Wetenschappers gebruikten een kunstmatig atoom om de mogelijkheid aan te tonen om de kat van Schrödinger voor onbepaalde tijd in leven te houden en om het begin van zijn ondergang te versnellen. Voor dit en dat hoef je niet eens in de bak te kijken waarin juist deze kat gewoonlijk zit (of niet zit). Het gebruik van dergelijke klassieke analogieën lijkt misschien te vereenvoudigd of vreemd, maar voor de wetenschap is het erg belangrijk. Ze laten zien hoe de realiteit op fundamenteel niveau wordt gevonden en kunnen leiden tot betere tools die natuurkundigen gebruiken bij kwantumtechniek.
Wetenschappers van de Universiteit van Washington in St. Louis besloten om erachter te komen of het überhaupt nodig was om informatie uit een kwantumsysteem te verzamelen - of, eenvoudiger, naar een deeltje te kijken - om zijn gedrag te beïnvloeden. Misschien is "remmen" voldoende?
Spoiler alert: ze hebben ontdekt dat het niet nodig is om te kijken.
Een stukje geschiedenis: de kat, de doos en de effecten van Zeno
Als iemand niet weet wat voor soort Schrödinger's kat, herinneren we ons de legende. Volgens de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica heeft een fysiek object (zoals een atoom) geen specifieke eigenschappen totdat we het meten. Als reactie daarop stelde natuurkundige Erwin Schrödinger een gedachte-experiment voor. Hij suggereerde dat als deze interpretatie correct is, we de radioactieve stof in een kleine container naast de geigerteller kunnen doen, de teller aan een hamer kunnen binden en de hamer over de zuurcapsule kunnen plaatsen zodat deze hem verplettert terwijl het atoom vervalt.
Als we dit allemaal in een doos met een kat stoppen, kunnen we de eigenschappen van het atoom niet meten, omdat, voor zover we weten, het atoom tegelijkertijd verviel en niet verviel (daarom heeft het een halfwaardetijd). Als gevolg hiervan zal de kat tegelijkertijd levend en dood zijn, totdat we naar binnen kijken.
Dit is de legende. Maar ze heeft een dubbele bodem.
Promotie video:
In 1974 stelden wetenschappers de vraag: hangt de levensduur van een onstabiel systeem af van een meetinstrument?
Deze paradox is bekend geworden als het kwantum zeno-effect: wat gebeurt er als we continu een onstabiel atoom waarnemen? Zal het uiteenvallen?
Volgens het Zeno-effect zal het onder constante observatie nooit een enkel deeltje straling uitzenden. In 1989 werd dit voor het eerst aangetoond in een experiment van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology, en een vreemde hypothese werd een vreemde realiteit.
Tien jaar later werd het tegenovergestelde Zeno-effect voorgesteld: het Antisenon-effect. Frequente metingen van een radioactieve atoomkern kunnen het verval versnellen, afhankelijk van het proces.
Het blijft alleen om te begrijpen wat een "dimensie" is.
Om zoiets als een radioactief atoom te meten, erover te observeren en de parameters en eigenschappen ervan te lezen, moet je er op de een of andere manier mee interageren zodat de informatie in een of andere vorm naar buiten komt. Tijdens het proces storten de vele mogelijkheden van het atoom ineen tot een enkele uitkomst, die we zien. Maar is deze ineenstorting de oorzaak van het Zeno-effect? Of is het mogelijk om het verval van een atoom te versnellen of te vertragen zonder te leiden tot het ineenstorten tot een absolute toestand?
Zeno tegen Antisenon
Dit alles brengt ons terug bij een experiment uitgevoerd door de Universiteit van Washington.
Om te bepalen of de overdracht van informatie het Zeno- of Antiseno-effect zou forceren, gebruikten wetenschappers een apparaat dat zich in veel opzichten gedraagt als een atoom met veel energietoestanden.
Dit "kunstmatige atoom" was in staat om de hypothese te testen van hoe energietoestanden - elektromagnetische modi - deze effecten zouden kunnen beïnvloeden.
"De snelheid van atomair verval hangt af van de dichtheid van mogelijke energietoestanden, of elektromagnetische modi, voor een bepaalde energie", zegt onderzoeker Keiter Merch. “Om een atoom te laten vervallen, moet het een foton in een van deze modi uitzenden. Meer mods betekent meer manieren van verval, dus sneller verval”.
Evenzo betekenen minder mods minder opties voor verval, wat verklaart waarom een atoompot onder constant toezicht nooit zal lassen. Merch en zijn team waren in staat om het aantal modi in hun kunstmatige atoom te manipuleren voordat ze standaardmetingen gebruikten, de toestand elke microseconde te controleren en het "verval" te versnellen of te vertragen.
"Deze metingen vertegenwoordigen de eerste waarneming van twee Zeno-effecten in een verenigd kwantumsysteem", zegt Merch.
Om er zeker van te zijn dat het waarneming of interferentie was die de sleutel bleek te zijn, hebben wetenschappers een zogenaamde quasi-meting gedaan, die interfereert zonder dat de atomaire toestand ineenstort. Niemand wist wat het resultaat zou zijn.
"Maar gegevens die de hele dag werden verzameld, toonden consequent aan dat quasi-metingen Zeno-effecten op dezelfde manier veroorzaakten als conventionele metingen", zegt Merch.
Bijgevolg is het de overtreding in het meetproces, en niet de directe meting zelf, die leidt tot het optreden van de Zeno- en Antiseno-effecten.
Dit wetende, kunnen we nieuwe methoden toepassen om kwantumsystemen te besturen met behulp van zenodynamica.
Wat betekent dit allemaal voor de arme kat van Schrödinger?
"Het Zeno-effect zegt dat als we de kat testen, we de vervalklok resetten en het leven van de kat redden", zegt wetenschapper Patrick Harrington. 'Maar de truc is dat de effecten van Zeno over schending gaan, niet over informatie, dus je hoeft niet eens in de doos te kijken om ze te activeren. Dezelfde effecten zullen optreden als je de doos gewoon schudt."
ILYA KHEL
