Breaking Newtons Law:Spændende oscillerende frem og tilbage-bevægelse af en kvantepartikel

Et modent æble, der falder ned fra et træ, har inspireret Sir Isaac Newton til at formulere en teori, der beskriver genstande, der udsættes for en kraft. Newtons bevægelsesligninger fortæller os, at et legeme i bevægelse bliver ved med at bevæge sig på en lige linje, medmindre forstyrrende kraft kan ændre dets vej. Virkningen af ​​Newtons love er allestedsnærværende i vores hverdag, lige fra en skydiver, der falder i jordens tyngdefelt, over inertien føler man i et accelererende fly, til jorden, der kredser om solen.

I kvanteverdenen, imidlertid, vores intuition for objekters bevægelse er stærkt udfordret og kan undertiden endda helt mislykkes. Hvad med at forestille sig, at en marmor falder gennem vand, der svinger op og ned frem for bare at bevæge sig lige nedad? Lyder mærkeligt. Endnu, det er den eksperimentelle fysiker fra Innsbruck i samarbejde med teoretikere fra München, Paris og Cambridge har opdaget for en kvantepartikel. Kernen i denne overraskende adfærd er, hvad fysikere kalder 'kvanteinterferens', det faktum, at kvantemekanik gør det muligt for partikler at opføre sig som bølger, som kan tilføje eller annullere hinanden.

Nærmer sig absolut nul temperatur

For at observere kvantepartiklen, der oscillerede frem og tilbage, måtte teamet afkøle en gas af cæsiumatomer lige over den absolutte nultemperatur og begrænse det til et arrangement af meget tynde rør, der blev realiseret af laserstråler med høj effekt. Ved hjælp af et specielt trick, atomerne blev lavet til at interagere stærkt med hinanden. Under sådanne ekstreme forhold danner atomerne en kvantevæske, hvis bevægelse er begrænset til rørets retning. Fysikerne fremskyndede derefter et urenhedsatom, som er et atom i en anden spin -tilstand, gennem gassen. Da denne kvantepartikel bevægede sig, det blev observeret at sprede gaspartiklerne af og reflektere baglæns. Dette førte til en oscillerende bevægelse, i modsætning til hvad en marmor ville gøre, når den faldt i vand. Eksperimentet viser, at Newtons love ikke kan bruges i kvanteområdet.

Kvantevæsker virker nogle gange som krystaller

Det faktum, at en kvantebølge kan blive reflekteret i bestemte retninger, har været kendt siden de tidlige dage af udviklingen af ​​teorien om kvantemekanik. For eksempel, elektroner reflekterer ved det normale mønster af faste krystaller, såsom et stykke metal. Denne effekt kaldes 'Bragg-spredning'. Imidlertid, overraskelsen i forsøget udført i Innsbruck var, at der ikke var en sådan krystal til stede for urenheden at reflektere. I stedet, det var selve atommassen, der gav en form for skjult orden i dens indretning, en egenskab, som fysikeren kalder 'korrelationer'. Innsbruck-arbejdet har demonstreret, hvordan disse korrelationer i kombination med stofets bølgetype bestemmer partiklernes bevægelse i kvanteverdenen og fører til nye og spændende fænomener, der modvirker oplevelser fra vores daglige liv.

At forstå kvantemekanikkens underlighed kan også være relevant i et bredere omfang, og hjælpe med at forstå og optimere grundlæggende processer inden for elektronikkomponenter, eller endda transportprocesser i komplekse biologiske systemer.

Undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .