikken blir data noen gang sendt ikke-lokalt, slik at de hopper over en plass uten å måtte gå gjennom alle posisjoner i mellom. Entanglement er i seg selv ikke-lokalt, men det gjør ikke noe – det er en forening som ikke er knyttet til den ikke-lokale endringen av informasjon eller noe annet synlig. Når du forstår en undersøkelse der to sammenfiltrede fotoner er atskilt med stor avstand og deretter måles spinnet til hver enkelt, overføres ingen data raskere enn lysets hastighet. Faktisk, hvis du prøver å bringe resultatene av to observasjoner sammen, kan disse dataene bare bevege seg med lysets hastighet, ikke raskere! Hva som danner «informasjon» var en stor kilde til usikkerhet i kvantemekanikkens tidlige dager, men vi vet i dag at teorien kan tilpasses perfekt medEinsteins spesielle relativitetsteori der data ikke kan forskyves raskere enn lysets hastighet. Det er en av de mest betydningsfulle kvantesannhetene om universet vårt.

3 Forvikling ikke identisk som superposisjon

En kvantesuperposisjon er evnen til et system å være i to forskjellige tilstander samtidig, og likevel, når man måler, finner man stadig en bestemt tilstand og aldri en superposisjon. Entanglement er derimot en sammenheng mellom to eller flere deler av et system – noe helt annet. Superposisjon er ikke grunnleggende: om en tilstand er eller ikke er en superposisjon, avhenger av hva du må måle. En tilstand kan for eksempel være i en superposisjon av posisjoner og ikke i en superposisjon av øyeblikk – så hele konseptet er vagt. Entanglement er derimot entydig: det er en grunnleggende egenskap for hvert system og det mest kjente målet for et systems kvantitet.

2 Kvantisering innebærer ikke sikkert diskrethet

Per definisjon er «Quanta» diskrete partikler, men ikke alt blir klumpete eller uatskillelig på korte skalaer. Kvantesannhetene om universet vårt er at elektromagnetiske bølger består av kvanta som kalles «fotoner», slik at bølgene kan betraktes som diskretiserte. Og elektronskjell rundt atomkjernen kan bare ha klare, diskrete radier. Men andre partikkelegenskaper blir ikke diskrete selv i kvanteteori. Tilstanden til elektroner i et metalls ledende bånd er for eksempel ikke diskret – elektronet kan fylle en hvilken som helst kontinuerlig posisjon i båndet.

1 Alt er kvantum

Nå vet vi at noen ting er kvantemekaniske, og andre ikke. Alt følger de samme lovene i kvantemekanikken – det er bare det at kvanteeffekter av store gjenstander er veldig vanskelig å se. Det var derfor kvantemekanikken var en senkomer for utviklingen av teoretisk fysikk: det var ikke før fysikere måtte rettferdiggjøre hvorfor elektroner sitter på skjell rundt atomkjernen, at kvantemekanikk ble viktig for å komme med nøyaktige spådommer.

10 kvante sannheter om vårt univers

1. Alt er kvantum
2. Kvantisering innebærer ikke sikkert diskrethet
3. Forvikling ikke identisk som superposisjon
4. Det er ingen rare handlinger på avstand
5. Kvantefysikk Et intenst forskningsfelt
6. Einstein motbeviste det ikke
7. Det handler om usikkerhet
8. Kvantepåvirkning er ikke nødvendigvis liten
9. Men de kontrollerer små skalaer
10. Schrödingers katt er enten død eller i live, ikke begge deler

Skrevet av: AC Claudia