I vår vardagliga klassiska värld är det du ser vad du får. En boll är bara en boll, och när den lobbar genom luften är dess bana rak och tydlig. Men om den bollen krymptes till storleken av en atom eller mindre, skulle dess beteende förändras till en kvant, luddig verklighet. Bollen skulle existera som inte bara en fysisk partikel utan också en våg av möjliga partikeltillstånd. Och denna våg-partikeldualitet kan ge upphov till några konstiga och smygande fenomen.
En av de främmande utsikterna kommer från ett tankeexperiment som kallas "kvantbombtestaren". Experimentet föreslår att en kvantpartikel, till exempel en foton, skulle kunna fungera som en sorts telekinetisk bombdetektor. Genom sina egenskaper som både en partikel och en våg kunde fotonen i teorin känna närvaron av en bomb utan att fysiskt interagera med den.
Konceptet checkar ut matematiskt och är i linje med vad ekvationerna som styr kvantmekaniken tillåter. Men när det kommer till att stava ut exakt hur en partikel skulle åstadkomma en sådan bombsniffande bedrift, är fysikerna förvånade. Gåtan ligger i en kvantpartikels inneboende skiftande, mellanliggande, odefinierbara tillstånd. Med andra ord, forskare måste bara lita på att det fungerar.
Men matematiker vid MIT hoppas kunna skingra en del av mysteriet och i slutändan skapa en mer konkret bild av kvantmekaniken. De har nu visat att de kan återskapa en analog till kvantbombtestaren och generera det beteende som experimentet förutspår. De har inte gjort det i en exotisk, mikroskopisk, kvantmiljö, utan i en till synes vardaglig, klassisk bordsskiva.
I en artikel publicerad 12 december i Physical Review A , rapporterar teamet att de återskapar kvantbombtestaren i ett experiment med en studie av studsande droppar. Teamet fann att droppens interaktion med sina egna vågor liknar en fotons kvantvåg-partikelbeteende:När droppen släpps in i en konfiguration som liknar det som föreslås i kvantbombtestet, beter sig droppen på exakt samma statistiska sätt som förutsägs för fotonen. Om det faktiskt fanns en bomb i installationen 50 % av tiden, skulle droppen, liksom fotonen, upptäcka den, utan att fysiskt interagera med den, 25 % av tiden.
Det faktum att statistiken i båda experimenten stämmer överens tyder på att något i droppens klassiska dynamik kan vara kärnan i en fotons annars mystiska kvantbeteende. Forskarna ser studien som ytterligare en bro mellan två verkligheter:den observerbara, klassiska världen och det suddigare kvantriket.
"Här har vi ett klassiskt system som ger samma statistik som uppstår i kvantbombtestet, som anses vara ett av kvantvärldens underverk", säger studieförfattaren John Bush, professor i tillämpad matematik vid MIT. "Vi finner faktiskt att fenomenet inte är så underbart trots allt. Och detta är ytterligare ett exempel på kvantbeteende som kan förstås ur ett lokalt realistiskt perspektiv."
Bushs medförfattare är tidigare MIT postdoc Valeri Frumkin.
För vissa fysiker överlåter kvantmekaniken för mycket åt fantasin och säger inte tillräckligt om den faktiska dynamiken från vilken sådana konstiga fenomen förmodas uppstå. 1927, i ett försök att kristallisera kvantmekaniken, presenterade fysikern Louis de Broglie pilotvågsteorin - en fortfarande kontroversiell idé som utgör en partikels kvantbeteende bestäms inte av en immateriell, statistisk våg av möjliga tillstånd utan av en fysisk "pilot en egen våg som leder partikeln genom rymden.
Konceptet diskonterades mestadels fram till 2005, då fysikern Yves Couder upptäckte att de Broglies kvantvågor kunde replikeras och studeras i ett klassiskt, vätskebaserat experiment. Installationen innefattar ett bad av vätska som är gjord för att subtilt vibrera upp och ner, men inte riktigt tillräckligt för att generera vågor på egen hand.
En millimeterstor droppe av samma vätska fördelas sedan över badet, och när den studsar från ytan, resonerar droppen med badets vibrationer, vilket skapar vad fysiker känner till som ett stående vågfält som "piloterar" eller trycker på droppen längs. Effekten är av en droppe som ser ut att gå längs en krusad yta i mönster som visar sig vara i linje med de Broglies pilotvågteori.
Under de senaste 13 åren har Bush arbetat med att förfina och utöka Couders hydrodynamiska pilotvågsexperiment och har framgångsrikt använt uppsättningen för att observera droppar som uppvisar framväxande, kvantliknande beteende, inklusive kvanttunnelering, enpartikeldiffraktion och surrealistiska banor.
"Det visar sig att detta hydrodynamiska pilotvågsexperiment uppvisar många egenskaper hos kvantsystem som tidigare ansågs vara omöjliga att förstå ur ett klassiskt perspektiv", säger Bush.
I sin nya studie tog han och Frumkin på sig kvantbombtestaren. Tankeexperimentet börjar med en konceptuell interferometer – i huvudsak två korridorer av samma längd som förgrenar sig från samma utgångspunkt, vänder sig sedan och konvergerar och bildar en rombliknande konfiguration när korridorerna fortsätter, var och en slutar i en respektive detektor.
Enligt kvantmekaniken, om en foton avfyras från interferometerns utgångspunkt, genom en stråldelare, bör partikeln färdas ner i en av de två korridorerna med lika stor sannolikhet. Under tiden färdas fotonens mystiska "vågfunktion", eller summan av alla dess möjliga tillstånd, ner i båda korridorerna samtidigt.
Vågfunktionen interfererar på ett sådant sätt att partikeln bara dyker upp vid en detektor (låt oss kalla detta D1) och aldrig den andra (D2). Därför bör fotonen detekteras vid D1 100 % av tiden, oavsett vilken korridor den färdades genom.
Om det finns en bomb i en av de två korridorerna, och en foton går ner i denna korridor, utlöser den bomben förutsägbart och installationen sprängs i bitar, och ingen foton detekteras vid någon av detektorerna. Men om fotonen färdas nerför korridoren utan bomben händer något konstigt:dess vågfunktion, när den färdas nerför båda korridorerna, avbryts i en av bomben.
Eftersom det inte riktigt är en partikel sätter vågen inte igång bomben. Men våginterferensen ändras på ett sådant sätt att partikeln kommer att detekteras med lika stor sannolikhet vid D1 och D2. Varje signal vid D2 skulle därför betyda att en foton har detekterat närvaron av bomben, utan att fysiskt interagera med den. Om bomben är närvarande 50 % av tiden, bör den här konstiga kvantbombdetekteringen ske 25 % av tiden.
I sin nya studie satte Bush och Frumkin upp ett analogt experiment för att se om detta kvantbeteende kunde uppstå i klassiska droppar. I ett bad av kiselolja sänkte de en struktur som liknade de rombliknande korridorerna i tankeexperimentet. De hällde sedan försiktigt ut små oljedroppar i badet och spårade deras vägar. De lade till en struktur på ena sidan av romben för att efterlikna ett bombliknande föremål och observerade hur droppen och dess vågmönster förändrades som svar.
Till slut fann de att 25 % av gångerna studsade en droppe genom korridoren utan "bomben", medan dess pilotvågor interagerade med bombstrukturen på ett sätt som sköt bort droppen från bomben. Ur detta perspektiv kunde droppen "känna" det bombliknande föremålet utan att fysiskt komma i kontakt med det.
Medan droppen uppvisade kvantliknande beteende, kunde teamet tydligt se att detta beteende uppstod från droppens vågor, vilket fysiskt hjälpte till att hålla droppen borta från bomben. Denna dynamik, säger teamet, kan också hjälpa till att förklara det mystiska beteendet i kvantpartiklar.
"Inte bara är statistiken densamma, utan vi känner också till dynamiken, vilket var ett mysterium," säger Frumkin. "Och slutsatsen är att en analog dynamik kan ligga bakom kvantbeteendet."
"Det här systemet är det enda exemplet vi känner till som inte är kvantum men delar några starka vågpartiklars egenskaper", säger teoretisk fysiker Matthieu Labousse, från ESPCI Paris, som inte var involverad i studien. "Det är mycket förvånande att många exempel som anses vara speciella för kvantvärlden kan reproduceras av ett sådant klassiskt system. Det gör det möjligt att förstå barriären mellan vad det är specifikt för ett kvantsystem och vad som inte är det. De senaste resultaten av grupp vid MIT driver barriären väldigt långt."
Mer information: Valeri Frumkin et al, Misinferens av interaktionsfri mätning från ett klassiskt 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
Journalinformation: Fysisk granskning A , arXiv
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
