Άμστερνταμ
 

Ερευνητές στην Ολλανδία κατάφεραν για πρώτη φορά να απεικονίσουν την κβαντική υπόσταση των ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου υδρογόνου -μια μελέτη που δεν είναι εντυπωσιακή μόνο λόγω του μεγέθους του ατόμου, αλλά και λόγω των φαινομενικά παράλογων περιορισμών που επιβάλλει η κβαντική μηχανική.

Οι κβαντικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων και άλλων σωματιδίων καθιστούν ουσιαστικά αδύνατο τον προσδιορισμό της ακριβής τους θέσης. Το μόνο που διαθέτουν οι φυσικοί για να μπορούν να εκτιμήσουν πού μπορεί να βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο είναι η λεγόμενη κυματοσυνάρτηση: μια εξίσωση που δίνει την πιθανότητα να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο σε μια οποιαδήποτε συγκεκριμένη θέση.

Ακόμα και η κυματοσυνάρτηση, όμως, είναι δύσκολο να μετρηθεί με ακρίβεια,  καθώς έχει την τάση να καταρρέει σε κάθε απόπειρα άμεσης παρατήρησης.

Τώρα, ερευνητές στο ολλανδικό Ίδρυμα Θεμελιώδους Έρευνας στην Ύλη αναφέρουν στην επιθεώρηση Physical Review Letters ότι κατάφεραν να απαθανατίσουν τις κυματοσυναρτήσεις των ηλεκτρονίων σε άτομα υδρογόνου.

H Δρ Ανέτα Στόντολνα και οι συνεργάτες της βομβάρδισαν με λέιζερ άτομα υδρογόνου έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να εκτιναχθούν μακριά, με ταχύτητες και οι κατευθύνσεις που εξαρτώνται από τις κυματοσυναρτήσεις τους. Αμέσως μετά, ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο ανάγκασε τα ηλεκτρόνια να πέσουν πάνω σε έναν επίπεδο ανιχνευτή. Το πείραμα είχε σχεδιαστεί έτσι ώστε οι θέσεις στις οποίες προσέκρουσαν τα ηλεκτρόνια να εξαρτώνται από τις από τις αρχικές τους ταχύτητες, οι οποίες με τη σειρά τους εξαρτώνταν από τις κυματοσυναρτήσεις.

Οι θέσεις στις οποίες έπεφταν τα ηλεκτρόνια καταγράφηκαν σε μια φθορίζουσα οθόνη και φωτογραφήθηκαν σε υψηλή ανάλυση. Οι εικόνες που προκύπτουν, διαστάσεων 4 επί 4 χιλιοστά, δείχνουν ότι η κατανομή των ηλεκτρονίων στον ανιχνευτή ταιριάζει με τις κυματοσυναρτήσεις στις οποίες υπάκουαν τα ηλεκτρόνια τη στιγμή που εκτινάχθηκαν έξω από τα άτομα υδρογόνου.

Η μελέτη προσφέρει μια νέα τεχνική για την απεικόνιση της κυματοσυνάρτησης, σχολίασε στο δικτυακό τόπο του Science ο Τζεφ Λουντίν, φυσικός του Πανεπιστημίου της Οτάβα που έχει πραγματοποιήσει πειράματα στις κυματοσυναρτήσεις ενός άλλου σωματιδίου, του φωτονίου.

Επισημαίνει πάντως, ότι οι κυματοσυναρτήσεις των ηλεκτρονίων σε μεγαλύτερα άτομα θα μπορούσαν να διαφέρουν σημαντικά από τις παρατηρήσεις στο άτομο του υδρογόνου.

Εφόσον αποδειχθεί ότι είναι εφαρμόσιμη και σε άλλα άτομα, η νέα τεχνική θα μπορούσε μάλιστα να βρει στο μέλλον πρακτικές εφαρμογές σε «μοριακά καλώδια» που θα επιτρέψουν την περαιτέρω σμίκρυνση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.

Ακόμα κι αν δεν συμβεί αυτό, πάντως, το πορτρέτο της κυματοσυνάρτησης θα μπορούσε να βελτιώσει τις γνώσεις μας για την ατομική φυσική που βρίσκεται σε δράση στις χημικές αντιδράσεις και τη νανοτεχνολογία.

Πηγή.

 

H πειραματική διάταξη που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές E. Megidish et al (για περισσότερες λεπτομέρειες δείτε ΕΔΩ

 

H κβαντική σύμπλεξη αποτελεί ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα της κβαντομηχανικής, επιτρέποντας σε δύο σωματίδια να συν-πλέκονται μεταξύ τους ακόμα και αν βρίσκονται εκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Η μέτρηση ενός σωματιδίου αλλάζει ταυτόχρονα την κατάσταση του κβαντικά συζευγμένου ζεύγους του, ανεξάρτητα από την απόσταση.

Τώρα, Ισραηλινοί ερευνητές έδειξαν πως δύο φωτόνια μπορούν βρίσκονται σε κβαντική σύμπλεξη ακόμα και αν δεν υφίστανται την ίδια χρονική στιγμή.
Η χρονικά ανεξάρτητη κβαντική σύμπλεξη προβλέπεται από την κβαντική θεωρία, αλλά δεν είχε πραγματοποιηθεί με επιτυχία, μέχρι να το προσπαθήσουν οι Ίλαϊ Μεγκιντίς (Eli Megidish) και Χαγκάι Άιζενμπεργκ (Hagai Eisenberg) του Εβραϊκού Πανεπιστημίου της Ιερουσαλήμ.

Οι ερευνητές ξεκίνησαν χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό που ονομάζεται εναλλαγή κβαντικής σύμπλεξης. Εκθέτοντας έναν ειδικό κρύσταλλο σε ακτινοβολία λέιζερ, δημιούργησαν δύο ζευγάρια “πεπλεγμένων” φωτονίων. Στην αρχή, τα φωτόνια 1 και 4 δεν βρίσκονται σε κατάσταση σύμπλεξης, αλλά μπορούν να βρεθούν εάν οι επιστήμονες πραγματοποιήσουν την κατάλληλη μέτρηση στα φωτόνια 2 και 3.

Για να επιτύχουν την ανεξαρτησία από το χρόνο, οι Μεγκιντίς και Άιζενμπεργκ δημιούργησαν πρώτα το ζευγάρι με τα φωτόνια 1 και 2, και μέτρησαν κατευθείαν την πόλωση του φωτονίου 1, πριν δημιουργήσουν το ζευγάρι με τα φωτόνια 3 και 4. Στη συνέχεια πραγματοποίησαν τη μέτρηση στα φωτόνια 2 και 3, και τελικά μέτρησαν την πόλωση του φωτονίου 4. Παρ’όλο που τα φωτόνια 1 και 4 δε συνυπήρξαν ποτέ, οι μετρήσεις έδειξαν ότι οι πολώσεις τους κατέληξαν να συμπλέκονται κβαντικά.

Σύμφωνα με τον Άιζενμπεργκ, το πείραμα δείχνει ότι δεν είναι απολύτως λογικό να σκεφτόμαστε την εμπλοκή ως μία απτή φυσική ιδιότητα. «Δεν υπάρχει καμία χρονική στιγμή κατά την οποία τα δύο φωτόνια συνυπάρχουν», δήλωσε. «Συνεπώς δεν μπορούμε να πούμε ότι το σύστημα είναι πεπλεγμένο σε εκείνη ή την άλλη χρονική στιγμή», πρόσθεσε.

Ωστόσο, το φαινόμενο υπάρχει σίγουρα και το πείραμα αποδεικνύει πόσο διαφορετικές είναι οι έννοιες της κβαντικής μηχανικής. Τα κβαντικά γεγονότα είναι έξω από τις καθημερινές μας έννοιες του χώρου και του χρόνου και για αυτό εμφανίζουν διαφορετικές αντικειμενικές δυσκολίες στην πειραματική τους προσέγγιση και κατανόηση.

Οι επιστήμονες ελπίζουν πως το πείραμά τους θα βοηθήσει στη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών και δικτύων, στα οποία θα χρησιμοποιείται η κβαντική σύμπλεξη ως πρωτόκολλο για τη δημιουργία κβαντικών συνδέσεων μεταξύ απομακρυσμένων χρηστών, για την ασφαλή και ιδιαίτερα γρήγορη μεταφορά κωδικοποιημένων πληροφοριών.

Πηγή.

 

Ξεχάστε τα ραδιενεργά δαγκώματα των αραχνών, την έκθεση σε ακτίνες γάμμα, ή οποιοδήποτε άλλο ατύχημα που συναντάμε στα κόμικς με τον άνθρωπο αράχνη ή τον σούπερμαν: στον πραγματικό κόσμο, η κβαντική θεωρία είναι αυτή που σας δίνει υπερδυνάμεις.

Το ήλιον-2 θα σκαρφαλώσει τα τοιχώματα του δοχείου

Πάρτε για παράδειγμα το ευγενές αέριο ήλιο. Σε θερμοκρασία δωματίου, είναι προϊόν διασκέδασης: μπορείτε να γεμίσετε με αυτό μπαλόνια ή να το εισπνεύσετε και να μιλήσετε με μια τσιριχτή φωνή. Σε θερμοκρασίες όμως κάτω από τους 2 Kelvin, περίπου, είναι ένα υγρό και τα άτομα του διέπονται από τις ιδιότητες της κβαντομηχανικής. Τότε γίνεται ένα υπερρευστό.

Το υπερρευστό ήλιο σκαρφαλώνει στους τοίχους και ρέει προς τα πάνω σε πείσμα της βαρύτητας. Ωστόσο, το ίδιο συμπιέζεται μέσα σε εξωφρενικά μικρές τρύπες. Ξεφεύγει μάλιστα από την τριβή: βάλτε το υπερρευστό ήλιο σε ένα μπολ, θέστε το σε περιστροφή, και βλέπετε ότι το ήλιο σε αυτή την κατάσταση δεν μετακινείται, ενώ το κύπελλο περιστρέφεται από κάτω. Βάλτε σε ίδια κίνηση το υγρό και αυτό θα συνεχίσει να στρέφεται για πάντα.

Αυτό είναι διασκέδαση, αλλά δεν είναι ιδιαίτερα χρήσιμο. Το αντίθετο θα μπορούσε κάποιος να πει για τους υπεραγωγούς. Αυτά τα στερεά άγουν τον ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση, έτσι είναι πολύτιμα σώματα για τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας, για τη δημιουργία εξαιρετικά ισχυρών μαγνητικών πεδίων – για να θέσουμε σε κίνηση τα πρωτόνια γύρω τον Μεγάλο Επιταχυντή στο CERN, για παράδειγμα – αλλά και για τις αιωρούμενες υπερταχείες αμαξοστοιχίες.

Δεν ξέρουμε ακόμη πώς δουλεύουν όλοι οι υπεραγωγοί, αλλά φαίνεται ότι η αρχή της αβεβαιότητας παίζει κάποιο ρόλο. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η ορμή των μεμονωμένων ατόμων ή των ηλεκτρονίων σε αυτά τα υλικά είναι πολύ μικρή και γνωστή με πολύ ακρίβεια, οπότε η θέση του κάθε ατόμου είναι εξαιρετικά αβέβαιη. Στην πραγματικότητα, αρχίζουν να επικαλύπτονται μεταξύ τους, σε σημείο όπου δεν μπορείτε να τα περιγράψετε ξεχωριστά. Θα αρχίσουν να ενεργούν ως ένα υπερ-άτομο ή σαν υπερ-ηλεκτρόνιο που κινείται χωρίς τριβή ή αντίσταση.

Ωστόσο, όλα αυτά δεν είναι τίποτα όσον αφορά την παραξενιά σε σύγκριση με ένα υπερστερεό. Το μόνο γνωστό τέτοιο παράδειγμα είναι το στερεό ήλιο που ψύχεται κοντά στον ένα βαθμό πάνω από το απόλυτο μηδέν και με περίπου 25 φορές την κανονική ατμοσφαιρική πίεση.

Υπό αυτές τις συνθήκες, οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων του ηλίου είναι ασθενείς, και κάποιοι σπάνε αφήνοντας ένα δίκτυο από «κενές θέσεις» που συμπεριφέρονται σχεδόν σαν τα πραγματικά άτομα. Υπό κατάλληλες συνθήκες, οι εν λόγω κενές θέσεις σχηματίζουν ένα υγρό σαν το συμπύκνωμα Bose-Einstein. Αυτό, υπό ορισμένες συνθήκες, περνά μέσα από το πλέγμα του κανονικού ηλίου – που σημαίνει ότι τα στερεά ρέουν, σαν το φάντασμα, μέσα από τον ίδιο τους τον εαυτό.

Τόσο ασυνήθιστη είναι αυτή η υπερδύναμη που ο φυσικός Moses Chan μαζί με τον μεταπτυχιακό φοιτητής του Eun-Seong Kim στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια έλεγχαν και ξανά έλεγχαν τα στοιχεία τους για το στερεά ήλιο για τέσσερα χρόνια, πριν τελικά τα δημοσιεύσουν το 2004.

"Είχα μικρή εμπιστοσύνη ότι θα δούμε αυτό το αποτέλεσμα”, λέει ο Chan. Παρ’ όλα αυτά, οι ερευνητές έχουν δει νύξεις ότι κάθε κρυσταλλικό υλικό θα μπορούσε να πεισθεί ώστε να εκτελέσει ένα τέτοιο κατόρθωμα σε θερμοκρασίες μόλις ένα κλάσμα πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ούτε ο σούπερμαν δεν μπορεί ακόμη να το κάνει.

Από την ιστορία

Το γεγονός ότι το ήλιο μετατρέπεται σε υπερρευστό ανακαλύφθηκε, μεταξύ των άλλων, από τον Piotr Kapitsa στο τέλος της δεκαετίας του 30. Το φαινόμενο ερμηνεύθηκε σχεδόν αμέσως από τον Lev Landau ο οποίος πήρε και βραβείο Nobel 1962 για την ανακάλυψη αυτή. (Ο Kapitsa βραβεύτηκε το 1978. Η μετατροπή του 4He από κανονικό ρευστό σε υπερρευστό που συμβαίνει σε θερμοκρασία 2 βαθμών πάνω από το απόλυτο μηδέν, είναι το πρώτο παράδειγμα της συμπύκνωσης Bose-Einstein. Πρόσφατα έχει παρατηρηθεί και σε διάφορα αέρια.

Η μετατροπή του 3He σε υπερρευστό επιτεύχθηκε μόλις το 1970 από τους D. Lee, D. Osheroff και R.Richardson (Nobel 1996). Μία από τις αιτίες που καθυστέρησε η ανακάλυψη αυτή είναι η θερμοκρασία υγροποίησης του 3He είναι πολύ χαμηλή, μερικά χιλιοστά του βαθμού. Παρ΄ ότι το 3He διαφέρει κβαντικά από το 4He και δεν μπορεί να κάνει συμπύκνωση Bose-Einstein το φαινόμενο ήταν αναμενόμενο. Ανάλογα με την θεωρία της υπεραγωγιμότητας των Bardeen Cooper και Schrieffer σχηματίζονται ζεύγη Cooper από δυο πυρήνες ηλίου.

Πηγή.

 

Η επόμενη κβαντομηχανική παραξενιά θεωρείται ότι είναι μία από τις λιγότερο γνωστές στον κόσμο, αλλά μερικοί λένε ότι έχει μεγάλη σημασία για να βρεθεί μια βιώσιμη εξήγηση για το πώς λειτουργεί η ραδιονική (που δουλεύει με την ραβδοσκοπία!).

Στο φαινόμενο Aharonov-Bohm, όπως είναι γνωστό, ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο δείχνει μια μετρήσιμη αλληλεπίδραση με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο παρά το γεγονός ότι αυτό περιορίζεται σε μια περιοχή στην οποία τόσο το μαγνητικό πεδίο Β όσο και το ηλεκτρικό πεδίο Ε είναι μηδέν.

Εδώ λοιπόν έχουμε ένα πολύ παράξενο φαινόμενο της κβαντομηχανικής.

Πάρτε λοιπόν ένα μαγνήτη σχήματος ντόνατ και τυλίξτε μια μεταλλική ασπίδα γύρω στο εσωτερικό του άκρο, έτσι ώστε να μην μπορεί να διαρρεύσει κανένα μαγνητικό πεδίο μέσα στην τρύπα. Τότε πυροδοτείστε ένα ηλεκτρόνιο μέσα από την τρύπα. Αφού δεν υπάρχει κανένα πεδίο στην τρύπα, θα ήταν λογικό να θεωρούμε ότι το ηλεκτρόνιο θα δράσει ως εάν να μην υπάρχει πεδίο γύρω του, έτσι δεν είναι ; Κάνετε λάθος.

Το κύμα το συνδεδεμένο με την κίνηση του ηλεκτρονίου αντιλαμβάνεται ένα ξαφνικό εμπόδιο σαν να υπήρχε κάτι εκεί. Οι Werner Ehrenberg και Raymond Siday ήταν οι πρώτοι που παρατήρησαν πως αυτή η συμπεριφορά κρύβεται στην εξίσωση Schrodinger (δείτε 2η παραξενιά της κβαντομηχανικής: Το κβαντικό φαινόμενο Άμλετ).

Το φαινόμενο το περιέγραψαν οι πιο πάνω φυσικοί για πρώτη φορά το 1949, αλλά το αποτέλεσμά τους παρέμεινε απαρατήρητο. Δέκα χρόνια αργότερα οι Yakir Aharonov και David Bohm, που εργάζονταν τότε στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, ανακάλυψαν εκ νέου το φαινόμενο.

Τι λοιπόν συμβαίνει; Το φαινόμενο Aharonov-Bohm είναι απόδειξη ότι υπάρχει κάτι περισσότερο με τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία απ ότι γενικά υποθέτουμε. Δεν μπορείτε να υπολογίσει το μέγεθος της επίδρασης πάνω σε ένα σωματίδιο εξετάζοντας μόνο τις ιδιότητες των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, όπου βρίσκεται το σωματίδιο. Θα πρέπει επίσης να ληφθούν υπόψη και οι ιδιότητες μέσα στις οποίες αυτό δεν είναι.

Ψάχνοντας για μια εξήγηση, οι φυσικοί αποφάσισαν να ρίξουν μια ματιά σε μια ιδιότητα  του μαγνητικού πεδίου, γνωστή ως διανυσματικό δυναμικό. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, τα διανυσματικά δυναμικά θεωρήθηκαν απλώς πρακτικά μαθηματικά εργαλεία – κάποιες ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες που δεν έχουν κανένα πραγματικό αντίκρισμα στον πραγματικό κόσμο Όπως όμως αποδεικνύεται, τα διανυσματικά δυναμικά περιγράφουν κάτι που είναι στην πράξη πολύ πραγματικό.

Το φαινόμενο Aharonov-Bohm έδειξε ότι το διανυσματικό δυναμικό κάνει ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο να είναι κάτι περισσότερο από το άθροισμα των μερών του. Ακόμα και όταν δεν υπάρχει πεδίο, το διανυσματικό δυναμικό εξακολουθεί να ασκεί μια επίδραση.

Αυτή η επίδραση παρατηρήθηκε αναμφίβολα για πρώτη φορά το 1986, όταν ο Akira Tonomura και οι συνεργάτες του στα εργαστήρια της Hitachi, μέτρησαν ένα “στοιχειωμένο ηλεκτρικό τράνταγμα”. Αν και απέχει πολύ από τα καθημερινά φαινόμενο, το φαινόμενο Aharonov-Bohm μπορεί να αποδειχθεί ότι έχει χρήσεις και στον πραγματικό κόσμο – σε μαγνητικούς αισθητήρες, για παράδειγμα, ή σε πυκνωτές ευαίσθητους σε πεδία  ή και σε buffer αποθήκευσης δεδομένων για υπολογιστές.

Πηγή.

 

Ο Έρβιν Σρέντιγκερ απεκάλεσε την διεμπλοκή σαν το “καθοριστικό γνώρισμα" της κβαντικής θεωρίας. Ο Αϊνστάιν από την άλλη δεν ήθελε να πιστέψει σε αυτήν καθόλου, νομίζοντας ότι η κβαντική θεωρία είχε σοβαρά λάθη.

Η διεμπλοκή Είναι η ιδέα ότι δύο σωματίδια μπορούν να βρίσκονται σε τέτοια σύζευξη μεταξύ τους, που η αλλαγή της κβαντικής κατάστασης του ενός να επηρεάζει ακαριαία και του άλλου, ακόμη και αν είναι έτη φωτός μακριά. Αυτή η "στοιχειωμένη δράση από απόσταση”, σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, είναι ένα σοβαρό πλήγμα για την αντίληψη που έχουμε για το πώς λειτουργεί ο κόσμος.

Το 1964, ο φυσικός John Bell του CERN, έδειξε αν και κατά πόσο θα μπορούσε να ισχύσει αυτή η ιδέα. Υπολόγισε λοιπόν μια μαθηματική ανισότητα που περιείχε το μέγιστο συσχετισμό μεταξύ των καταστάσεων των απομακρυσμένων σωματιδίων, σε πειράματα στα οποία διατηρούνται τρεις «λογικές» προϋποθέσεις: πρώτον ότι οι πειραματιστές έχουν ελεύθερη βούληση να καθορίσουν τα πράγματα όπως αυτοί θέλουν, δεύτερον ότι οι ιδιότητες των σωματιδίων που μετριούνται είναι πραγματικές και προϋπάρχουσες, κι όχι απλώς να αναδύονται κατά τη στιγμή της μέτρησης. Και τέλος, ότι κανένας συσχετισμός (επίδραση) δεν ταξιδεύει γρηγορότερα από ότι το φως, το κοσμικό όριο της ταχύτητας.

Όπως έχουν δείξει πολλά πειράματα από τότε, η κβαντική μηχανική παραβιάζει κανονικά την ανισότητα του Bell, παράγοντας επίπεδα του τρόπου συσχέτισης πάνω από αυτά που είναι δυνατόν, εάν διατηρούν και τις τρεις προαναφερόμενες συνθήκες.

Αυτό μας φέρνει σε ένα φιλοσοφικό δίλημμα. Μήπως δεν έχουμε ελεύθερη βούληση, που σημαίνει ότι κατά κάποιο τρόπο προκαθορίζεται τι μετρήσεις παίρνουμε; Το τελευταίο δεν αποτελεί την πρώτη επιλογή κανενός ανθρώπου. 

Μήπως δεν είναι οι ιδιότητες των κβαντικών σωματιδίων πραγματικές – πράγμα που σημαίνει ότι τίποτα δεν είναι πραγματικό στην πράξη, αλλά απλώς υπάρχει ως αποτέλεσμα της αντίληψης μας; Αυτή είναι η πιο δημοφιλής θέση, αλλά μας αφήνει ελάχιστα περιθώρια να γίνουμε σοφότεροι.

Ή μήπως υπάρχει πραγματικά μια επίδραση που ταξιδεύει ταχύτερα από το φως; Βασισμένοι στην Ελβετική φήμη για την ακρίβεια της μέτρησης του χρόνου, το 2008 ο φυσικός Nicolas Gisin και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης, έδειξε ότι, αν η πραγματικότητα και η ελεύθερη βούληση διατηρούνται, τότε η ταχύτητα της μεταφοράς των κβαντικών καταστάσεων μεταξύ πεπλεγμένων φωτονίων που πραγματοποιήθηκαν σε δύο χωριά, που απείχαν 18 χιλιόμετρα, ήταν περίπου 10.000 φορές παραπάνω από την ταχύτητα του φωτός. Όπως αποδείχτηκε τότε, η όποια αλλαγή (π.χ. στο χρώμα) συνέβαινε στο ένα φωτόνιο, χωρίς χρονική υστέρηση συνέβαινε και στο άλλο, παρόλο που απείχαν τόσα χιλιόμετρα. Συνεπώς, ο Αϊνστάιν είχε άδικο που θεωρούσε ότι τίποτε δεν μπορεί να ταξιδέψει πιο γρήγορα από το φως

Όποια και αν είναι η πραγματική απάντηση σε αυτό το ζήτημα, αυτό είναι περίεργο. Καλώς ήρθατε λοιπόν στην κβαντική πραγματικότητα.

Πηγή.

 

Είναι τρομακτική η σκέψη να πυροδοτηθεί μια βόμβα από ένα μόνο φωτόνιο. Εάν ένα τέτοιο γεγονός υπήρχε στον κλασικό κόσμο, ούτε θα το είχατε καταλάβει ποτέ. Κάθε φωτόνιο που θα εισερχόταν στο μάτι σας για να σας το πει, ήδη θα είχε προκαλέσει την έκρηξη της βόμβας, ενώ εσείς θα αναχωρούσατε για την αιώνια βασιλεία.

Με την κβαντική φυσική, θα είχατε μια καλύτερη τύχη. Σύμφωνα με ένα σχήμα που προτάθηκε από τους Ισραηλινούς φυσικούς Avshalom Elitzur και Lev Vaidman το 1993, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα κβαντικά κόλπα για την ανίχνευση μιας βόμβας, που πυροδοτήθηκε από φως, με φως – και να παραμείνετε ζωντανός με εγγύηση 25%.

Το ακόλουθο παράδειγμα παρουσιάζει το πρόβλημα της διαλογής των καλών από τις σκάρτες βόμβες : Θεωρείστε μια συλλογή από βόμβες, ορισμένες από τις οποίες είναι ελαττωματικές και δεν μπορούν να σκάσουν.

Οι βόμβες που λειτουργούν σωστά μπορούν να ενεργοποιηθούν από ένα και μόνο φωτόνιο, οπότε όταν το απορροφήσουν εκρήγνυνται (κάτω εικόνα).

Οι ελαττωματικές βόμβες δεν θα απορροφήσουν το φωτόνιο. Το πρόβλημα είναι πώς θα διαχωριστούν οι καλές από τις ελαττωματικές βόμβες. Μια σκέψη θα ήταν να μαζέψουμε τις ελαττωματικές βόμβες, βλέποντας αν μπορούν να εκραγούν μία προς μία. Δυστυχώς, αυτή η διαδικασία καταστρέφει όλες τις βόμβες που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε (τις καλές).

Ας εξετάσουμε τώρα μια ελαφρά παραλλαγή αυτής της μεθόδου: ένα κάτοπτρο που συνδέεται με ένα έμβολο και το οποίο συνδέεται με τον πυροκροτητή. Ένα φωτόνιο που προσκρούει πάνω στο κάτοπτρο σπρώχνει το έμβολο και τότε προκαλείται η έκρηξη της βόμβας. Οι ελαττωματικές βόμβες – που δεν μπορούν να σκάσουν – είναι εκείνες στις οποίες το «έμβολο» έχει κολλήσει, έτσι ώστε ακόμη και αν ένα φωτόνιο κτυπήσει το κάτοπτρο, το έμβολο δεν πιέζει την βόμβα, και έτσι δεν γίνεται έκρηξη.

Η ιδιότητα αυτή είναι σημαντική, επειδή φαίνεται ότι μια ελαττωματική βόμβα ουσιαστικά ανακλά προς τα πίσω το φωτόνιο (πάνω εικόνα). Και στο σενάριο της καλής βόμβας το φωτόνιο στην πραγματικότητα ποτέ δεν κτυπά το κάτοπτρο της βόμβας, είναι σαν το φωτόνιο να έφυγε μέσα από ένα άλλο δρόμοι (υπάρχει δηλαδή μία "μηδενική" μέτρηση του φωτονίου).

Μια λύση για αυτόν τον διαλογέα των βομβών είναι να χρησιμοποιήσει έναν τρόπο παρατήρησης που είναι γνωστός ως η αντίστροφη μέτρηση, και η οποία βασίζεται στις ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής.

Ξεκινήστε με ένα συμβολόμετρο Mach-Zehnder και μια πηγή φωτός που εκπέμπει ένα μόνο φωτόνιο (κάτω εικόνα). Όταν ένα φωτόνιο που εκπέμπεται από την πηγή φωτός φθάσει ένα ημι-επαργυρωμένο κάτοπτρο, έχει ίσες πιθανότητες να διέλθει μέσα από το κάτοπτρο ή να ανακλαστεί. Στη μία διαδρομή, τοποθετούμε μια βόμβα (Β) που συναντάει το φωτόνιο. Αν η βόμβα λειτουργεί σωστά, τότε το φωτόνιο απορροφάται και ενεργοποιεί την βόμβα. Αν η βόμβα είναι ελαττωματική, τότε το φωτόνιο θα περάσει μέσα της ανεπηρέαστο.

Όταν η κατάσταση ενός φωτονίου μεταβάλλεται μη ντετερμινιστικά (πιθανοκρατικά), όπως τώρα που δεν γνωρίζουμε τι θα κάνει το φωτόνιο με το ημι-επαργυρωμένο κάτοπτρο – ή περνά  ή ανακλάται –, τότε  το φωτόνιο υφίσταται μια κβαντική υπέρθεση ή μια επαλληλία πολλών καταστάσεων. Σύμφωνα με αυτήν το φωτόνιο παίρνει όλες τις δυνατές καταστάσεις και μπορεί να αλληλεπιδράσει με τον εαυτό του. Το φαινόμενο αυτό συνεχίζεται μέχρι ένας παρατηρητής να αλληλεπιδράσει με αυτό, αναγκάζοντας έτσι την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης του και να επιστρέψει το φωτόνιο σε μια ντετερμινιστική κατάσταση.

Μπορούμε, για να κατανοήσουμε το φαινόμενο αυτό, να σκεφτούμε την ερμηνείας πολλαπλών κόσμων του Everett. Η υπέρθεση ή η επαλληλία πολλών καταστάσεων είναι σαν να έχουμε παράλληλους κόσμους – έναν κόσμο για κάθε πιθανή κατάσταση των φωτονίων. Ως εκ τούτου, όταν ένα φωτόνιο συναντάει τον ημι-επαργυρωμένα κάτοπτρο, τότε σε έναν “κόσμο” περνά μέσα από αυτό, και σε έναν άλλο “κόσμο” ανακλάται από το κάτοπτρο. Αυτοί οι δύο κόσμοι είναι εντελώς ξεχωριστοί εκτός από το σωματίδιο στην υπέρθεση. Το φωτόνιο που περνάει μέσα από τον καθρέφτη στον ένα κόσμο μπορεί να αλληλεπιδράσει με το φωτόνιο που ανακλάται από το κάτοπτρο στον άλλο κόσμο.

Τα φωτόνια μπορούν να συνεχίσουν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέχρις ότου ένας παρατηρητής από τον ένα κόσμο μετράει την κατάσταση του φωτονίου.

Ανάλυση του φαινομένου

Στη φυσική το πρόβλημα Elitzur-Vaidman του ελέγχου αν μια βόμβα είναι καλή ή ελαττωματική είναι ένα νοητικό πείραμα της κβαντομηχανικής, που προτάθηκε για πρώτη φορά από τους Avshalom Elitzur και Lev Vaidman το 1993.  Ένα χρόνο μετά, το 1994, κατασκευάστηκε και δοκιμάστηκε με επιτυχία από τον Anton Zeilinger μία πειραματική διάταξη ελεγχόμενης έκρηξης βόμβας. Αυτή η διάταξη περιλαμβάνει ένα συμβολόμετρο Mach-Zehnder για να εξακριβωθεί αν έχει πραγματοποιηθεί μια μέτρηση. 

Το μυστικό στην παραπάνω διάταξη είναι το ειδικό συμβολόμετρο. Εκμεταλλεύεται το κβαντικά παράξενο γεγονός ότι, αν υπάρχουν δύο δρόμοι για να ταξιδέψει ένα φωτόνιο, θα πάρει και τους δύο ταυτόχρονα. Το γνωρίζουμε αυτό, διότι, στο άλλο άκρο της συσκευής, όπου οι δύο δρόμοι διασταυρώνονται, παράγεται ένα μοτίβο που μοιάζει με ένα κύμα.

Ακολούθως, το 2000, οι Shuichiro Inoue και Gunnar Bjork του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Στοκχόλμης, χρησιμοποίησαν μια παρόμοια τεχνική για να αποδείξουν ότι θα μπορούσαμε να πάρουμε μια εικόνα από ένα κομμάτι ενός αντικειμένου χωρίς να πέσει φως πάνω σε αυτό – κάτι που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην ιατρική απεικόνιση.

Μια εξήγηση βήμα προς βήμα για το τι συμβαίνει στο συμβολόμετρο Mach-Zehnder:

Αν η βόμβα είναι ελαττωματική (δεν μπορεί να εκραγεί):

  • Το φωτόνιο συγχρόνως (i) διέρχεται από το 1ο ημι-επαργυρωμένο κάτοπτρο και (ii) ανακλάται.
  • Η ελαττωματική βόμβα δεν θα απορροφήσει το φωτόνιο, θα διέλθει μέσα της και έτσι η κάτω διαδρομή είναι η πιθανή διαδρομή προς το σημείο συμβολής.
  • Το σύστημα ανάγεται στη βασική συσκευή Mach-Zehnder χωρίς κανένα σωστό δείγμα, στην οποία συμβαίνει ενισχυτική συμβολή στην πορεία προς την οριζόντια έξοδο (D), καθώς και αποσβεστική συμβολή στην πορεία προς την κάθετη έξοδο (C).
  • Ως εκ τούτου, ο ανιχνευτής στο (D) θα αναγνωρίσει ένα φωτόνιο, και ο ανιχνευτής στο (C) κανένα 

Αν η βόμβα είναι λειτουργική (μπορεί να εκραγεί):

  • Το φωτόνιο συγχρόνως (i) διέρχεται από το 1ο ημι-επαργυρωμένο κάτοπτρο και (ii) ανακλάται.
  • Θεωρώντας ότι ο παρατηρητής είναι η βόμβα, μετά την συνάντηση του φωτονίου με την βόμβα (παρατηρητής), η κυματοσυνάρτηση καταρρέει και το φωτόνιο πρέπει να είναι είτε στην κάτω διαδρομή ή στην πάνω γραμμή, αλλά όχι και στις δύο.

Αν το φωτόνιο είναι πράγματι στην κάτω διαδρομή:

  • Επειδή η βόμβα μπορεί να χρησιμοποιηθεί, αυτό το φωτόνιο αναγκάζει την βόμβα να εκραγεί.

Αν το φωτόνιο κάνει πράγματι την πάνω διαδρομή:

  • Επειδή η κάτω διαδρομή δεν έγινε, τότε δεν θα υπάρξει κανένα φαινόμενο συμβολής στο 2ο ήμι-επαργυρωμένο καθρέφτη.
  • Το φωτόνιο στην πάνω γραμμή τώρα συγχρόνως (i) διέρχεται από το 2ο ημι-επαργυρωμένο κάτοπτρο και (ii) ανακλάται.
  • Μετά την συνάντηση με τους δύο παρατηρητές (ανιχνευτής C και D), η κυματοσυνάρτηση του φωτονίου καταρρέει κι έτσι και πάλι το φωτόνιο πρέπει να είναι είτε στον ανιχνευτή C ή στον ανιχνευτή D, αλλά όχι και στους δύο.

Ως εκ τούτου, υπάρχουν μόνο τρία παρατηρήσιμα αποτελέσματα:

1. Η βόμβα εκρήγνυται.
2. Η βόμβα δεν εκρήγνυνται και μόνο ο ανιχνευτής (C) ανιχνεύει το φωτόνιο. Η βόμβα θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί.
3. Η βόμβα δεν εκρήγνυνται και μόνο ο ανιχνευτής (D) ανιχνεύει το φωτόνιο. Είναι εξίσου πιθανό η βόμβα να είναι χρησιμοποιήσιμη (καλή) ή να είναι ελαττωματική.

Πηγή.

 

φαινόμενο-Casimir“Τίποτα δεν έρχεται από το τίποτα” νουθετεί ο Βασιλιάς Ληρ τη Cordelia στο ομώνυμο έργο του Σαίξπηρ. Όμως, στον κβαντικό κόσμο είναι διαφορετικά: εκεί, κάτι εμφανίζεται από το τίποτα και κινεί τα έπιπλα τριγύρω. Συγκεκριμένα, εάν τοποθετήσετε δύο φορτισμένες μεταλλικές πλάκες δίπλα-δίπλα μέσα στο κενό, θα κινηθούν η μία προς την άλλη, φαινομενικά χωρίς λόγο. Προσέξτε, δεν θα κινηθούν και πολύ.

Δύο πλάκες με έκταση ενός τετραγωνικού μέτρου τοποθετημένες σε απόσταση ενός χιλιοστού του χιλιοστού, θα αισθανθούν μια δύναμη που ισοδυναμεί με λίγο περισσότερο από το ένα δέκατο του γραμμαρίου. Ο Ολλανδός φυσικός Hendrik Casimir σημείωσε αρχικά αυτή τη μικροσκοπική κίνηση το 1948.

"Το φαινόμενο Casimir είναι μια εκδήλωση της κβαντικής παραξενιάς του μικροσκοπικού κόσμου," λέει ο φυσικός Steve Lamoreaux του Πανεπιστημίου Yale. Έχει να κάνει με την κβαντική ιδιορρυθμία που είναι γνωστή ως αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, η οποία ουσιαστικά λέει ότι όσο περισσότερα γνωρίζουμε για κάποια πράγματα στον κόσμο της κβαντικής μηχανικής, τόσο λιγότερο ξέρουμε για τα υπόλοιπα. 

Δεν μπορείτε, για παράδειγμα, να συμπεράνετε την ακριβή θέση και την ορμή ενός σωματιδίου ταυτόχρονα. Όσο πιο σίγουροι είστε πού είναι ένα σωματίδιο, τόσο λιγότερο σίγουροι είμαστε για το πού οδεύει (ορμή). Παρόμοια αβεβαιότητα υπάρχει μεταξύ ενέργειας και χρόνου, με μια δραματική συνέπεια. Εάν ο χώρος ήταν κάποια στιγμή πραγματικά κενός, θα περιείχε ακριβώς μια μηδενική ενέργεια σε μία προκαθορισμένη χρονική στιγμή – κάτι που η αρχή της αβεβαιότητας μας το απαγορεύει. Από τα ανωτέρω προκύπτει ότι δεν υπάρχει τέτοιο πράγμα, όπως το αληθινό κενό

Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου, ο κενός χώρος στην πραγματικότητα σφύζει από βραχύβια σωματίδια που εμφανίζονται, ζουν πολύ λίγο, και εξαφανίζονται πάλι. Κι όλα αυτά για να συνεχιστεί να ισχύει η παραβίαση της αρχής της αβεβαιότητας. Τα περισσότερα από αυτά τα σωματίδια είναι ζεύγη φωτονίων και των αντισωματιδίων τους, που γρήγορα εξαυλώνονται μέσα σε μια φυσαλίδα ενέργειας.

Τα μικροσκοπικά ηλεκτρικά πεδία που προκαλούνται από αυτά τα αναδυόμενα σωματίδια, και οι επιδράσεις τους στα ελεύθερα ηλεκτρόνια πάνω σε μεταλλικές πλάκες, μπορεί να εξηγήσουν κατ’ αρχήν το φαινόμενο Casimir. Ή και δεν μπορούν. Χάρη στην αρχή της αβεβαιότητας, τα ηλεκτρικά πεδία που σχετίζονται με τα άτομα στις μεταλλικές πλάκες επίσης υφίστανται διακυμάνσεις. Οι διακυμάνσεις αυτές δημιουργούν μικροσκοπικές έλξεις, τις γνωστές van der Waals δυνάμεις μεταξύ των ατόμων.

"Δεν μπορείτε να αποδώσετε τη δύναμη Casimir αποκλειστικά είτε στο σημείο μηδέν του κενού ή στη κίνηση μηδενικού σημείου των ατόμων που απαρτίζουν τις δύο πλάκες”, υποστηρίζει ο Steve Lamoreaux. "Ή μπορεί και η τελευταία άποψη να είναι ορθή που καταλήγει στο ίδιο φυσικό αποτέλεσμα." Όποια λοιπόν εικόνα υιοθετήσεις το φαινόμενο Casimir είναι αρκετά μεγάλο για να είναι πρόβλημα. Σε μηχανές στην κλίμακα της νανοκλίμακας, για παράδειγμα, η δύναμη Casimir θα μπορούσε να αναγκάσει τα διάφορα συστατικά που βρίσκονται σε άμεση γειτνίαση, να  κολλάνε μεταξύ τους.

Ο τρόπος για να αποφευχθεί αυτό το ενδεχόμενο μπορεί να είναι απλώς να αναστρέψουν το αποτέλεσμα. Το 1961, ρώσοι φυσικοί έδειξαν θεωρητικά ότι συνδυασμοί υλικών με διαφορετικές έλξεις Casimir μπορεί να δημιουργήσουν σενάρια όπου το συνολικό αποτέλεσμα θα είναι απωστικό. Αποδεικτικά στοιχεία για αυτή την παράξενο "κβαντική άνωση" είχε ανακοινωθεί τον Ιανουάριο του 2009 από φυσικούς στο Πανεπιστήμιο του Harvard, που είχαν στήσει πλάκες χρυσού και διοξειδίου του πυριτίου, διαχωρισμένες από το υγρό βρωμοβενζένιο.

Πηγή.

 

Το κβαντικό φαινόμενο Άμλετ λέει ότι ένα δοχείο που παρακολουθείται δεν βράζει. Βεβαίως οπλισμένοι με την κοινή λογική και ξέροντας την κλασική φυσική μπορεί να αμφισβητήσετε αυτή την δήλωση της κβαντικής φυσικής. Η κβαντική φυσική όμως δεν την αμφισβητεί.

Με την κβαντική παρακολούθηση το υγρό στο δοχείο αρνείται να βράσει. Μερικές φορές σε άλλες χρονικές στιγμές, βράζουν γρηγορότερα. Σε άλλες πάλι φορές, η παρατήρηση φέρνει ένα υπαρξιακό δίλημμα αν πρέπει να βράσει ή όχι.

Αυτή η τρέλα είναι μια λογική συνέπεια της εξίσωσης του Schrodinger, που έφτιαξε ο Αυστριακός φυσικός Έρβιν Σρέντιγκερ το 1926 για να περιγράψει το πώς τα κβαντικά αντικείμενα εξελίσσονται πιθανοκρατικά με την πάροδο του χρόνου.

Φανταστείτε , για παράδειγμα, τη διεξαγωγή ενός πειράματος με ένα αρχικά αδιάσπαστο ραδιενεργό άτομο σε ένα κουτί. Σύμφωνα με την εξίσωση του Schrodinger, ανά πάσα στιγμή μετά την εκκίνηση του πειράματος το άτομο υπάρχει σε ένα μείγμα, ή σε μια "υπέρθεση" όπως λένε οι φυσικοί, σε διάσπαση και αδιάσπαστο συγχρόνως. Κάθε κατάσταση έχει μια πιθανότητα να συμβεί η οποία βρίσκεται μέσα σε μια μαθηματική περιγραφή, τη γνωστή κυματοσυνάρτηση.

Με την πάροδο του χρόνου, εφ ‘όσον δεν κοιτάζουμε το άτομο, η κυματοσυνάρτηση εξελίσσεται και η πιθανότητα να διασπαστεί το άτομο αυξάνεται με αργό ρυθμό. Μόλις το κοιτάξουμε, το άτομο επιλέγει – κατά τρόπο σύμφωνο με τις πιθανότητες της κυματοσυνάρτησης – μια κατάσταση που μας αποκαλύπτεται, ενώ η κυματοσυνάρτηση "καταρρέει" σε μια μοναδική κατάσταση.

Αυτή είναι η εικόνα που γέννησε την περίφημη γάτα του Schrodinger. Ας υποθέσουμε ότι η ραδιενεργός διάσπαση του ατόμου ενεργοποιεί το σπάσιμο ενός φιαλιδίου που περιέχει δηλητηριώδη αέρια, ενώ μια γάτα είναι μέσα στο ίδιο κουτί με το άτομο και το φιαλίδιο. Είναι η γάτα και νεκρή και ζωντανή όσο δεν ξέρουμε αν η διάσπαση έχει συμβεί; Δεν το ξέρουμε.

Το μόνο που ξέρουμε είναι ότι πειράματα με ολοένα μεγαλύτερα αντικείμενα – πρόσφατα έγινε με μια μεταλλική ταινία σε συντονισμό, αρκετά μεγάλη για να την δούμε κάτω από ένα μικροσκόπιο – φαίνεται να δείχνουν ότι πραγματικά μπορεί να προκληθούν δύο καταστάσεις ταυτόχρονα.

Το πιο περίεργο πράγμα σε όλα αυτά είναι τι θα συμβεί μόλις εξετάσουμε το αντικείμενο. Πάρτε για παράδειγμα το εν διασπάσει άτομο: παρατηρώντας το και βρίσκοντας το αδιάσπαστο, επαναφέρεται το σύστημα σε μια οριστική κατάσταση και η εξίσωση του Schrodinger για την εξέλιξη της διάσπασης, πρέπει να ξεκινήσει πάλι από το μηδέν.

Το συμπέρασμα είναι ότι εάν κάνετε αρκετά συχνά μετρήσεις, το σύστημα δεν θα μπορέσει ποτέ να διασπαστεί. Η δυνατότητα αυτή ονομάστηκε κβαντικο φαινόμενο Ζήνων, από τον Ελεάτη φιλόσοφο Ζήνωνα, ο οποίος επινόησε ένα διάσημο παράδοξο που «αποδεικνύεται» ότι αν διαιρεθεί ο χρόνος σε ολοένα και μικρότερες στιγμές, θα ήταν απίθανο να κάνετε καμιά αλλαγή ή μια κίνηση.

Και έχει συμβεί το κβαντικό φαινόμενο του Ζήνωνα. Συγκεκριμένα, το 1990, ερευνητές στο Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας στο Boulder του Κολοράντο, έδειξαν ότι μπορούν να κρατήσουν ένα ιόν βηρυλλίου σε μια ασταθή ενεργειακή κατάσταση, που μάλλον μοιάζει με την εξισορρόπηση ενός μολυβιού στη μύτη του, υπό την προϋπόθεση ότι μετρείται συνέχεια η ενέργεια του.

Επίσης, συμβαίνει και το αντίστροφο φαινόμενο "αντι-Ζήνων"- κάνοντας μια κβαντική κατσαρόλα να βράζει γρηγορότερα απλά μετρώντας την. Όταν ένα κβαντικό αντικείμενο μπορεί να κινηθεί σε μια σύνθετη διάταξη καταστάσεων, μια διάσπαση σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση μπορεί να επιταχυνθεί μετρώντας απλά το σύστημα με το σωστό τρόπο. Το 2001, κι αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε στο εργαστήριο.

Το τρίτο κβαντικό τέχνασμα είναι το "κβαντικό φαινόμενο Άμλετ", που προτάθηκε πέρυσι από τον Σέρβο Vladan Pankovic του Πανεπιστημίου του Novi Sad. Βρήκε, ότι μια ιδιαίτερα περίπλοκη αλληλουχία μετρήσεων, μπορεί να επηρεάσει ένα σύστημα με τέτοιο τρόπο ώστε να καταστεί δυσεπίλυτη η εξίσωση Schrodinger για την μετέπειτα εξέλιξή του. Όπως θέτει ο ίδιος ο Pankovic το ζήτημα: να διασπαστεί ή όχι, "που είναι μια άλυτη ερώτηση".

Πηγή.

 

Το παλαιότερο και μεγαλύτερο από τα κβαντικά μυστήρια αφορά ένα ζήτημα που έχει απασχολήσει τα μεγαλύτερα μυαλά, τουλάχιστον από την εποχή του αρχαίου Έλληνα φιλοσόφου Ευκλείδη: από τι αποτελείται το φως; Στην ιστορία έχει ανατραπεί πολλές φορές η απάντηση για αυτό το θέμα.

φως-σωματιδιο-κυμα

Ο Ισαάκ Νεύτων σκέφτηκε ότι το φως ήταν μικροσκοπικά σωματίδια, που όμως καμιά σχέση δεν είχαν με τα σημερινά φωτόνια.   Όλοι οι σύγχρονοί του δεν εντυπωσιάστηκαν και στο κλασικό πείραμα κατά τις αρχές της δεκαετίας του 1800 ο Thomas Young έδειξε πώς συμπεριφέρεται μια ακτίνα του φωτός, καθώς περνάει μέσα από δύο στενές σχισμές τοποθετημένες κοντά η μία με την άλλη. Παράγοντας έτσι ένα μοτίβο συμβολής σε μια οθόνη πίσω ακριβώς τις σχισμές σαν να ήταν το φως κύμα.

Έτσι λοιπόν τι είναι το φως, σωματίδιο ή κύμα; Η κβαντομηχανική, που καθιέρωσε τη φήμη της μέσα σε εικονομαχίες, έδωσε σύντομα απάντηση αφού ήρθε στο προσκήνιο της επιστήμης στις αρχές του 20ου αιώνα. Το φως είναι τόσο σωματίδιο όσο και κύμα.

Εν συνεχεία βρέθηκε πως ένα απλό κινούμενο σωματίδιο, όπως ένα ηλεκτρόνιο, μπορεί να διαθλάται και να συμβάλει με τον εαυτό του, σαν να ήταν κύμα και σωματίδιο ταυτόχρονα, και είτε το πιστεύετε είτε όχι, ένα αντικείμενο μεγάλο όσο κι ένα αυτοκίνητο έχει χαρακτηριστικά κύματος, καθώς κινείται κατά μήκος του δρόμου.

Αυτή η αποκάλυψη ήρθε με την υποβολή της διδακτορικής διατριβής του πρωτοπόρου της κβαντικής φυσικής Louis de Broglie το 1924. Αυτός έδειξε ότι περιγράφοντας τα κινούμενα σωματίδια σαν κύματα, θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί αυτά είχαν διακριτά, κβαντισμένα επίπεδα ενέργειας και όχι συνεχή, όπως προβλέπεται από την κλασσική φυσική.

Ο De Broglie κατ’αρχήν υπέθεσε ότι αυτό ήταν απλά μια μαθηματική αφαίρεση, αλλά η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου φαίνεται να ήταν πραγματικό πέρα ως πέρας.

Το κλασικό πείραμα συμβολής του Young έχει αναπαραχθεί όχι μόνο με φως αλλά και με ηλεκτρόνια και τα κάθε λογής άλλα σωματίδια. Δεν το έχουμε ακόμη καταφέρει με ένα κινούμενο αυτοκίνητο, που σύμφωνα με τη σχέση De Broglie το μήκος κύματος του είναι περίπου 10-38 μέτρα, γιατί για να το κάνουμε να συμπεριφέρεται σαν κύμα (κάνοντας συμβολή ή διάθλαση) θα σημαίνει να δημιουργηθούν σχισμές σε τέτοια κλίμακα, που είναι πέρα ​​από τις δυνατότητες της μηχανικής μας.

Το πείραμα αυτό έχει γίνει όμως με ένα φουλερένιο (buckyball) – ένα μόριο από 60 άτομα άνθρακα σε σχήμα μιας μπάλας που, με περίπου διάμετρο ενός νανομέτρου, είναι αρκετά μεγάλο για να το δούμε κάτω από ένα μικροσκόπιο.

Μόνο που μας αφήνει ένα θεμελιώδες ερώτημα: πώς μπορούν τα πράγματα να είναι κύματα και σωματίδια κατά την ίδια στιγμή; Ίσως επειδή δεν είναι τίποτα από αυτά τα δύο, λέει ο Markus Arndt του Πανεπιστημίου της Βιέννης, ο οποίος έκανε τα πειράματα με φουλερένια το 1999.

Αυτό που εμείς ονομάζουμε ηλεκτρόνια ή φουλερένιο μπορεί στο τέλος τέλος, να μην είναι τίποτα παραπάνω παρά ένα κλικ σε έναν ανιχνευτή, ή στο μυαλό μας, όταν τα φωτόνια χτυπήσουν τον αμφιβληστροειδή μας. "Κύματα και σωματίδια είναι στη συνέχεια απλά κατασκευάσματα του νου μας για τη διευκόλυνση της καθημερινής κουβέντας”, συμπληρώνει ο Markus Arndt.

Πηγή.

 

 

φωςΕπιβεβαιώνοντας μια θεωρητική πρόβλεψη της κβαντομηχανικής που είχε διατυπωθεί πριν από τέσσερις δεκαετίες, Σουηδοί ερευνητές κατάφεραν να παγιδεύσουν και να μετρήσουν μερικά από τα φωτόνια που εμφανίζονται και εξαφανίζονται αέναα μέσα στο κενό.

Μια από τις εντυπωσιακότερες ανακαλύψεις της κβαντικής φυσικής είναι ότι το κενό, δηλαδή ο άδειος χώρος, στην πραγματικότητα μόνο κενό δεν είναι: βρίθει από σωματίδια που εμφανίζονται για μια στιγμή και μετά εξαφανίζονται χωρίς να γίνουν αντιληπτά. Λόγω του φευγαλέου χαρακτήρα του, τα σωματίδια που εμφανίζονται στο κενό λόγω αυτών των «κβαντικών διακυμάνσεων» ονομάζονται συνήθως εικονικά σωματίδια.

Η τελευταία μελέτη, δημοσιευμένη στο περιοδικό Nature, επιβεβαιώνει για πρώτη φορά μια θεωρητική πρόβλεψη που αφορά τα εικονικά σωματίδια και ονομάζεται «φαινόμενο Κάσιμιρ».

Το 1970, οι φυσικοί προέβλεψαν ότι, με βάση το φαινόμενο Κάσιμιρ, εικονικά φωτόνια που εμφανίζονται στο κενό μπορούν να μετατραπούν σε «αληθινά» φωτόνια αν αναπηδήσουν στην επιφάνεια ενός καθρέπτη που κινείται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.

«Δεδομένου ότι δεν είναι δυνατό να δημιουργήσουμε έναν καθρέπτη που κινείται αρκετά γρήγορα, αναπτύξαμε μια διαφορετική μέθοδο που δίνει τα ίδια αποτελέσματα» αναφέρει ο Περ Ντέλσινγκ, καθηγητής Πειραματικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο «Τσάλμερς» του Γκέτεμποργκ.

«Αντί να μεταβάλλουμε την φυσική απόσταση από έναν καθρέπτη, μεταβάλλαμε την ηλεκτρική απόσταση από ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που λειτουργούσε ως καθρέπτης για τα μικροκύματα».

Ο «καθρέπτης» αυτός αποτελείται από μια συσκευή, εξαιρετικά ευαίσθητη στα μαγνητικά πεδία, η οποία ονομάζεται SQUID ή «υπεραγώγιμη συσκευή κβαντικής παρεμβολής». Αλλάζοντας την κατεύθυνση ενός μαγνητικού πεδίου δισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο, οι ερευνητές δημιούργησαν έναν εικονικό καθρέπτη που ταλαντώνεται με το 25% της ταχύτητας του φωτός.

«Το αποτέλεσμα ήταν να εμφανιστούν από το κενό ζεύγη φωτονίων, τα οποία μπορέσαμε να μετρήσουμε υπό τη μορφή ακτινοβολίας μικροκυμάτων» αναφέρει ο Ντέλσινγκ. Το αόρατο αυτό φως «είχε ακριβώς τις ίδιες ιδιότητες με αυτές που θα προέβλεπε η κβαντική θεωρία» διαβεβαιώνει.

Αυτό που συνέβη στη διάρκεια του πειράματος ήταν ότι ο καθρέπτης μετέφερε στα εικονικά φωτόνια ένα μέρος της κινητικής του ενέργειας, εμποδίζοντας έτσι την εξαφάνισή τους.

Το κενό περιέχει βέβαια όχι μόνο φωτόνια αλλά και άλλα φευγαλέα σωματίδια, τα οποία δεν παρατηρήθηκαν στο πείραμα. Η διαφορά είναι ότι τα φωτόνια δεν έχουν μάζα, οπότε χρειάζονται λιγότερη ενέργεια για να «υλοποιηθούν».

Η έρευνα δεν έχει μεν προφανείς πρακτικές εφαρμογές, σύμφωνα όμως με τους ερευνητές βελτιώνει τις γνώσεις μας για θεμελιώδη φαινόμενα όπως οι κβαντικές διακυμάνσεις.

Στο απώτερο μέλλον, φωτόνια που προκύπτουν από το τίποτα θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν στο ερευνητικό πεδίο της κβαντικής πληροφορίας, το οποίο περιλαμβάνει την ανάπτυξη των λεγόμενων κβαντικών υπολογιστών.

Πηγη.

νεροΟι ζωοποιές ιδιότητες του νερού στηρίζονται σε μια λεπτή ισορροπία, λένε οι επιστήμονες. Αποδεικνύεται ότι η ζωή όπως την ξέρουμε στηρίζεται σε μια τυχαία, αλλά απίστευτα λεπτή, ισορροπία των κβαντικών δυνάμεων.

Το νερό είναι ένα από τα πιο παράξενα υγρά του πλανήτη, και πολλές από τις πιο περίεργες ιδιότητες του το καθιστούν ζωογόνο. Για παράδειγμα, η υψηλότερη πυκνότητα του που έχει ως υγρό παρά ως πάγος του επιτρέπει να επιπλέει στο νερό, βοηθώντας έτσι να επιβιώσουν τα ψάρια κάτω από παγωμένες λίμνες και ποτάμια. Και σε αντίθεση με πολλά άλλα υγρά, χρειάζεται πολλή θερμότητα για να θερμανθεί  ακόμα και λίγους βαθμούς Κελσίου, ένα χαρακτηριστικό που επιτρέπει στα θηλαστικά να ρυθμίσουν τη θερμοκρασία του σώματός τους.

Όμως πρόσφατες προσομοιώσεις σε υπολογιστή δείχνουν ότι στην κβαντομηχανική οφείλει το νερό αυτά τα ζωοποιά χαρακτηριστικά. Τα περισσότερα από αυτά οφείλονται στους ασθενείς δεσμούς υδρογόνου που συγκρατούν τα μόρια του νερού H2O μαζί σε μια δικτυωμένη δομή. Για παράδειγμα, οι δεσμοί του υδρογόνου είναι αυτοί που συγκρατούν τα μόρια του πάγου σε μια πιο ανοικτή δομή σε σχέση με το υγρό νερό, οδηγώντας το έτσι σε μια χαμηλότερη πυκνότητα. Αντίθετα, χωρίς δεσμούς υδρογόνου, τα υγρά μόρια του νερού θα κινούνταν ελεύθερα και θα καταλάμβαναν περισσότερο χώρο από ό,τι στις άκαμπτες δομές του στερεού πάγου.

Ωστόσο, σε προσομοιώσεις που περιλαμβάνουν τα κβαντικά φαινόμενα, τα μήκη των δεσμών του υδρογόνου αλλάζουν διαρκώς χάρη στην αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, η οποία μας λέει ότι κανένα μόριο δεν μπορεί να έχει μια σαφή θέση σε σχέση με τα άλλα. Αυτό βεβαίως αποσταθεροποιεί το δίκτυο των δεσμών του υδρογόνου, αφαιρώντας τους πολλές από τις ειδικές ιδιότητες του νερού., εξηγεί ο  Philip Salmon του Πανεπιστημίου Bath στη Βρετανία.

Το πώς όμως το νερό εξακολουθεί να υπάρχει σαν ένα δίκτυο δεσμών του υδρογόνου, αντίθετα με αυτές τις αποσταθεροποιητικές συνέπειες της κβαντομηχανικής, ήταν ένα μυστήριο.

Το 2009, ο θεωρητικός Thomas Markland, από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και οι συνεργάτες του πρότειναν ένα λόγο για τον οποίο η εύθραυστη δομή του νερού δεν καταρρέει εντελώς. Υπολόγισαν ότι η αρχή της αβεβαιότητας πρέπει να επηρεάζει επίσης και τα μήκη των δεσμών σε κάθε μόριο του νερού, και πρότεινε ότι γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να ενισχυθεί η έλξη μεταξύ των μορίων και να διατηρείται έτσι το δίκτυο των δεσμών του υδρογόνου.

«Το νερό έχει τυχαία δύο κβαντικά φαινόμενα που ακυρώνουν το ένα το άλλο», λέει ο Markland.

Μέχρι πρόσφατα, όμως, δεν υπήρχε τρόπος για να ανακαλύψει αν υπάρχει καμία μεταβολή στο μήκος του δεσμού στο μόριο του νερού.

Τώρα, η ομάδα του Philip Salmon έχει χρησιμοποιήσει το λεγόμενο βαρύ ύδωρ, του οποίου τα δύο άτομα του κανονικού υδρογόνου αντικαταστάθηκαν με δευτέριο. Αυτό το ισότοπο του υδρογόνου περιέχει ένα νετρόνιο στον πυρήνα, καθώς και ένα πρωτόνιο. Η επιπλέον μάζα καθιστά το νερό λιγότερο ευάλωτο σε κβαντική αβεβαιότητα. «Είναι σαν να έχουμε τη μισή αβεβαιότητα», υποστηρίζει ο Chris Benmore, του Εργαστηρίου Argonne στο Ιλλινόις, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Ο Salmon και οι συνεργάτες του εκτόξευσαν ακτίνες νετρονίων πάνω σε διαφορετικές εκδόσεις του νερού, και μελέτησε τον τρόπο που αναπήδησαν τα άτομα – ένας ακριβής τρόπος για να μετρήσουμε τα μήκη των δεσμών. Αυτοί επίσης αντικατέστησαν στο νερό τα κανονικά άτομα οξυγόνου με βαρύτερα άτομα, κάτι που τους επέτρεψε να καθορίσουν ποιοί δεσμοί μέτρησαν.

Διαπίστωσαν λοιπόν ότι ο δεσμός υδρογόνου-οξυγόνου ήταν ελαφρώς μεγαλύτερος από ότι του δευτέριου-οξυγόνου, το οποίο είναι αυτό που θα περίμενε κανείς, αν η κβαντική αβεβαιότητα επηρεάζει τη δομή του νερού. “Κανείς δεν το είχε μετρήσει ποτέ", λέει ο Benmore.

Έχουμε συνηθίσει στην ιδέα ότι οι φυσικές σταθερές του Κόσμου έχουν τελειοποιηθεί για την ύπαρξη της ζωής. Τώρα φαίνεται ότι οι κβαντικές δυνάμεις του νερού μπορούν να προστεθούν σε αυτήν τη "μόλις σωστή” λίστα.

Πηγή.


 

κβανταΜερικοί φυσικοί είναι ανήσυχοι με την ιδέα ότι όλα τα μεμονωμένα κβαντικά γεγονότα είναι εγγενώς τυχαία. Κι αυτό γιατί πολλοί έχουν προτείνει πιο πλήρεις θεωρίες, οι οποίες προτείνουν ότι τα γεγονότα τουλάχιστον μερικώς κυβερνώνται από τις επιπλέον "κρυμμένες μεταβλητές". Όμως τώρα φυσικοί από την Αυστρία υποστηρίζουν ότι έχουν εκτελέσει ένα πείραμα που αποκλείει μια μεγάλη κατηγορία θεωριών κρυμμένων μεταβλητών που εστιάζονται στο ρεαλισμό -- δίνοντας το δύσκολο συμπέρασμα ότι η πραγματικότητα δεν υπάρχει όταν δεν την παρατηρούμε (Nature 446 871).

Πριν περίπου 40 χρόνια ο φυσικός John Bell πρόβλεψε ότι πολλές θεωρίες με κρυμμένες μεταβλητές θα αποκλείονταν εάν μια ορισμένη πειραματική ανισότητα θα παραβιαζόταν - γνωστή ως "ανισότητα του Bell". Στο νοητικό του πείραμα, μια πηγή πυροδοτεί πεπλεγμένα ζεύγη γραμμικά πολωμένων φωτονίων αντίθετων κατευθύνσεων προς δύο πολωτές, οι οποίοι μπορούν να αλλάξουν προσανατολισμό. Η κβαντική μηχανική λέει ότι πρέπει να υπάρχει ένας υψηλός συσχετισμός μεταξύ των αποτελεσμάτων στους πολωτές, επειδή τα φωτόνια στιγμιαία "αποφασίζουν" μαζί ποιά πόλωση θα λάβουν τη στιγμή της μέτρησης, ακόμα κι αν είναι μακριά. Οι κρυμμένες μεταβλητές, εντούτοις, λένε ότι τέτοιες στιγμιαίες αποφάσεις δεν είναι απαραίτητες, επειδή θα μπορεί να επιτευχθεί ο ίδιος ισχυρός συσχετισμός, εάν τα φωτόνια ενημερώθηκαν με κάποιο τρόπο εκ των προτέρων για τον προσανατολισμό των πολωτών.

Το τέχνασμα του Bell, επομένως, ήταν να αποφασίσει πώς να προσανατολίσει τους πολωτές μόνο αφού έχουν αφήσει τα φωτόνια την πηγή. Εάν οι κρυμμένες μεταβλητές υπήρχαν, τότε θα ήταν ανίκανες να ξέρουν τον προσανατολισμό των πολωτών, και έτσι τα αποτελέσματα θα ήταν συσχετισμένά μόνο στο μισό του χρόνου. Αφ' ετέρου, εάν η κβαντική μηχανική ήταν σωστή, τα αποτελέσματα θα συσχετίζονταν - με άλλα λόγια, η ανισότητα του Bellθα παραβιαζόταν.
Έχουν πραγματοποιηθεί πολλά πειράματα που έχουν ελέγξει πράγματι την παραβίαση της ανισότητας του Bell. Έτσι, αυτά τα πειράματα έχουν αποκλείσει όλες τις θεωρίες περί κρυμμένων μεταβλητών, που βασίζονται στις κοινές υποθέσεις του ρεαλισμού, που η τελευταία δέχεται ότι η πραγματικότητα υπάρχει όταν δεν την παρατηρούμε. Ενώ η τοπικότητα σημαίνει ότι τα γεγονότα σε άλλες περιοχές δεν μπορούν να επηρεάσουν το ένα άλλο στιγμιαία. Αλλά αν παραβιάζεται η ανισότητα του Bellδεν ξέρουμε συγκεκριμένα ποια υπόθεση - ο ρεαλισμός, η τοπικότητα ή και τα δύο μαζί - είναι σε ασυμφωνία με την κβαντομηχανική.

Τώρα όμως ο Markus Aspelmeyer και οι συνάδελφοι του από το πανεπιστήμιο της Βιέννης έχει δείξει ότι ο ρεαλισμός είναι κάτι περισσότερο από το πρόβλημα της τοπικότητας στον κβαντικό κόσμο. Επινόησαν λοιπόν ένα πείραμα που παραβιάζει μια διαφορετική ανισότητα και η οποία προτάθηκε από το φυσικό Anthony Leggett κατά το 2003, που στηρίζεται μόνο στο ρεαλισμό, και όχι στην τοπικότητα. Για να το κάνει αυτό, αντί να πάρει μόνο μετρήσεις κατά μήκος ενός επιπέδου της πόλωσης, η αυστριακή ομάδα πήρε μετρήσεις επιπρόσθετα, και στα κάθετα επίπεδα για να ελέγξει για την ελλειπτική πόλωση.

Διαπίστωσαν ότι, ακριβώς όπως και στα πραγματικά πειράματα που έγιναν με βάση το νοητικό πείραμα του Bell, η ανισότητα Leggett παραβιάζεται - τονίζοντας έτσι τον ισχυρισμό της κβαντομηχανικής ότι η πραγματικότητα δεν υπάρχει όταν δεν τηνν παρατηρούμε. "Η μελέτη μας δείχνει ότι η 'απλή' εγκατάλειψη της έννοιας της τοπικότητας δεν θα ήταν

Δημοφιλή

Το διαζύγιο του χωροχρόνου
Είστε έτοιμοι για τη μαζική κρυφή πραγματικότητα που υπόσχεται η υπερσυμμετρία;
Ο μικρότερος ηλεκτροκινητήρας του κόσμου αποτελείται από ένα και μόνο μόριο
Χημικοί του πανεπιστημίου Tufts κατασκεύασαν το μικρότερο ηλεκτρικό μοτέρ στον
«Αθάνατο» φυτό ζει 40 χρόνια σε μπουκάλι χωρίς αέρα και νερό!
Πώς λειτουργεί αυτός ο παράξενος «κήπος» και το καταπράσινο φυτό συνεχίζει εδώ
Daniel Cohn-Bendit (Ελληνικοί υπότιτλοι)
Ο Ντανιέλ Κον-Μπεντίτ είναι Γερμανός πολιτικός, γαλλογερμανικής καταγωγής και
Everything is OK
Η ομάδα του Everything is OK σε ένα κολάζ από διάφορες περιπέτειες τους
Πληροφορίες μετατρέπονται σε ενέργεια
energy
Για πρώτη φορά, επιστήμονες κατάφεραν να μετατρέψουν πληροφορίες σε καθαρή
Χάρρυ Κλυνν: Είμαστε Έλληνες ρε;
Πείτε μου τι στο διάολο είμαστε και ανεχόμαστε αυτόν τον... αρχιηλίθιο, αυτό το
Μετάδοση δεδομένων σε χρόνο dt
Ολοκληρώθηκε η ανάπτυξη μιας νέας επαναστατικής τεχνολογίας μεταφοράς
Νίκησε τον «υπέροχο άνθρωπο»
Τριάντα οκτώ άτομα της μυστηριώδους αντιύλης είχαν για ένα κλάσμα του
Τεχνητή ωοθήκη
Την πρώτη τεχνητή ωοθήκη δημιούργησαν ερευνητές του Πανεπιστημίου Μπράουν
Το μοναδικό συμπέρασμα
pasok
Ας είμαστε ειλικρινείς. Τα αποτελέσματα των τελευταίων δημοσκοπήσεων που δίνουν
Δήλωση δωρητή σώματος
Για να φανεί σε κάτι χρήσιμο το κουφάρι μας...  
Τι έλεγε ο Γιωργάκης προεκλογικά
?????????? ?????
Είμαι εδώ για να σας πω ρεαλιστικά, πως μπορούμε να αλλάξουμε τα
Χώσ'τα Τζιμάρα
Σωστός ο Τζιμάκος    

Τελευταία Άρθρα

Όταν οι άνθρωποι είναι έτοιμοι να μάθουν...
Όταν οι άνθρωποι είναι έτοιμοι να μάθουν...
Όταν οι άνθρωποι είναι έτοιμοι να μάθουνο
Επιτέλους το internet... στα ελληνικά!
Ήρθε η εποχή της χρήσης των ελληνικών στις
Δυστυχώς χάσατε
Δυστυχώς χάσατε
... ή αλλιώς, παιχνιδάκια εξουσίας.   Οι
Je veux
Je veux

Je veux - ZAZ

Καρλς Ρότζερς
Καρλς Ρότζερς
Ξέρετε πως δεν πιστεύω
Γιατί;
Κατέφθασε στη ΔΕΘ ο πλέον ανεπιθύμητος
ΕΠΙΣΤΟΛΗ ΕΛΛΗΝΑ ΦΟΡΟΛΟΓΟΥΜΕΝΟΥ ΠΡΟΣ ΤΟΥΣ ΚΥΒΕΡΝΟΝΤΕΣ ΚΑΙ ΟΧΙ ΜΟΝΟ
ΕΠΙΣΤΟΛΗ ΕΛΛΗΝΑ ΦΟΡΟΛΟΓΟΥΜΕΝΟΥ ΠΡΟΣ ΤΟΥΣ ΚΥΒΕΡΝΟΝΤΕΣ ΚΑΙ ΟΧΙ ΜΟΝΟ
Επιστολή Έλληνα φορολογούμενου στο Υπουργείο
Επιστολή αναγνώστη στο Γιάννη Βούρο
Επιστολή αναγνώστη στο Γιάννη Βούρο
Σαν χθες θυμάμαι, όταν είχατε ψηφίσει το