Lange tijd werd aangenomen dat de wetten van de kwantummechanica alleen van toepassing zijn op kleine objecten zoals fotonen. Natuurkundigen hebben echter bewezen dat zeer grote lichamen (volgens de normen van de moleculaire wereld) aan deze regels kunnen voldoen.
U hebt waarschijnlijk meer dan eens gehoord over het gedachte-experiment, dat werd geformuleerd door de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger - die met een kat, een doos en een radioactieve isotoop. Volgens de experimentele omstandigheden kan een kat tegelijkertijd dood zijn en niet dood, dat wil zeggen dat hij zich in een staat van een soort kwantumonzekerheid bevindt - "superpositie". Welnu, de wetenschappers stopten katten niet in dozen, ze voerden gewoon hetzelfde experiment uit met een enorm molecuul van 2000 atomen.
Kwantumsuperpositie is talloze keren getest op kleine systemen en natuurkundigen hebben met succes aangetoond dat individuele deeltjes zich op twee plaatsen tegelijk kunnen bevinden. Maar op een vergelijkbare schaal is dit soort experimenten nog nooit eerder gedaan.
Dit experiment stelt onderzoekers in staat om hypothesen van de kwantummechanica te verfijnen en beter te begrijpen hoe deze mysterieuze tak van de fysica werkelijk werkt - en ook hoe de wetten van de kwantummechanica gecombineerd worden met de meer traditionele, grootschalige wetten van de klassieke fysica. "Onze resultaten laten een uitstekende overeenkomst zien met de kwantumtheorie en kunnen niet worden verklaard in termen van klassieke fysica", stellen de onderzoekers in hun paper.
Het nieuwe onderzoek omvat met name de Schrödingervergelijking, die beschrijft hoe zelfs individuele deeltjes zich als golven kunnen gedragen en op meerdere plaatsen tegelijk kunnen verschijnen. De gemakkelijkste manier om hun interactie te beschrijven, is als rimpelingen in een vijver waarin je meerdere stenen tegelijk gooide.
Om hun hypothese te bewijzen, zetten de wetenschappers een experiment op met twee spleten - een ervaring die de kwantumfysici goed kennen. Het bestaat meestal uit het projecteren van individuele lichtdeeltjes (fotonen) door twee spleten. Als de fotonen gewoon als deeltjes zouden werken, zou de resulterende projectie van licht naar de andere kant slechts één streep vertonen. Maar in werkelijkheid vertoont het licht dat aan de andere kant wordt geprojecteerd een interferentiepatroon - veel banden die op elkaar inwerken als golven. Zoals u kunt zien, heeft het bewijs zelfs geen supergevoelige hardware nodig.
Experimenteer schema.
Het lijkt ons dat de fotonen zich op twee plaatsen tegelijk bevinden, zoals de kat van Schrödinger. Maar, zoals veel mensen weten, verkeert een kat in twee staten totdat hij een externe waarnemer heeft. Wanneer de doos wordt geopend, wordt de toestand van de kat zeker: hij is levend of dood.
Promotie video:
Hetzelfde geldt voor fotonen. Zodra het licht direct door een persoon wordt gemeten of waargenomen, verdwijnt de superpositie en staat de toestand van het foton vast. Dit is een van de belangrijkste mysteries in het hart van alle kwantummechanica.
De onderzoekers herhaalden het experiment met twee spleten, maar in plaats van fotonen te gebruiken, gebruikten ze elektronen, atomen en kleine moleculen. Maar nu hebben natuurkundigen aangetoond dat enorme moleculen zich aan dezelfde regels houden! Het team gebruikte enorme assemblages van atomen die uit 2000 "delen" bestonden om kwantuminterferentiepatronen te creëren alsof ze zich gedroegen als golven en zich op meer dan één plaats tegelijk bevonden.
Deze kolossale moleculen staan bekend als "oligoterafenylporphyrines verrijkt aan fluoralkylsulfanylketens", en sommige daarvan waren 25.000 maal zo zwaar als waterstofatomen. Maar naarmate de moleculen groter worden, worden ze ook minder stabiel. Daarom hebben wetenschappers er maar zeven milliseconden per keer mee kunnen interfereren met behulp van een nieuw ontwikkeld apparaat - een golfmaterie-interferometer. Zelfs factoren als de rotatie van de aarde en de aantrekkingskracht van de atomen zelf moesten in aanmerking worden genomen. Nou, het werk was het waard.
We weten nu dat de regels van de kwantummechanica niet alleen van toepassing zijn op kleine objecten zoals fotonen, maar ook op veel grotere lichamen. Het vorige record was een molecuul van slechts 800 atomen - men geloofde dat dit de limiet is waarna, in plaats van de wetten van de kwantumfysica, de wetten van de klassieke fysica beginnen te werken. Maar dit is niet het einde: het team heeft er vertrouwen in dat het zeer binnenkort een nieuw record kan vestigen.
Vasily Makarov
