Teq

Un nou experiment espera resoldre el misteri més gran de la mecànica quàntica Ciència

La revolució quàntica mai no va acabar realment. Sota el món de la física clàssica, a escales més petites, les partícules diminutes no segueixen les regles habituals. Les partícules de vegades actuen com ones, i viceversa . De vegades sembla que existeixen a dos llocs alhora . I de vegades ni tan sols es pot saber on són .

Per a alguns físics, com Niels Bohr i els seus seguidors, els debats entorn de la mecànica quàntica estaven més o menys resolts a la dècada de 1930. Creien que el món quàntic es podia entendre segons les probabilitats: quan examinem una partícula, hi ha la possibilitat que faci una cosa i una altra que faci una altra. Però altres faccions, encapçalats per Albert Einstein, mai van ser totalment satisfetes per les explicacions de l'món quàntic, i noves teories per explicar l'esfera atòmica van començar a sorgir.

els dofins surten de peixos globus

Ara, gairebé un segle després, un nombre creixent de físics ja no es conformen amb la versió del llibre de text de la física quàntica, que es va originar a partir de la interpretació de Bohr i d’altres de la teoria quàntica, sovint coneguda com la Interpretació de Copenhaguen . La idea és similar a capgirar una moneda, però abans de mirar el resultat, la moneda es pot pensar tant com a caps com a cues; el fet de mirar o mesurar obliga la moneda a col·lapsar en un estat o en un altre. Però una nova generació d’investigadors es replanteja per què les mesures causarien un col·lapse en primer lloc.





Un nou experiment, conegut com la col·laboració d'EQT, podria ajudar a revelar un límit entre el món quàntic estrany i el món clàssic normal de les boles de billar i projectils. Els investigadors del TEQ (Testing the large-scale limit of quàntica mecànica) investigadors estan treballant per construir un dispositiu el proper any que leviti una mica de diòxid de silici, o quars, mesurant nanòmetres de mida, encara microscòpic, però molt més gran que l’individu partícules que els científics han utilitzat per demostrar la mecànica quàntica anteriorment. Quin tamany pot tenir un objecte i mostrar encara comportaments quàntics? Una pilota de beisbol no es comportarà com un electró-mai podríem veure una mosca pilota al jardí esquerre i el jardí dret, a el mateix temps, però què passa amb una peça a nanoescala de quars?

El renovat esforç per determinar com es comporta la matèria a nivell atòmic està motivat en part per l'interès en els avenços tecnològics, com ara ordinadors quàntics , així com mitjançant un augment del suport a les noves interpretacions de física teòrica. Una d'aquestes alternatives es coneix com la teoria Ghirardi-Rimini-Weber, o GRW, anomenat així per tres físics que enriqueixi la teoria en la dècada de 1980. En GRW, hi ha partícules microscòpiques en múltiples estats alhora, coneguda com superposició, però a diferència d'en la interpretació de Copenhaguen, que poden col·lapsar de forma espontània en un únic estat quàntic. Segons la teoria, la més gran d'un objecte, menys probable és existir en superposició, que és la raó per la matèria a escala humana només existeix en un estat en qualsevol moment donat i pot ser descrit per la física clàssica.



En GRW, col·lapses ocorren a l'atzar amb una probabilitat fixa per partícules per unitat de temps, diu Tim Maudlin, un filòsof de la física a la Universitat de Nova York. En la teoria de Copenhaguen, per contra, els col·lapses només ocorren quan es realitza un mesurament, de manera que un pot necessitar un criteri físic clara per a tots dos quan es produeix un mesurament i el que es mesura. I això és precisament el que la teoria no proporciona mai. GRW explica aquest problema de mesurament suggerint que el col·lapse no és exclusiu de l’acte de mesurar-se, sinó que una partícula microscòpica té una probabilitat donada de col·lapsar en qualsevol moment i que és molt més probable que es produeixi (essencialment garantit) quan examinat en un dispositiu experimental macroscòpic.

El GRW és un tipus de model de col·lapse i, si els físics són capaços de mesurar aquest col·lapse en acció, suggeriria que el model de col·lapse sigui correcte, diu Peter Barker, físic de la University College de Londres. Podem dir que aquí acaba la mecànica quàntica i comença la mecànica clàssica. Seria increïble.

Barker és membre d’un grup de la col·laboració TEQ, que posarà a prova aquestes idees sobre el GRW i el col·lapse quàntic. El petit tros de quars, una mil·lèsima part de l’amplada d’un cabell humà, quedarà suspès per un camp elèctric i quedarà atrapat en un espai fred i reduït, on les seves vibracions atòmiques disminuiran fins a gairebé el zero absolut.



A continuació, els científics dispararan un làser contra el quars i veuran si la dispersió de la llum mostra signes de moviment de l'objecte. El moviment del diòxid de silici podria indicar un col·lapse, cosa que faria de l’experiment una confirmació convincent de les prediccions de GRW. (La teoria prediu que objectes de diferents masses tenen diferents quantitats de moviment relacionades amb un col·lapse.) Si els científics no veuen els senyals predits per un col·lapse, l'experiment encara proporcionaria informació valuosa sobre el món quàntic de les partícules a mesura que es difumina amb el món clàssic dels objectes quotidians. Sigui com sigui, les troballes podrien ser un salt quàntic per a la física quàntica.

La idea que les partícules podrien existir en diversos estats com Einstein i uns quants altres un cop inquiets. Però molts físics ignoren aquestes qüestions fonamentals sobre el que passa realment i caracteritzen la seva pròpia actitud com a tancada i calculada, diu Maudlin. Molt pocs físics volen entendre els problemes fonamentals de la mecànica quàntica. I no volen admetre que és una situació bastant escandalosa.

Els qui sí que investiguen les realitats fonamentals de la matèria atòmica, però, semblen estar d’acord que probablement hi hagi més coses que les teories existents, fins i tot si encara no està clar què passa exactament en aquestes escales minúscules. A més de GRW, les teories rivals inclouen l’especulatiu interpretació de molts mons , una idea que cada resultat experimental pot i succeeix a mesura que les partícules col·loquen sense fi en tots els estats possibles, generant un nombre infinit d'universos paral·lels. Una altra alternativa coneguda com Mecànica bohmiana , que porta el nom del seu creador David Bohm a la dècada de 1950, argumenta que les probabilitats implicades en experiments quàntics simplement descriuen el nostre coneixement limitat d’un sistema —en realitat, una equació amb variables actualment ocultes per als físics guia el sistema independentment de si algú fa una mesura.

Però les dades d’experiments quàntics anteriors encara no apunten cap a una sola interpretació, cosa que fa difícil escollir-ne una imatge més precisa de la realitat. Tanmateix, gràcies a TEQ, els físics finalment van poder proporcionar proves a favor o en contra de teories del col·lapse com el GRW, trencant l’atzucac amb el problema de la mesura. Els models de col·lapse són realment falsificables experimentalment, diu Matteo Carlesso, físic de la Universitat de Trieste, que estudia les teories quàntiques. Tot i que cap experiment no ha estat prou sensible com per verificar o falsificar amb èxit un model de col·lapse, aquest experiment hauria de ser possible amb la sensibilitat d'alguna cosa com TEQ.

L’experiment no serà fàcil. L’aparell precís, congelat a prop del zero absolut, no pot eliminar tota incertesa i els científics implicats han de descartar altres explicacions físiques mundanes del moviment de la partícula levitada abans que puguin presumir d’atribuir el que veuen als moviments quàntics. Els físics es refereixen a la classe de senyals d'energia que mesuren com a soroll, i serà molt difícil de soroll col·lapse aïllat a partir de fonts de soroll de fons que podrien funcionar el seu camí en l'experiment sensible. I no ajuda que la mesura pròpia escalfi la partícula, cosa que fa més difícil distingir els moviments quàntics que busquen els investigadors.

quins animals estan relacionats amb els dinosaures

Malgrat aquestes incerteses, els físics de TEQ estan construint i provant el dispositiu i es reuniran a la Universitat de Southampton, al Regne Unit, on executaran les versions més sensibles de l’experiment en un any. Tenen l’oportunitat de veure finalment el comportament quàntic de primera mà i, si no, potser empenyen els límits de la mecànica quàntica i aporten llum sobre quins tipus de comportament quàntic no passar.

L’experiment és similar al de fa dècades cerca de partícules de matèria fosca : els físics encara no els han detectat directament, però ara saben més que abans sobre com de massives no poden ser les partícules. Una diferència, però, és que els físics coneixen la matèria fosca està allà fora, encara que no saben exactament el que és, diu Andrew Geraci, físic de la Universitat de Northwestern. No es garanteix que els models de col·lapse quàntic que Carlesso i altres estudien siguin una representació exacta del que passa amb la matèria a escala atòmica.

Crec que la prova d'aquests models de col·lapse i veure si podem passarà alguna cosa sobre com funciona el problema del mesurament és sens dubte una temptadora possibilitat que aquest tipus de tecnologia s'obre, diu Geraci. Independentment de si veiem alguna cosa, val la pena comprovar-ho.





^