Forskere observerer en kendetegnende kvanteadfærd i hoppende dråber

Konceptet blev for det meste diskonteret indtil 2005, hvor fysikeren Yves Couder opdagede, at de Broglies kvantebølger kunne replikeres og studeres i et klassisk, væskebaseret eksperiment. Opsætningen involverer et væskebad, der er lavet til at vibrere subtilt op og ned, dog ikke helt nok til at generere bølger alene.

En millimeterstor dråbe af samme væske fordeles derefter over badet, og da den hopper af overfladen, resonerer dråben med badets vibrationer, hvilket skaber, hvad fysikere kender som et stående bølgefelt, der "piloterer" eller skubber dråben. hen ad. Effekten er af en dråbe, der ser ud til at gå langs en kruset overflade i mønstre, der viser sig at være i overensstemmelse med de Broglies pilotbølgeteori.

I de sidste 13 år har Bush arbejdet på at forfine og udvide Couders hydrodynamiske pilotbølgeeksperimenter og har med succes brugt opsætningen til at observere dråber, der udviser emergent, kvantelignende adfærd, herunder kvantetunneling, enkeltpartikeldiffraktion og surrealistiske baner.

"Det viser sig, at dette hydrodynamiske pilotbølgeeksperiment udviser mange træk ved kvantesystemer, som man tidligere troede var umulige at forstå fra et klassisk perspektiv," siger Bush.

Bomber væk

I deres nye undersøgelse tog han og Frumkin på sig kvantebombetesteren. Tankeeksperimentet begynder med et konceptuelt interferometer - i det væsentlige to korridorer af samme længde, der forgrener sig fra det samme udgangspunkt, hvorefter de drejer og konvergerer og danner en rombelignende konfiguration, mens korridorerne fortsætter, hver ender i en respektive detektor.

Ifølge kvantemekanikken, hvis en foton affyres fra interferometerets startpunkt, gennem en strålesplitter, skulle partiklen med lige stor sandsynlighed bevæge sig ned ad en af ​​de to korridorer. I mellemtiden bevæger fotonens mystiske "bølgefunktion" eller summen af ​​alle dens mulige tilstande sig ned ad begge korridorer samtidigt.

Bølgefunktionen interfererer på en sådan måde at sikre, at partiklen kun vises ved den ene detektor (lad os kalde dette D1) og aldrig den anden (D2). Derfor bør fotonen detekteres ved D1 100 % af tiden, uanset hvilken korridor den rejste igennem.

Hvis der er en bombe i en af ​​de to korridorer, og en foton går ned ad denne korridor, udløser den forudsigeligt bomben, og opsætningen sprænges i stykker, og ingen foton detekteres ved nogen af ​​detektorerne. Men hvis fotonen bevæger sig ned ad korridoren uden bomben, sker der noget mærkeligt:​​Dens bølgefunktion, når den rejser ned ad begge korridorer, bliver afskåret i én af bomben.

Da det ikke helt er en partikel, udløser bølgen ikke bomben. Men bølgeinterferensen ændres på en sådan måde, at partiklen vil blive detekteret med lige stor sandsynlighed ved D1 og D2. Ethvert signal ved D2 ville derfor betyde, at en foton har detekteret tilstedeværelsen af ​​bomben uden at interagere fysisk med den. Hvis bomben er til stede 50 % af tiden, bør denne mærkelige kvantebombedetektering forekomme 25 % af tiden.

I deres nye undersøgelse opstillede Bush og Frumkin et analogt eksperiment for at se, om denne kvanteadfærd kunne dukke op i klassiske dråber. I et bad af siliciumolie nedsænkede de en struktur svarende til de rombelignende korridorer i tankeeksperimentet. De fordelte derefter forsigtigt små oliedråber i badet og fulgte deres veje. De tilføjede en struktur på den ene side af romben for at efterligne et bombelignende objekt og observerede, hvordan dråben og dens bølgemønstre ændrede sig som reaktion.

Til sidst fandt de ud af, at 25 % af tiden hoppede en dråbe gennem korridoren uden "bomben", mens dens pilotbølger interagerede med bombestrukturen på en måde, der skubbede dråben væk fra bomben. Fra dette perspektiv var dråben i stand til at "fornemme" det bombelignende objekt uden at komme fysisk i kontakt med det.

Mens dråben udviste kvantelignende adfærd, kunne holdet tydeligt se, at denne adfærd opstod fra dråbens bølger, som fysisk hjalp med at holde dråben væk fra bomben. Denne dynamik, siger holdet, kan også være med til at forklare den mystiske adfærd i kvantepartikler.

"Ikke kun er statistikken den samme, men vi kender også dynamikken, hvilket var et mysterium," siger Frumkin. "Og konklusionen er, at en analog dynamik kan ligge til grund for kvanteadfærden."

"Dette system er det eneste eksempel, vi kender, som ikke er kvante, men som deler nogle stærke bølgepartiklers egenskaber," siger teoretisk fysiker Matthieu Labousse fra ESPCI Paris, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Det er meget overraskende, at mange eksempler, der menes at være ejendommelige for kvanteverdenen, kan reproduceres af et så klassisk system. Det gør det muligt at forstå barrieren mellem, hvad det er specifikt for et kvantesystem, og hvad der ikke er. De seneste resultater af gruppe på MIT skubber barrieren meget langt."

Flere oplysninger: Valeri Frumkin et al., Misinference af interaktionsfri måling fra et klassisk system, Physical Review A (2023). DOI:10.1103/PhysRevA.108.L060201. journals.aps.org/pra/abstract/ … PhysRevA.108.L060201. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.13590

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang A , arXiv

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.