Superpositionprincipen

I början av 1900-talet gjordes många framsteg inom kvantmekaniken, inklusive Heisenbergs osäkerhetsprincip. En annan viktig upptäckt hittades beträffande ljusinteraktion med barriärer. Det visade sig att om du skiner ljus genom en smal dubbel slits, istället för två ljusa fläckar i motsatt ände, skulle du ha fransar av ljusa och mörka fläckar, som hårstrån på en kam. Detta är ett interferensmönster, och det uppstår från ljusets våg / partikeldualitet (Folger 31). Baserat på våglängden, slitslängden och avståndet till väggen skulle ljuset antingen uppvisa konstruktiv interferens (eller ljusa fläckar), eller det skulle genomgå destruktiv interferens (eller mörka fläckar). I huvudsak uppstod mönstret från växelverkan mellan många partiklar som kolliderar med varandra. Så folk började undra vad som skulle hända om du skickade bara en foton åt gången.

1909 gjorde Geoffrey Ingram Taylor just det. Och resultaten var fantastiska. Det förväntade resultatet var bara en plats på andra sidan eftersom en partikel skickades när som helst så det fanns inget sätt att ett interferensmönster kunde utvecklas. Det skulle kräva flera partiklar, som inte var närvarande för det experimentet. Men ett störningsmönster var exakt som hände. Det enda sättet detta kunde ha hänt var om partikeln hade interagerat med sig själv, eller att partikeln fanns på mer än ett ställe samtidigt. Som det visar sig är det handlingen om att titta på partikeln som sätter den på ett ställe. Allt runt dig gör detta . Denna förmåga att vara i många kvanttillstånd på en gång tills den ses är känd som superpositionprincipen (31).

På makroskopisk nivå

Allt fungerar bra på kvantnivå, men när är det sista gången du har känt någon vara på flera platser samtidigt? För närvarande kan ingen teori förklara varför principen inte fungerar i vår vardag eller på den makroskopiska nivån. Det vanligaste skälet: Köpenhamnstolkningen. Tungt stött av både Bohr och Heisenberg säger det att handlingen med att titta på partikeln får den att falla i ett specifikt, enda tillstånd. Tills det är gjort kommer det att finnas i många stater. Tyvärr har den ingen aktuell metod för testning, och det är bara ett ad hoc-argument för att förstå detta och bevisa sig på grund av dess bekvämlighet. I själva verket innebär det till och med att ingenting skulle existera förrän det ses (30, 32).

En annan möjlig lösning är de många världens tolkningar. Det formulerades av Hugh Everett 1957. I huvudsak säger det att för alla möjliga tillstånd en partikel kan existera, finns ett alternativt universum där den staten kommer att existera. Återigen är detta nästan omöjligt att testa. Att förstå principen har varit så svår att de flesta forskare har gett upp att räkna ut den och har istället tittat på applikationerna istället, som partikelacceleratorer och kärnfusion (30, 32).

Gravitet på kvantnivå

Ange Sir Roger Penrose. Han är en välkänd och väl respekterad brittisk fysiker och har den potentiella lösningen på detta dilemma: allvar. Av de fyra krafterna som styr universum, de som är starka och svaga kärnkrafter, elektromagnetism och gravitation, har alla utom gravitationen kopplats samman med hjälp av kvantmekanik. Många känner att tyngdekraften behöver revideras men Penrose vill istället titta på tyngdkraften på kvantnivå. Eftersom tyngdkraften är en så svag kraft bör allt på den nivån vara försumbar. Penrose vill istället att vi ska undersöka det, för alla föremål kommer att varva rymden. Han hoppas att de till synes små krafterna faktiskt arbetar mot något större än vad som kan antydas på nominellt värde (30. 33).

Om partiklar kan överlagras, hävdar han att deras tyngdkraftsfält också kan vara. Energi behövs för att upprätthålla alla dessa tillstånd och ju mer energi som levereras, desto mindre stabilt är hela systemet. Dess mål är att uppnå den största stabiliteten, och det innebär att komma till det lägsta energitillståndet. Det är staten det kommer att bosätta sig i. På grund av att de små världspartiklarna finns i har de redan låg energi och kan därför ha stor stabilitet, vilket tar längre tid att falla i ett stabilt läge. Men i makrovärlden finns massor av energi, vilket innebär att dessa partiklar måste bo i ett enda tillstånd och detta händer mycket snabbt. Med denna tolkning av superpositionprincipen behöver vi varken Köpenhamn-tolkningen eller teorin om många världar. Faktum är att Rogers idé kan testas. För en person tar det ungefär ”en biljon-trillionst av en sekund” att falla i ett tillstånd. Men för en dammfläck skulle det ta ungefär en sekund. Så vi kan se förändringarna, men hur? (33).

Experimentet

Penrose har designat en möjlig rigg. Genom att involvera speglar skulle det mäta deras positioner före och efter att ha blivit utsatt för strålning. En röntgenlaser skulle träffa en splitter som skulle skicka en foton till separata men identiska speglar. Den ena fotonen är nu uppdelad i två tillstånd eller i superposition. Var och en kommer att träffa en annan spegel med identisk massa och sedan avböjas tillbaka på samma väg. Här är skillnaden. Om Roger har fel och rådande teori har rätt, så ändrar inte fotonerna efter att ha träffat speglarna, och de kommer att rekombineras vid splitteren och träffa lasern, inte detektorn. Vi skulle inte ha något sätt att veta vilken väg fotonen tog. Men om Roger har rätt och rådande teori är fel, så kommer fotonen som träffar den andra spegeln att antingen flytta den eller hålla den i vila, men inte båda på grund av tyngdkrafts superpositionen som leder till ett slutligt vilotillstånd. Den fotonen kommer inte längre att finnas för att rekombinera med den andra fotonen, och strålen från den första spegeln kommer att träffa detektorn. Småskaliga tester av Dirk vid University of California i Santa Barbara är lovande men måste vara mer exakta. Allt kan förstöra data, inklusive rörelse, bortkommande fotoner och förändring i tid (33-4). När vi väl har tagit hänsyn till allt detta kan vi då säkert veta om tyngdkraftssupositionen är nyckeln till att lösa detta mysterium kvantfysik.

Citerade verk

Folger, Tim. "Om en elektron kan vara på två platser samtidigt, varför kan du inte?" Upptäck juni 2005: 30-4. Skriva ut.

  • Varför finns det inte en balans mellan Matter och Antimat ...
    Enligt den nuvarande fysiken borde lika stora mängder materia och antimateria ha skapats under Big Bang, men det var det inte. Ingen vet säkert varför, men många teorier finns för att förklara det.