Fra sorte huller til helium

Et team af forskere har opdaget, at en lov, der kontrollerer den bizarre opførsel af sorte huller ude i rummet - også gælder for kolde heliumatomer, der kan studeres i laboratorier.

"Det kaldes en sammenfiltringsområde lov, "siger Adrian Del Maestro, en fysiker ved University of Vermont, der ledede forskningen. At denne lov optræder både i det ydre rums store skala og i den lille skala af atomer, "er mærkeligt, "Del Maestro siger, "og det peger på en dybere forståelse af virkeligheden."

Den nye undersøgelse blev offentliggjort den 13. marts i tidsskriftet Naturfysik -og det kan være et skridt mod en længe søgt kvante-teori om tyngdekraften og nye fremskridt inden for kvanteberegning.

I overfladen

I 1970'erne, berømte fysikere Stephen Hawking og Jacob Bekenstein opdagede noget underligt ved sorte huller. De beregnede, at når stof falder ned i et af disse bundløse huller i rummet, mængden af ​​information, den gobler - hvad forskere kalder dens entropi - stiger kun så hurtigt, som dens overfladeareal stiger, ikke dens volumen. Dette ville være som at måle, hvor mange filer der er i et arkivskab baseret på skuffens overfladeareal frem for hvor dyb skuffen er. Som med mange aspekter af moderne fysik, tjek din sunde fornuft ved døren.

"Vi har fundet ud af, at den samme lovgivning overholdes for kvanteinformation i superflydende helium, "siger Del Maestro. For at gøre deres opdagelse, UVM's Del Maestro og tre kolleger fra University of Waterloo i Canada skabte først en nøjagtig simulering af fysikken i ekstremt koldt helium, efter at det omdannes fra en gas til en form for stof kaldet superfluid:under cirka to grader Kelvin, heliumatomer - udviser den dobbelte bølge/partikel -natur, som Max Planck og andre opdagede - bliver hængende sammen, så de enkelte atomer ikke kan beskrives uafhængigt af hinanden. I stedet, de danner en kooperativ dans, som forskerne kalder kvanteindviklet.

Ved hjælp af to supercomputere, herunder Vermont Advanced Computing Core ved UVM, forskerne undersøgte interaktionerne mellem 64 heliumatomer i et supervæske. De fandt ud af, at mængden af ​​sammenfiltrede kvanteoplysninger, der deles mellem to områder i en beholder - en kugle af helium, der blev skilt fra den større beholder - blev bestemt af kuglens overfladeareal og ikke dens volumen. Som en holograf, det ser ud til, at et tredimensionelt rumfang er helt kodet på dets todimensionelle overflade. Ligesom et sort hul.

Denne idé var blevet gættet ud fra et princip i fysikken kaldet "lokalitet", men var aldrig blevet observeret før i et eksperiment. Ved at bruge en komplet numerisk simulering af alle attributter for helium, forskerne var, for første gang nogensinde, i stand til at påvise eksistensen af ​​sammenfiltringsområdet i en ægte kvantevæske.

"Superfluid helium kan blive en vigtig ressource - brændstoffet - for en ny generation af kvantecomputere, "siger Del Maestro, hvis arbejde støttes af National Science Foundation. Men for at gøre brug af dets enorme informationsbehandlingspotentiale, han siger, "vi er nødt til at forstå dybere, hvordan det fungerer."

Uhyggelige kvarterer

I 1920'erne, Albert Einstein omtalte berømt - og skeptisk - at forvikling var "uhyggelig handling på afstand". Siden den gang, sammenfiltring er blevet påvist som reel ved talrige laboratorie- og teoretiske eksperimenter. I stedet for at trodse universets maksimale hastighedsgrænse-lysets hastighed-synes forvikling i stigende grad at vise, at vores menneskelige makroskala forståelse af afstand, og tiden selv, kan være illusorisk. Et par sammenfiltrede partikler kan have en kvantekommunikation, synes at "kende" hinandens tilstand med det samme på tværs af miles. Men denne intuition blander vores klassiske virkelighedsopfattelse med en dybere kvantevirkelighed, hvor en form for information - entanglement entropi - er "delokaliseret, "spredt ud i et system, med millioner af mulige stater, eller "superpositioner, "der kun bliver fikset ved at måle. (Betragt Schrödingers kat - både død og levende).

"Forvikling er ikke-klassisk information, der deles mellem dele af en kvantetilstand, "bemærker Del Maestro. Det er" kvantemekanikkens karakteristiske træk, der er mest fremmed for vores klassiske virkelighed. "

At kunne forstå, endsige kontrol, kvanteindvikling i komplekse systemer med mange partikler har vist sig at være vanskelig. Observationen af ​​en sammenfiltringsområdelov i dette nye forsøg peger mod kvantevæsker, som superfluid helium, som et muligt medium til at begynde at mestre forvikling. For eksempel, den nye undersøgelse afslører, at densiteten af ​​det superflydende helium regulerer mængden af ​​sammenfiltring. Det tyder på, at laboratorieforsøg og til sidst, kvantecomputere kunne manipulere tætheden af ​​en kvantevæske som en "mulig knap, "Del Maestro siger, til regulering af sammenfiltring.

Jagtgravitation

Og denne nye forskning har konsekvenser for nogle grundlæggende problemer inden for fysik. Indtil nu, undersøgelsen af ​​tyngdekraften har stort set trodset bestræbelserne på at bringe den under kvantemekanikkens paraply, men teoretikere fortsætter med at lede efter forbindelser. "Vores klassiske tyngdekraftsteori er afhængig af at kende nøjagtigt rum-tidens form eller geometri, "Del Maestro siger, men kvantemekanik kræver usikkerhed om denne form. Et stykke af broen mellem disse kan dannes af denne nye undersøgelses bidrag til det "holografiske princip":den eksotiske påstand om, at hele 3D-universet kan forstås som todimensionel information-hvad enten det er et gigantisk sort hul eller en mikroskopisk vandpyt af superflydende helium.