Åpner døren til en mystisk kvanteverden

Forskerne har vent seg til at partikler oppfører seg merkelig i kvantemekanikkens mikroskopiske verden. Nå viser det seg at det også skjer overraskende ting i overgangen mellom den vanlige verden og kvanteverdenen.

Forskere har funnet helt ny kunnskap om hva som skjer i overgangen mellom vår kjente verden og kvantefysikkens mystiske verden. (Illustrasjonsfoto: Colourbox)
Forskere har funnet helt ny kunnskap om hva som skjer i overgangen mellom vår kjente verden og kvantefysikkens mystiske verden. (Illustrasjonsfoto: Colourbox)

Fakta:

Kvantemekanikk (eller kvantefysikk) er en grein av fysikken som beskjeftiger seg med egenskaper på atomært nivå og mindre – altså det som foregår når man zoomer inn på materiens minste bestanddeler.

Den klassiske fysikken har rot i den verden vi erfarer i hverdagen, men dette gjelder ikke for kvantemekanikken.

Ifølge kvantemekanikken kan alle objekter oppføre seg både som partikler og som bølger (som er utstrakt over en del av rommet).

Den danske fysikeren og nobelprisvinneren Niels Bohr spilte en avgjørende rolle i utviklingen av kvantemekanikken.

(kilde: Gyldendals åbne encycklopædi)

Mystiske ting foregår når man zoomer inn på universets aller minste bestanddeler. Da gjelder helt andre fysiske lover og regler enn dem vi normalt kjenner – den såkalte kvantemekanikken.

Det betyr for eksempel at en partikkel kan befinne seg mange steder på samme tid – og selv om det antagelig strider mot all din sunne fornuft, er det etter hvert blitt hverdag for kvantefysikerne.

Men hva skjer i overgangen mellom kvantemekanikkens mystiske verden og vår vanlige verden?

Det har forskeren Malte Tichy fra Aarhus universitet vært med på å utforske i en ny undersøkelse, som nettopp er blitt publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

– Vi er vant til at ting oppfører seg på en bestemt måte i vår vanlige verden, men ting er fullstendig annerledes når man beveger seg ned i den mikroskopiske verden.

– Tidligere trodde man at de to verdenene utgjorde to ytterpunkter, og at det ville være en glidende overgang mellom dem. Men vi viser at det ikke er tilfellet. Det foregår også merkelige ting i overgangen mellom de to verdenene, sier Tichy, som er postdoktor ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus universitet i Danmark.

Det er mye vi ikke forstår

Den nye studien har overrasket Peter Lodahl, som er professor ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

– Det er en veldig interessant oppdagelse. Det gir oss en ny innsikt i kvantemekanikkens verden, men samtidig viser det at det fremdeles er mye vi ikke forstår, sier Lodahl, som er leder av en forskningsgruppe innenfor kvantefotonikk.

Mindre enn mikroskopiske

Blant fysikere er det kjent at det er svært vanskelig å undersøke det som foregår i kvantemekanikkens verden. Partiklene er for det første så små at de ikke kan sees i et vanlig mikroskop.

Den helt store utfordringen er imidlertid at man påvirker partikkelen bare ved å se på dem eller måle dem. Påvirkningen kan føre til at den ikke lenger utviser kvanteegenskaper.

– Det kan være svært vanskelig å forstå. I vår klassiske verden kjenner vi jo ikke til en fotball som både befinner seg på flere steder, og som først når vi måler den bestemmer seg om den skal ligge ved midtlinjen eller inne i målet. Men slik er det i den kvantemekaniske verden.

– Man kan si at før vi måler på en partikkel, så har den ikke bestemt seg for hvor den er. Men i det øyeblikket vi måler den, kollapser den til én posisjon, forklarer Lodahl.

Bruker finurlige triks

Forskerne har etter hvert funnet flere finurlige triks til å få et innblikk i kvanteverdenen uten at den kollapser.

I den nye undersøkelsen har forskerne for eksempel stilt opp et eksperiment med en bestemt type partikler som heter fotoner. Fotoner er den fundamentale bestanddelen av lys.

Som noen kanskje husker fra forsøk i fysikktimene, kan lys – og dermed fotoner – beskrives som bølger som beveger seg gjennom luften. I noen tilfeller oppfører lyset seg imidlertid ikke som bølger, men som partikler.

– Fotoner har det som kalles en bølge/partikkel-dualitet. Noen egenskaper beskriver man best som bølger, og noen beskriver man best som partikler. Man kan ikke bare velge en av delene, for da får man ikke med hele beskrivelsen, forklarer Lodahl.

Forenklet sagt oppfører et foton seg som en bølge når den er i kvantemekanikkens verden, og som en partikkel i vår klassiske verden. Nettopp denne kunnskapen har forskerne utnyttet i den nye undersøkelsen for å finne ut av hva som skjer i overgangen mellom de to rikene.

Eksperimenter med stråledeler

I eksperimentet sitt har forskerne stilt opp en såkalt stråledeler – et halvgjennomsiktig speil som enten reflekterer lyset eller lar lysstrålene gå igjennom, slik solstråler siver gjennom en glassrute.

Deretter har de plassert måleapparater på hver sin side av stråledeleren, slik at de kan registrere hvilken av de to utgangmulighetene lysfotonene velger når de treffer stråledeleren.

Undersøkelsen viser at et enkelt foton har 50 prosents sannsynlighet for å bli reflektert. Men hvis man sender to fotoner samtidig – eller nesten samtidig – så endrer bildet seg plutselig.

– Jo tettere fotonene er på hverandre, jo større er sannsynligheten for at de forlater stråledeleren samme vei, sier Malte Tichy.

Partikler holder sammen

Tichy forklarer at sannsynlighetene endrer seg fordi de to fotonene påvirker hverandre.

– Når fotonene blir sendt av sted sammen, skaper de interferens, og det betyr at de oppfører seg som bølger. Og når fotonene oppfører seg som bølger, vil de helst holde sammen og forlate stråledeleren samme vei, forklarer han.

Jo tettere de to fotonene er på hverandre, jo større er sannsynligheten for at de vil oppføre seg som bølger – noe som forteller forskerne at de er i kvantemekanikkens verden.

Partikler blir til bølger

Ved å redusere avstanden mellom to fotoner kan de gå fra å være partikler til å være bølger – med andre ord kan de bevege seg fra den klassiske verden til kvantemekanikkens verden.

Alt dette er imidlertid barnelærdom for kvantefysikere, og eksperimentet har tidligere vært etterprøvd av flere andre forskere.

Det nye i forsøket er at Tichy og kollegene hans har undersøkt hva som skjer når man bruker mer enn to fotoner. Og her gjorde de en overraskende oppdagelse.

– Man skulle tro at fotonene ville oppføre seg på samme måte som når man sender to stykker sammen. Da burde fotonene oppføre seg mest ekstremt og kvantemekanisk når alle fire fotoner traff stråledeleren samtidig. Men vi oppdaget at det ikke var tilfellet, forklarer Tichy.

Fører til ny teknologi

Bildet viser oppstillingen av eksperimentet, som ble utført i Pohang i Sør-Korea. Den gjennomsiktige terningen i midten av bildet er en såkalt stråledeler (beamsplitter). De røde pilene viser at fotoner kommer inn mot stråledeleren fra både høyre og venstre. Når et foton treffer stråledeleren, vil den enten bli reflektert eller passere gjennom. Det er 50 prosents sannsynlighet for begge utfall. Men hvis to fotoner treffer samtidig, så påvirker de hverandre (interfererer). Det betyr at de helst vil forlate stråledeleren samme vei – jo tettere fotonene er på hverandre, desto større er sannsynligheten for at de forlater sammen stråledeleren. Til forskernes overraskelse viste det seg imidlertid at når man i stedet sender fire fotoner inn mot stråledeleren, så utviser de ikke lenger samme mønster. (Foto: Young-Sik Ra, Pohang University of Science and Technology)
Bildet viser oppstillingen av eksperimentet, som ble utført i Pohang i Sør-Korea. Den gjennomsiktige terningen i midten av bildet er en såkalt stråledeler (beamsplitter). De røde pilene viser at fotoner kommer inn mot stråledeleren fra både høyre og venstre. Når et foton treffer stråledeleren, vil den enten bli reflektert eller passere gjennom. Det er 50 prosents sannsynlighet for begge utfall. Men hvis to fotoner treffer samtidig, så påvirker de hverandre (interfererer). Det betyr at de helst vil forlate stråledeleren samme vei – jo tettere fotonene er på hverandre, desto større er sannsynligheten for at de forlater sammen stråledeleren. Til forskernes overraskelse viste det seg imidlertid at når man i stedet sender fire fotoner inn mot stråledeleren, så utviser de ikke lenger samme mønster. (Foto: Young-Sik Ra, Pohang University of Science and Technology)

Forskerne varierte avstanden mellom fotonene fra 0 til 180 mikrometer (en mikrometer svarer til 0,001 millimeter), og det så ut til at de fire fotonene oppførte seg aller mest kvantemekanisk når avstanden var omkring 80 mikrometer.

– Det var overraskende lesning. Vi har tenkt at kvanteeffektene blir større når avstanden minsker. Men nå viser eksperimentet at det ikke skjer når det er flere enn to fotoner i systemet. Det er langt mer komplekst, sier Peter Lodahl.

Spørsmålet er hva man kan bruke den nye innsikten til.

– I første omgang er det snakk om grunnforskning, og man kan ikke bruke oppdagelsen direkte til en oppfinnelse. Men på sikt er forståelsen av kvantemekanikken viktig for utviklingen av ny teknologi, sier Malte Tichy.

Ekstremt presise klokker og superdatamaskiner

Kunnskap om kvantemekanikk har allerede ført til utviklingen av ekstremt presise klokker og kommunikasjonssystemer som ikke kan hackes. Blant fysikerne er det også store forventninger til at kvantemekanikken skal føre til utviklingen av en helt ny generasjon av superdatamaskiner.

– For å kunne lage en kvantedatamaskin må man arbeide med store kvantesystemer. Det er et ikke nok at arbeid med ett eller to fotoner – man må koble sammen 10, 20 eller 30 stykker. Derfor må vi forstå den kvantemekaniske vekselvirkningen mellom mange fotoner. Det vet vi foreløpig ikke så mye om, sier Lodahl.

En dør til en merkelig verden

Den nye kunnskapen har vært med på å åpne døren til en enda nyere og merkelig verden, legger Malte Tichy til.

– Før trodde forskerne at det bare var kvanteverdenen og den klassiske verden, og at overgangen var kjedelig og in between. Men nå ser vi at det ikke er tilfellet. Man kan si at det finnes en mellomliggende verden som oppfører seg merkelig, og som bare dukker opp når man har mange partikler, sier Tichy.

Også koreanske og tyske forskere vært med på å gjennomføre den nye undersøkelsen.

Referanse:

Nonmonotonic quantum-to-classical transition in multiparticle interference, PNAS 2012, doi: 10.1073/pnas.1206910110

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.

Powered by Labrador CMS