Hvordan kvantefysikere leder efter liv på exoplaneter

Den verden, som kvantefysikere studerer med et trænet øje, er den samme verden, som vi ikke-videnskabsmænd navigerer rundt i hver dag. Den eneste forskel er, at den er blevet forstørret til ubegribeligt små og store skalaer.

Alligevel forbliver kvantefysik stort set et dunkelt emne - selv for videnskabeligt kloge læsere. News@Northeastern talte med Gregory Fiete, en fysikprofessor ved Northeastern, om nogle af de brede anvendelser af kvanteforskning, fra udvikling af vedvarende energikilder og bygning af mere kraftfulde computere, til at fremme menneskehedens søgen efter at opdage liv uden for solsystemet. Fietes kommentarer er blevet redigeret af hensyn til korthed og klarhed.

For at starte med, lad os give vores publikum et indblik i karakteren af ​​dit arbejde, og kigge ned i de uendeligt smås verden. Hvad er nogle misforståelser om det arbejde, kvantefysikere som dig selv er engageret i - og hvorfor er det vigtigt?

Du nævnte kvante og de smås verden. Det er, hvad de fleste mennesker tænker på, når de tænker på kvantemekanik og den måde, nogle af de tidlige grundlag for kvanteteorien udviklede sig på, som betragtede brintatomet, og hvordan det har diskrete energiniveauer, som du kan observere eksperimentelt ved at se på spektrene, eller hvordan den absorberer og udsender lys f.eks.

[Brintatomet] absorberer og udsender ved bestemte frekvenser, og vi forstår nu, at det er på grund af atomets kvantenatur – hvordan der kun er specifikke tilladte baner for en elektron omkring kernen. Så vi har en tendens til at tænke på kvantemekanik i form af dette meget vigtige tidlige eksempel på et brintatom, og derfor er vi forudindtaget til at tro, at kvante handler om det lille. Men faktisk handler det slet ikke om det små.

Tag for eksempel solen. Solen er meget stor – det er det største objekt i vores solsystem; vores planeter kredser omkring den i kredsløb på grund af dens tyngdekraft.

Måden solen fungerer på er, at den brænder brint. Dens tyngdekraft er så stor, at den kombinerer brint til helium og derefter helium til andre grundstoffer. Det smelter atomer sammen, og den fusionsproces er et kvantefænomen, og det ligger bag en af ​​de store energiudfordringer, der bliver påtaget her på Jorden, kendt som vedvarende fusion. Det er bare at tage brint og kombinere det til helium - hvis vi kan gøre det på Jorden inden for en magnetisk indeslutning, så vil vi have en ren og vedvarende energikilde.

Der er stort set ubegrænsede mængder brint, der kan kombineres, og helium er ikke radioaktivt. Så vi kunne producere en masse energi fra ting, der er mere eller mindre uendeligt rigeligt uden at producere affald i form af radioaktivt materiale. Dette er en drøm, som fysikere arbejder hen imod. Så nogle af de største ting i universet er bestemt kvantemekaniske, inklusive supermassive sorte huller, som kan miste energi gennem et kvantefænomen kendt som Hawking-stråling.

Det andet punkt er, at man ofte tror, ​​kvante handler med meget lave temperaturer. Igen, for at tage vores sol som eksempel – det er meget varmt, men det er kvantemekanisk. Lav temperatur tjener ikke som et krav til kvante. Dette eksempel på en stjerne og kvanteheden af ​​fusionsprocessen og de høje temperaturer, der er forbundet med det - jeg vil bare udvide synet på, hvad kvantemekanik er, og hvor allestedsnærværende den er.

Når vi skriver om det arbejde, du og dine kolleger udfører, er der altid applikationer fra den virkelige verden. Kan du fortælle om nogle af de måder, hvorpå kvantefysikere ansporer teknologiske fremskridt ud over deres felt?

Jeg vil nævne et par af mine yndlingsteknologier. En af de ting, der virkelig begejstrer mig ved kvantefysik, er dens brug til det, jeg tænker på som "retsmedicin" eller kvanteforensik, om man vil.

Fordi ting som atomer har diskrete energiniveauer forbundet med dem, viser det sig, at det kan bruges til at identificere atomer. Hvis du sammenligner de tilladte energiniveauer for brint og de tilladte energiniveauer for helium eller et hvilket som helst andet grundstof, er de forskellige. Hvis du havde en gas af noget, så kunne du bestemme, hvilke atomer der er i gassen ved at se på, hvordan den absorberer og udsender lys. Dette er af stor praktisk værdi, hvis du er interesseret i noget langt væk, såsom en planet, der kredser om en stjerne, der ikke er vores egen.

Der er et fantastisk felt af exoplaneter, vi opdager ved hjælp af kraftfulde teleskoper, der registrerer disse planeter, der bevæger sig ind mellem stjerner og vores Jord. Vores teleskoper – nogle af dem er i rummet knyttet til satellitter med en utrolig frekvensopløsning og følsomhed – er så kraftige, at vi kan se på det tynde lag af atmosfæren omkring disse planeter, og hvordan lyset fra stjernen passerer gennem det. Så bruger vi teknikken spektroskopi og ser, hvordan lyset fra stjernen bagved bliver absorberet af atmosfæren på denne planet, som kan være tusinder af lysår væk. Så vi kan opdage, hvilke atomer der er i atmosfæren.

Det er ret interessant. Men det går længere. Vi kan også opdage, hvilke molekyler der er. For eksempel, er der to hydrogenatomer knyttet til et iltatom? Med andre ord, er der vand i atmosfæren? Molekyler har deres egen spektroskopiske signatur. Så vi kan faktisk opdage, om der er vand i atmosfæren på nogle af disse planeter, og det er virkelig spændende.

Alligevel kan vi tage det et skridt videre. Når der er temperaturer involveret, så bliver disse spektrallinjer, som de kaldes, disse specifikke frekvenser udvidet. Der er lidt ligesom en række frekvenser, hvor du ser absorption og emission. Og mængden, som det er udvidet, fortæller dig om et molekyles temperatur - med andre ord temperaturen i atmosfæren på disse planeter.

Det er ret forbløffende, at vi kan bestemme, hvad der er i disse planeters atmosfærer - planeter, som det ville være umuligt for mennesker nogensinde at besøge. Det, og vi kan lede efter signaturer på liv, er der molekyler, som vi forbinder med liv, der flyder rundt på disse planeter, i hvert fald hvis det er jordlignende liv; så er vi måske i stand til med en vis sandsynlighed at fastslå, at en eller anden planet derude, som intet menneske nogensinde kunne besøge, rummer liv. Eller måske kunne vi opdage andre kandidatlivsformer. Det er et eksempel, der er ret inspirerende, og det er i sidste ende afhængig af kvantefysik og spektroskopiteknikken.

Et andet eksempel, som jeg tror også er af stor interesse, er, at kvantefysikken producerer energikilder, der er uden for rækkevidde af solenergi. Så når du sender en dyb rumsonde for at se på de ydre planeter i vores solsystem, lad os sige Pluto (teknisk set ikke længere betragtet som en planet). Hvis du vil se på Pluto, sender du en dyb rumsonde - det tager år at nå dertil. Du spørger måske, hvilken slags strømkilde du kan have til computerne på denne sonde, så du kan sende de smukke billeder tilbage, som vi ser? Nå, du kan sætte et batteri på der. Det kommer til at tage år at nå dertil, rummet har meget stråling, og batterierne kan blive beskadiget; de fungerer muligvis ikke ordentligt, når de bliver lanceret gennem alle de varmevariationer, der kommer ud af atmosfæren, og rummets kulde osv. Det er ikke særlig praktisk. Der er ikke nok lys fra solen, du kan opsamle med solpaneler til at køre computersystemerne og sende billeder tilbage.

Så hvordan driver de computere på disse dybe rumsonder? Det, de bruger, er stråling. De bruger et radioaktivt materiale, og radioaktivitet er igen en anden kvanteproces, hvor tunge grundstoffer henfalder til lettere grundstoffer; når de gør det, udstøder de dele af deres kerne. Men disse udstødte dele af kernen bærer energi, som kan fanges.

Der er materialer, hvoraf nogle er meget tæt på ting, som jeg arbejder med, som kaldes termoelektriske materialer. De tager højtemperaturområder, og de forbinder dem med lavtemperaturområder og omdanner denne høj-lave temperaturforskel til en spænding, som derefter fungerer som et batteri. Når du først har en spænding i et elektrisk system, kan du nu flytte strømme rundt og betjene en computer eller elektriske kredsløb på nogenlunde normal vis.

Det hele er meget interessant. Det lyder som om kvantefysik virkelig er det grundlæggende arbejde, der går til at transformere vores energiinfrastruktur, blandt andre teknologier. Er det den rigtige måde at tænke det på?

Ja det er rigtigt. Det er en god pointe - at tænke på klimaændringer og vedvarende energi og også teknologier, der ikke forurener vores miljø.

Hvis vi bare tænker på energi et øjeblik, som da vi diskuterede eksemplet med fusion, som er en grøn teknologi – forudsat at vi kan få det til at fungere. Hvis vi går væk fra fusion, er der andre teknologier på plads lige nu, som er grønne. Tag vindmøller. Hvad har vindmøller med kvantefysik at gøre? Den måde, vindmøller fungerer på, er, at de har en magnet fastgjort til propellerne, når vinden drejer dem, og at dreje en magnet genererer en elektrisk strøm. Det er sådan, du genererer elektricitet:du vrider en magnet inde i en spole af ledninger.

Men spørgsmålet er:hvilken magnet skal du bruge? Så det er her, grundforskning – faktisk forskning, som jeg til en vis grad er involveret i i Northeastern – kommer ind:at tænke på magnetiske systemer, der ville have ønskværdige egenskaber til anvendelser som vindmøller.

Du skal have en meget robust magnet, der skal overleve høje temperaturer, hvilket betyder meget over stuetemperatur, fordi det kan blive varmt deroppe med solen skinnende på den. Den skal også have egenskaber, der er robuste nok til at overleve uanset hvilke belastninger og belastninger, den drejer sig om i dette turbinesystem. Det er såkaldte hårde magneter. Så hvordan udvikler du bedre magneter? Det er et kvantespørgsmål.

Som en sidste tanke, undrer jeg mig over, hvad dine store håb er for din forskning og for feltet. Hvad vil du gerne se ske i løbet af dit liv, og er der nogle fremskridt, som vi er på vej til?

Det er et svært spørgsmål, som alle i feltet stiller:hvad er de fremskridt, vi virkelig er på vej til? Et godt citeret eksempel er kvanteberegning. At have en kvantecomputer vil ikke løse ethvert computerproblem, som nogen kan drømme om. Det viser sig, at kvantecomputere er særligt dygtige til visse klasser af problemer, hvor de kan give det, der kaldes en "kvantefordel." Der er nogle specifikke problemer, som kvantecomputere er mere nyttige til; men andre problemer kan bedre løses af konventionelle supercomputere.

Så et af spørgsmålene på området er at forsøge at give en lille smule skarpere løsning på, hvad der er de specifikke problemer, som kvantecomputere vil hjælpe os med. Det er et område i udvikling, ligesom hvad der er det sande nicheproblem for en kvantecomputer. Jeg tror, ​​at alle os, der arbejder i feltet, føler, at der vil være nogle specifikke applikationer, hvor kvantecomputere egentlig bare udkonkurrerer alt andet – og alle vil gerne være med i det her; alle betyder hver udviklet nation. Alle ønsker at være en del af denne næste kvanterevolution, som ikke kun handler om at udvikle kvantemekanik som en ny videnskab, men om at omdanne kvantemekanik til meget brede anvendelser. Og computing er kun ét område i front. + Udforsk yderligere

Quantum computer fungerer med mere end nul og én