Undersøgelse peger på ikke-newtonsk kraft, der påvirker partiklernes flyvning

Anførselstegnene havde traditionens kraft – og krafttraditionen – bag sig.

Da Nebraskas Herman Batelaan og kolleger for nylig indsendte et forskningspapir, der argumenterer for eksistensen af ​​en ikke-newtonianer, kvantekraft, journalen bad om at placere "kraft" inden for anførselstegn. Teamet forstod og accepterede anmodningen.

Trods alt, ordet har længe tilhørt klassisk newtonsk fysik:lige-og-modsatte reaktioner, elektromagnetisme, tyngdekraften og andre love, der forklarer æblefaldet, hoved-bonkende fænomener i hverdagsoplevelsen.

Derimod Batelaan og hans medforfattere brugte ordet i sammenhæng med kvantefysikken, der beskriver det uendeligt lille - hvor subatomære partiklers position og hastighed er defineret af sandsynligheder snarere end præcise værdier, hvor elektroner samtidig opfører sig som både partikler og bølger, og hvor anden kontraintuitiv uklarhed styrer riget.

Den verden blev endnu mere uklar i 1959, da et foreslået eksperiment antydede, at den blotte nærhed af en klassisk kraft – i stedet for selve kraften – kunne påtvinge sig den fysiske verden. I forsøget to strømme af elektroner sejler ved hver side af en spole, hvis magnetfelt er fuldstændig afskærmet fra disse elektroner.

På trods af at ingen elektronstrøm passerer gennem det faktiske magnetfelt, forskere fastslog, at elektronernes kvantesandsynligheder ville gennemgå målbare skift, der afhænger af magnetfeltets styrke. Senere eksperimenter bekræftede tilstedeværelsen af ​​denne såkaldte Aharonov-Bohm-effekt.

Men hvis eksistensen af ​​den mærkelige effekt var indiskutabel, arten af ​​det var ikke. Anton Zeilinger, en af ​​Batelaans postdoktorale rådgivere, introducerede en sætning, der tyder på, at Aharonov-Bohm-effekten ikke repræsenterer eller er et resultat af en kraft. På det tidspunkt, hvor efterfølgende eksperimenter fra Batelaan og andre bekræftede, at effekten ikke gjorde noget for at forsinke elektronernes ankomsttid - noget en kraft ville forventes at gøre - havde Zeilinger's teorem opnået bred støtte.

År efter Zeilinger foreslog sit teorem, selvom, fysikerne Andrei Shelankov og Michael Berry modsvarede det ved at hævde, at Aharonov-Bohm-effekten opstår fra kvanteækvivalenten til en kraft. Selv hvis den kraft ikke bremsede elektronerne, Shelankov forudsagde, at det kunne ændre deres flyvebaner ved at afbøje dem en smule.

"På egen hånd, du kan forstå udledningen af ​​hver teori, " sagde Batelaan, professor i fysik og astronomi i Nebraska. "De ser begge rigtigt ud, men de er i konflikt med hinanden. Så vi kneb vores hjerner for at komme med en teori, der giver begge svar. Vi forstod, at der skulle være større rammer.

"Det bad om at løse den teoretiske konflikt. Det bad om et eksperiment."

Så Batelaan og hans kolleger, herunder tidligere doktorgradsrådgiver Maria Becker, satte sig et højt mål:demonstrere Shelankovs forudsigelse, mens de også imødekommer Zeilingers teorem. Deres eksperiment, opført på universitetet i Antwerpen, lignede mange, der var gået forud:elektronstråler, der sejlede mod en nanoskopisk stang, hvis magnetfelt var afskærmet fra partiklerne. Når stangens magnetisering var nul, de bølgelignende mønstre, som elektroner dannede efter at have hoppet af det - mønstre svarende til overlappende krusninger i vand - var symmetriske.

Men da holdet øgede magnetiseringen, disse diffraktionsmønstre blev asymmetriske - indirekte bevis på en ikke-newtonsk kraft, der skubbede elektronerne til venstre eller højre. Og som holdet forventede, at vende retningen af ​​magnetiseringen vendte også retningen af ​​asymmetrien, yderligere understøtter ideen om et kvantefænomen, der kan påvirke stof på måder, der ligner klassiske newtonske kræfter.

Hvad angår Zeilingers sætning? Ifølge holdets analyse, de teoretiske antagelser, som han gjorde, gælder ikke for den sidelæns bevægelse, som undersøgelsen antyder. I betragtning af det, Batelaan sagde, undersøgelsen ugyldiggør ikke Zeilinger. I stedet, holdet viste matematisk, at dets Shelankov-forudsagte resultater og Zeilinger's teorem er to specialtilfælde af en overordnet sætning.

Batelaan sammenlignede groft situationen med en, hvor en bold begynder at rulle langs en flad platform. Langsomt at hæve og sænke denne platform kan ændre boldens destination på et fly, selvom dens hastighed og ankomsttid forbliver den samme. Ser ned på perronen, en observatør kunne gå glip af, at ethvert skift var sket; det bliver måske først tydeligt efter skiftende perspektiver.

Spørgsmålet om perspektiv informerer også om fortolkningen af ​​undersøgelsen, sagde Batelaan. Klassiske kræfter opererer lokalt, kun berører det spørgsmål, der støder op til disse kræfter. Men kvantemekanik - især kvantesammenfiltring, hvorved ændringer i en partikel samtidig manifesterer sig i en anden sammenfiltret partikel, der teoretisk kunne opholde sig lysår væk - ikke er bundet af afstand.

Batelaan sagde, at holdets resultater kunne tolkes som bevis på en tilsvarende ikke-lokal styrke.

"Her, vi har en situation, der er ikke-lokal, men i modsætning til kvantesammenfiltring, " sagde Batelaan. "Det er et en-partikel fænomen, ikke et to-partikel fænomen. Så kan denne idé om ting, der sker uden en kraft, anvendes i en anden sammenhæng? Det er meget sjældent. Det er meget, meget speciel. Jeg tror, ​​at det, vi er inde på her, faktisk er endnu et eksempel på det.

"Jeg føler, at dette understreger ideen om, at naturen kan være ikke-lokal. Det er et stort spørgsmål. Påvirker de ting, jeg gør her, tingene et andet sted, uden en klar mellemmand?"

Det faktum, at Batelaan har fundet beviser for det, betyder ikke, at han skal kunne lide det, selvom.

"Jeg synes, det er ulækkert, " sagde Batelaan, griner. "Jeg lever i den klassiske verden. Alt, hvad jeg ser omkring mig, ser jeg ske på grund af kræfter. Hvis der er ting, der sker uden kræfter, hvorfor kan jeg ikke bruge dem? Hvorfor er der ikke flere eksempler på dette?

"Som et fysisk princip, det skal være overalt. Men vi er (muligvis) bare for blinde til at se det."

Forskerne rapporterede deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .