kwantummechanica – Pagina 4

Bolletje is op twee plaatsen tegelijkertijd

9 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 21 juli 2011 24 juli 2011

Een ambitieus experiment om een glazen bolletje op twee plaatsen tegelijk te laten zijn, zal de meest gevoelige test van kwantumtheorie ooit worden. Het experiment zal een bolletje dat uit miljoenen atomen bestaat op meerdere plaatsen tegelijkertijd laten bestaan.

SchrÃ¶dingers Kat

Erwin SchrÃ¶dingers gedachtenexperiment. De kat sterft als het radioactieve atoom uiteenvalt, een kwantumproces. Zolang de doos met de kat erin niet wordt geopend of gemeten, is de kat zowel levend als dood. Maar klopt dat wel?

In de zeventig jaar sinds Erwin SchrÃ¶dingers geruchtmakende gedachtenexperiment, waarin een kat zowel levend als dood kan zijn, hebben natuurkundigen zich afgevraagd of je een groot object – een kat of een mens bijvoorbeeld – zich als een kwantumobject kan laten gedragen. Nu wordt de proef op een tot dusver ongekende schaal op de som genomen. Een glazen bolletje met een diameter van 40 nanometer – enkele honderden atomen breed – wordt met een laser bestookt. Het bolletje bevindt zich in een kleine holte waarin het heen en weer kan stuiteren. Omdat licht kwantumeigenschappen heeft, zal dit ook gevolgen hebben voor het bolletje. Dat moet in een kwantumsuperpositie veranderen – een staat waarin het bolletje op meerdere plaatsen tegelijkertijd bestaat.

Het experiment zal uit worden gevoerd in diep vacuüm en bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt om te voorkomen dat warmte of luchtmoleculen het experiment verstoren, aldus hoofdauteur Oriol Romero-Isart van het Max Planck Institut van Quantumoptica in het Duitse Garching.

Geen overlap

Vorig jaar toonde Aaron O’Connell en zijn collega’s van de Universiteit van California, Santa Barbara, aan dat ook een 60-micrometer lange metalen strip in een kwantumgolf is om te zetten. De werkelijke afstand waarover de kwantumgolf zich uitstrekte was ehter maar zeer klein: een femtometer, de diameter van een atoomkern (dus honderdduizend maal kleiner dan een atoom).

In het nieuwe experiment zal het glazen bolletje tegelijkertijd in twee heel verschillende plaatsen bestaan. Plaatsen die verder van elkaar verwijderd zijn dan de grootte van het bolletje. Het bolletje bestaan dan dus werkelijk op meerdere plaatsen tegelijk. Eerdere pogingen bevestigden de kwantummechanica. Het is zelfs met fullerenen, ook wel bekend als de moleculaire voetbal, gelukt. Fullerenen bestaan uit bijna honderd koolstofatomen. Dit nieuwe geplande experiment bereikt dit effect voor het eerst met een echt macroscopisch object. De grote vraag: zal kwantummechanica ook op deze grote schaal nog steeds kloppen, of uiteen rafelen?

Het Romero-Isart experiment zal ons “substantieel voorbij de huidige stand van wetenschap” brengen, aldus fysicus Anthony Leggett. Pas nu kunnen goed ontwikkelde concurrerende alternatieven voor kwantummechanica op de proef worden gesteld. Lukt het op de een of andere manier om ook echt grote objecten zich op een kwantummanier te laten gedragen, dan ligt de weg ook open voor nog extremer toepassingen. Zou het bijvoorbeeld niet handig zijn om net als een kwantumdeeltje door een dichte deur te kunnen tunnelen?

Bronnen
1. Large Quantum Superpositions and Interference of Massive Nanometer-Sized Objects, Physical Review Letters (2011), vrij toegankelijke preprint op Arxiv (tip)
2. How to be in two places at the same time, New Scientist

Kwantumverstrengeling maakt dat twee deeltjes een bizarre invloed op elkaar hebben.

Kwantumverstrengeling gedurende een uur bereikt

1 reactie / Wetenschap / Door Germen Roding / 19 juli 2011 20 juli 2011

Kwantumverstrengeling, door Einstein aangevoerd om kwantummechanica onderuit te halen, is een raadselachtige onderlinge band tussen twee kwantumdeeltjes. Als aan één deeltje een meting wordt gedaan, zijn de eigenschappen van het andere deeltje precies bekend. Hoe ver de deeltjes ook van elkaar verwijderd zijn. Onderzoekster Hanna Krauter van de universiteit van Kopenhagen is er in geslaagd twee extreem koude wolkjes atomen voor meer dan een uur met elkaar verstrengeld te houden. Een wetenschappelijke doorbraak die tot nu toe voor onmogelijk werd gehouden. Hoe kregen ze het voor elkaar?

Als een gas van bepaalde atomen, zoals cesium, zeer koud wordt, verliezen de atomen hun identiteit en smelten ze samen tot één geheel, het Bose-Einstein condensaat. Ze reageren dan tegelijkertijd op een gebeurtenis. Het team baadde twee ijskoude wolkjes cesium die zo’n bizar condensaat vormden, in een laserstraal, die hun collectieve spin tegelijkertijd in lijn brengt. Dit verstrengelt de wolkjes. Maar de wolkjes zenden fotonen uit die de verstrengeling laten weglekken. De truc van het team is de verloren verstrengeling weer aan te vullen. Hoe, zal worden beschreven in een artikel van Physical Review Letters, maar heeft waarschijnlijk te maken met de laserstraal.

Recordbreker

De beste poging tot nu toe hield het enkele seconden uit. Met de nieuwe techniek heeft het team alle pogingen hiervoor om kwantumverstrengeling in stand te houden met factor duizend overtroffen: de verstrengeling bleef langer dan een uur in stand. Hoewel de techniek in theorie bekend was, is deze nog nooit eerder in de praktijk gebracht. Deze doorbraak helpt kwantumverstrengeling te veranderen in iets dat ook werkelijk in de industrie of in het dagelijks leven te gebruiken is. Zo kunnen er nu kwantum-routers voor een kwantuminternet gebouwd worden. Ook het bouwen van een kwantumcomputer is nu veel makkelijker geworden. Als kwantumcomputers met behulp van kwantumrouters met elkaar kunnen communiceren, explodeert hun rekenkracht.

Kwantumrouters werken als ‘normale’ internetrouters, een soort verkeerscontroleurs op internet die signalen ontvangen, versterken en doorsturen. Normale routers werken niet bij kwantumsignalen, waarbij de kwantumeigenschappen, waaronder de verstrengeling behouden moet blijven. Dit zou wel eens de doorbraak kunnen zijn waarop bouwers van kwantumrouters hebben gehoopt.

Bron
How to make quantum entanglement last, New Scientist (2011)

Het mogelijke uitzicht vanaf een exoplaneet op een zwart gat in het centrum van melkwegstelsel NGC 4261. Bron: NASA

‘Zwarte gaten hebben grootte in vaste stappen’

1 reactie / Wetenschap / Door Germen Roding / 10 juli 2011 10 juli 2011

Uit een theoretische analyse blijkt, dat zwarte gaten een doorsnede hebben die uit veelvouden van de Plancklengte bestaat. Hier kunnen we sporen van zien in de LHC-botsingen. En over de LHC gesproken: is die wel veilig, of moeten we ons zorgen maken?

Massa zwarte gaten evenredig aan doorsnede
Zwarte gaten, restanten van ineengestorte sterren waar zelfs licht niet aan kan ontsnappen, hebben een merkwaardige eigenschap. Hun doorsnede is recht evenredig met hun massa. Een zwart gat van één zonsmassa heeft bijvoorbeeld een doorsnede van drie kilometer, van twee zonsmassa’s van zes kilometer enzovoort. Dus stop je twee keer zo veel massa in een zwart gat, dan wordt het volume acht keer zo groot. Zwarte gaten kunnen ook zeer klein zijn.

Zwarte gaten hebben discrete massa

Georgi Dvali en zijn collega’s van de Ludwig-Maximilians-UniversitÃ¤t in het Duitse München hebben nu nog een eigenschap ontdekt. Volgens deze mensen moeten zwarte gaten die zich op kwantumschaal vormen, ook gekwantificeerde massa’s hebben. Met andere woorden: een zwart gat kan alleen een veelvoud van een bepaalde elementaire massa bevatten. Hun redenering is opmerkelijk simpel. Als de massa van een zwart gat niet gekwantificeerd is, kan de massa werkelijk elke waarde aannemen. Als dat het geval zou zijn, zou de productiesnelheid van micro-zwarte gaten oneindig zijn. Ze kunnen zich bij elke botsing en bij elke energie vormen. Omdat dat duidelijk niet het geval is, moeten zwarte gaten gekwantificeerd zijn. Dvali en zijn mede-auteurs denken dat dit veelvouden van de Plancklengte moeten zijn. het is alleen niet duidelijk hoe dit zwarte gaten beïnvloedt die in en uit het bestaan springen.

LHC als bron voor zwarte gaten
Dvali en consorten denken dat micro-zwarte gaten het eerste op zullen duiken in hun laagste kwantumstaat (dus elementaire massa) in de enorme deeltjesversneller LHC in de vorm van een zogeheten kwantumresonantie, wat deeltjesfysici een bobbel in hun data noemen. Dit zou oorspronkelijk moeilijk te onderscheiden zijn van een ‘gewoon’ deeltje, maar hogere-energie experimenten moeten ook zwarte gaten in hogere energietoestanden (m.a.w. met meer massa) opleveren. Op dit moment is er nog geen manier om uit te werken bij welke energie we ze precies zullen waarnemen, aldus de auteurs. Ook blijkt de Plancklengte helemaal niet zo fundamenteel als hiervoor gedacht. Zolang nog niemand een zwart gat met eigen ogen waar heeft genomen, zullen de speculaties nog wel even blijven.

Is het LHC veilig?
Sommigen speculeren dat het LHC wel eens niet veilig zou kunnen zijn. Weliswaar voorspelde Hawking dat zwarte gaten uiteenvallen door het uitzenden van straling omdat ze een temperatuur hebben, maar experimenteel bewijs hiervoor ontbreekt vooralsnog. Sterker nog: we nemen raadselachtige kosmische straling waar die meer dan een miljoen maal zo krachtig is als zelfs de LHC kan produceren. Als iets een zwart gat is, dan zou dat het wel moeten zijn. Was er inderdaad wat gebeurd, dan hadden we dat ook snel gemerkt. Bijvoorbeeld omdat we op een dag wakker worden terwijl de aarde om ons heen verdwenen is…

Bronnen
1. Gia Dvali, Cesar Gomez, Slava Mukhanov, Black Hole Masses are Quantized, ArXiv, 2011
2. Black Hole Mass Must Be Quantized, Say Physicists, MIT Technology Review Arxiv Blog, 2011

Luskwantumzwaartekracht sneuvelt

5 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 1 juli 2011 18 december 2021

Volgens sommige natuurkundige theorieën, zoals luskwantumzwaartekracht en sommige varianten van de snaartheorie, is ruimte en tijd op de extreem kleine afstand van Planck korrelig. Dat zou moeten blijken uit verschillen tussen gammastraling met hoge en lage energie die miljarden jaren heeft gereisd. European Space Agency’s Integral gamma-ray observatory toont echter geen verschillen. Er zijn dus helemaal geen korrels, of ze zijn veel en veel kleiner dan tot nu toe gedacht. Dus exit luskwantumzwaartekracht. Ruimtetijd is duidelijk nog veel vreemder dan we ons tot nu toe voor konden stellen…

De koude oorlog tussen kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie

Alle natuurkunde zoals we die op dit moment kennen, berust op twee grote theorieën. De algemene relativiteitstheorie van Einstein, die de zwaartekracht beschrijft en de kwantummechanica, die in drie (of twee) versies voorkomt: QED (voor elektromagnetisme) en QCD, voor de sterke kernkracht. De zwakke kernkracht is samengevoegd met de elektromagnetische kracht in de zogeheten elektrozwakke wisselwerking. Deze kwantumtheorieën samen heten het Standaardmodel.
Het goede nieuws is dat alle tot nu toe bekende natuurkundige verschijnselen met deze twee theorieën zeer nauwkeurig beschreven kunnen worden. Wel moeten er heel wat natuurconstanten kunstmatig ingevoerd worden. Denk aan dingen als de massa van een elektron of de sterkteverhouding tussen krachten. Iets wat natuurkundigen een gruwel is. Dat riekt immers naar knoeien. Het slechte nieuws is dat de algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica, voorzichtig uitgedrukt, niet dol op elkaar zijn. Elke poging deze twee samen te voegen leidt tot wiskundige nachtmerries. Einstein stierf terwijl hij tevergeefs probeerde de Theorie van Alles te vinden.

De Theorie van Alles
Er zijn twee scholen in de kwantumzwaartekracht: natuurkundigen die uitgaan van Einsteins algemene relativiteitstheorie en van daaruit de kwantummechanica proberen te verklaren en natuurkundigen die uitgaan van kwantummechanica en daaruit de relativistische theorie proberen te verklaren. De voornaamste ‘contenders’ in de strijd om de Theorie van Alles zijn de snaartheorie (waar er overigens zeer veel van zijn) en de luskwantumzwaartekracht. De snaartheorie komt van oorsprong uit de deeltjesfysicahoek en gaat dus uit van het Standaardmodel, de luskwantumzwaartekrachtstheorie gaat uit van de algemene relativiteitstheorie.

Voorspelling luskwantumzwaartekracht komt niet uit
Luskwantumzwaartekracht voorspelt dat de ruimte op zeer kleine schaal uit ondeelbare korrels bestaat: ‘atomen’ dus van ruimtetijd. Deze ‘korrels’ zijn zo groot als de Plancklengte: een onvoorstelbaar kleine 1,6 * 10^-35 meter. Ter vergelijking: als een proton zo groot zou zijn als de aarde, zou deze lengte ongeveer honderd protonen achter elkaar zijn. Deze atomen verstoren extreem energierijke deeltjes. Hoe energierijker een deeltje, des te korter de golf die er bij hoort en hoe groter de effecten van de ruimtetijdkorrels worden. Het gevolg is dat zeer energierijke gammastraling meer verstoord wordt door de ruimtetijdatomen dan weinig energierijke gammastraling. Door gammaflitsen waar te nemen van miljarden lichtjaren afstand, worden de effecten van de ruimteatomen sterk vergroot.

Verwerping luskwantumzwaartekracht bewijst dat het hier om een volwaardige natuurkundige theorie ging
Helaas voor de aanhangers van de luskwantumzwaartekracht: er blijken geen verschillen te zijn. Zowel energierijke als energiearme gammastraling blijken even sterk verstrooid te worden. Er is zelfs een nieuwe bovenlimiet voor de grootte van ruimteatomen: 10^-48 m. Dat is tien biljoen maal kleiner dan de “limiet” van de Plancklengte. Kortom: exit loop quantum gravity. Een bittere pil voor LQG-grootheden als Smolin en de zijnen. Toch kunnen deze mensen op één ding terecht trots zijn. Hun theorie was in tegenstelling tot de snaartheorie, experimenteel te verwerpen. Dat is nu ook gebeurd. Zoals een echte wetenschappelijke theorie betaamt.

Er is helaas geen fysisch experiment te bedenken waarmee de snaartheorie is te verwerpen. Lees deze interessante column: string theory: not even wrong. De snaartheorie is maar op één manier om zeep te helpen: Occams Scheermes.

Bron:
Quantum ‘Graininess’ of Space at Smaller Scales? Gamma-Ray Observatory Challenges Physics Beyond Einstein (Science Daily, 2011)

Hoe zou onze ruimte er uit zien als we een gebroken aantal dimensies hebben? Bron: visualparadox.com

Gebroken dimensies kunnen experimenteel aangetoond worden

2 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 28 juni 2011 28 juni 2011

Hoe zou het leven zijn in een wereld waarin er geen drie dimensies bestaan, maar 2,9 of 3,4? Daar kunnen we nu eindelijk achter komen, zegt een natuurkundige.

In de jaren twintig ontwikkelden de natuurkundigen Theodor Kaluza and Oskar Klein een theorie die Maxwell’s theorie van elektromagnetisme en Einsteins relativiteitstheorie met elkaar in overeensteming bracht. Een indrukwekkende prestatie met één nadeel: in hun model had ruimtetijd vijf dimensies. Kaluza en Klein bedachten hier echter een oplossing voor. Ze veronderstelden dat de vijfde dimensie zeer klein is opgerold en een afmeting heeft ter grootte van de Plancklengte, 10^-35 m. Stel dat je in een ruimte zou leven waarin één dimensie tien meter lang is (bijvoorbeeld recht vooruit). Dan zou je na tien meter vooruit gelopen te hebben, weer op de plaats zijn waar je begonnen bent. Je zou ook de achterkant van jezelf zien. Extra dimensies zijn wiskundig gezien erg handig. Geen wonder dat andere natuurkundigen die ook extra dimensies nodig hadden voor hun theorie, graag van deze methode gebruik maakten.

Een recenter idee is dat de extra dimensie onderdeel is van het ‘kwantumschuim’ omdat alles op die extreem kleine schaal onderhevig is aan kwantumonzekerheid. Een andere manier om dit wiskundig te omschrijven is als ‘gebroken’, of fractal, dimensie: een dimensie die tegelijkertijd bestaat en niet bestaat. Zo is bijvoorbeeld een kustlijn een fractal: de dimensie ligt tussen 1 en 2. Weliswaar is de kustlijn een lijn, maar de lengte hiervan neemt toe tot (in theorie) oneindig als je de kustlijn gedetailleerder beschrijft.

Tot nu toe werd gedacht dat er geen manieren bestonden om het idee van fractale dimensies te bevestigen of verwerpen. De Plancklengte is zo absurd klein dat er geen experiment denkbaar is om hun bestaan aan te tonen. Nu is daar verandering in gekomen. Hongbo Chen van de East China University of Science and Technology in Shanghai zegt dat het mogelijk is toch het verschil te zien. Hij heeft namelijk berekend hoe extra, fractale, dimensies het Casimireffect zouden beïnvloeden. Het Casimireffect zorgt er voor dat twee platen die op zeer korte afstand van elkaar staan, elkaar zeer sterk aantrekken. De oorzaak: de ruimte tussen twee platen is als het ware leger dan normaal, omdat bepaalde virtuele deeltjes zich door de beperkte ruimte niet kunnen vormen. De virtuele deeltjes aan de andere kant van de platen persen de platen op elkaar, ongeveer zoals de luchtdruk een zuignap vastdrukt.

Volgens Cheng geldt, dat als de afstand tussen de platen even grot is als de afmeting van de extra dimensie,die ook de Casimirkracht moet beïnvloeden. In feite zegt hij zelfs dat deze kracht sterker zal zijn als de extra dimensie een geheel getal is, dan als de extra dimensie een fractal is. Het exacte verschil is vanzelfsprekend afhankelijk van de exacte grootte van de breuk, zo zal 3,01 uiteraard minder afwijken dan 3,5.

De hamvraag is natuurlijk of het verschil ondubbelzinnig kan worden gemeten. Als dat kan, hebben we een behoorlijk interessante test van de aard van ruimte-tijd. Er is echter een probleem. De Casimirkracht meten is extreem moeilijk. De Casimirkracht is zo klein dat het pas in 1997 gelukt is deze te meten. Geen fysicus, Cheng incluis, durft het aan een voorspelling te doen over de grootte van de nieuwe kracht. Als deze dimensies inderdaad zo klein zijn als de Planckschaal, zal het extreem moeilijk zijn de effecten te meten. Ook wordt de Casimirkracht op een dergelijke kleine schaal extreem groot, deze neemt namelijk toe met de omgekeerd vierde macht van de afstand. Hier zal dus een indirecte methode moeten worden gebruikt.

Bron:
The Casimir Effect For Parallel Plates In The Spacetime With A Fractal Extra Compactiï¬ed Dimension

Het statische Casimir-effect perst twee platen vlak bij elkaar op elkaar. Er is ook een dynamisch Casimireffect.

Licht uit het niets: dynamisch Casimir-effect aangetoond

4 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 26 mei 2011 26 mei 2011

Door een truc toe te passen, konden onderzoekers een spiegel met relativistische snelheid laten bewegen en zo licht produceren uit het niets.

Het statische Casimir-effect perst twee platen vlak bij elkaar op elkaar. Er is ook een dynamisch Casimireffect.

Casimir-effect
Het vacuüm is minder leeg dan het lijkt. Omdat kwantummechanisch gezien niet is uit te sluiten dat deeltjes gedurende een zeer korte tijd bestaan, worden er voortdurend paren deeltjes en antideeltjes uit het niet s gecreëerd. De effecten hiervan zijn te meten. Op zeer kleine afstanden zorgen ze er bijvoorbeeld voor dat twee platen met zeer grote kracht worden aangetrokken: het statische Casimir-effect. De resulterende kracht ontstaat omdat de ruimte tussen de twee platen “leger” is dan de rest van het vacuüm, omdat zich in de nauwe ruimte minder deeltjesparen kunnen vormen dan in normale lege ruimte. De virtuele deeltjes rond de rest van de platen drukken de platen daarom op elkaar. Dit effect, voorspeld door de Nederlander Hendrik Casimir in de veertiger jaren, is al in 1998 aangetoond.

Spookachtig licht
Er bestaat ook een minder bekend effect: het dynamische Casimir-effect. Als een spiegel met snelheden beweegt in de buurt van de snelheid van het licht, kunnen virtuele deeltjesparen zich als het ware niet meer goed aanpassen. Sommige virtuele deeltjes raken hun partner kwijt voor ze elkaar kunnen vernietigen en worden daardoor reëel. Als gevolg daarvan begint de spiegel (of liever gezegd: het vacuüm op nanometers afstand van de spiegel) spookachtig licht uit te zenden.

Aldus de theorie. Het probleem is dat het buitengewoon lastig is iets dat groter is dan een atoomkern met relativistische snelheden te laten bewegen. Een groep Zweedse onderzoekers is er nu toch in geslaagd, door gebruik te maken van een handig foefje. Hiervoor maakten ze gebruik van een SQUID, een zeer gevoelige magnetometer. Door een zeer hoogfrequente wisselspanning op een SQUID te zetten, leek een transmissiedraad die met de SQUID verbonden was, met ongeveer vijf procent van de lichtsnelheid te bewegen. Voldoende om het dynamische Casimir-effect op te wekken. Verwacht geen nieuw type stardrive met deze techniek: de draad bewoog ongeveer een nanometer, minder dan tien waterstofatomen breed.

En inderdaad namen de onderzoekers microgolfstraling (de radiostraling die onder andere in magnetrons vrijkomt) waar. Hun conclusie was dan ook kort maar krachtig: “We geloven dat deze resultaten de eerste waarneming van het dynamische Casimireffect zijn.”

Bron:
Arxiv.org
MIT Technology Review, ArXiv Blog

‘Veel-werelden kwantuminterpretatie betekent multiversum’

5 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 23 mei 2011 23 mei 2011

Misschien ben je in een alternatief universum schatrijk of werk je in een droombaan. De veel-wereldeninterpretatie van de kwantummechanica is op dit moment erg populair onder natuurkundigen. Volgens deze interpretatie betekent elke kwantummeting dat ons heelal zich in meerdere heelallen afsplitst. Susskind en Bousso, wereldberoemd onder snaartheorie-adepten, hebben nu aangetoond, dat als de veel-wereldeninterpretatie klopt, er heelallen naast het onze moeten bestaan. Als ze gelijk hebben, kunnen we hiermee mogelijk op een dag in contact treden en is dat in het vroege verleden van het heelal al gebeurd…

SchrÃ¶dingers kat en de veel-werelden interpretatie

Erwin SchrÃ¶dinger bedacht een nogal sadistisch gedachtenexperiment waarbij een kat zowel dood als levend is.

De veel-werelden interpretatie is bedacht om de beruchte kwantumparadoxen op te lossen. In een gedachtenexperiment van kwantumfysicus Erwin SchrÃ¶dinger werd een kat opgesloten in een kist. In de kist bevindt zich ook een radioactief atoom en een geigerteller. Als het atoom uiteenvalt, een onvoorspelbaar kwantumproces, dan krijgt de geigerteller een signaal en komt er gifgas vrij, waardoor de kat sterft. Valt het atoom niet uit elkaar, dan blijft de kat leven. De stelling van SchrÃ¶dinger is: zolang er geen meting wordt verricht (de kist wordt geopend), is de kat zowel dood als levend.

Een bizarre uitkomst. Vandaar dat onder meer de veel-werelden interpretatie is ontwikkeld. Volgens de veel-werelden interpretatie splitst de wereld in twee universums op het moment dat de meting plaatsvindt: één waarin de kat leeft en één waarin de kat dood is. Volgens de veel-werelden interpretatie zijn er dus oneindig veel parallelle werelden. Omdat de veel-werelden interpretatie het makkelijkste rekent en geen andere bizarre aannamen met zich meebrengt, is de interpretatie onder natuurkundigen erg populair.

Veel-wereldeninterpretatie betekent multiversum?
Fysici Leonard Susskind van Stanford University in Palo Alto en Raphael Bousso at the University of California, Berkeley hebben nu in een artikel aangetoond dat het multiversum en de veel-wereldeninterpretatie onder bepaalde voorwaarden formeel equivalent zijn. Is de veel-wereldeninterpretatie waar, dan moet er ook een multiversum bestaan. Sterker nog: de waarschijnlijkheidsfuncties van de kwantummechanica worden alleen echt ‘mechanisch’, dus betekenisvol, als het multiversum hierbij in aanmerking wordt genomen.

Lopen er in een parallel universum dubbelgangers van jou en mij rond? Ja, veronderstellen twee fysici.

Causale diamant
Decoherentie – een andere interpretatie die nu erg populair is, die er op neerkomt dat de omgeving het meetresultaat oplegt (de omgeving bepaalt in deze interpretatie of het atoom uit elkaar valt en dus of de kat sterft) – achten ze subjectief. Hiervoor moet een (niet nader gespecificeerde) “omgeving” wordt geïntroduceerd waar geen uitspraken over worden gedaan. In feite is, stellen ze, is decoherentie afwezig als de gehele toekomstige “gebeurteniskegel” (alle gebeurtenissen die causaal beïnvloed worden door een bepaalde kwantumgebeurtenis, zoals het verval van het radioactieve atoom) maar volledig wordt meegenomen in een berekening. Bousso noemt dit gebied de causale diamant. het tweetal stelt: stop alle denkbare causale diamanten bij elkaar in één verzameling en ziedaar: je multiversum.

Volledige kwantumineenstorting werkt alleen als het systeem oneindig groot is
De redenatie die Bousso en Susskind volgen is, dat alleen als de causale diamant oneindig groot is, uitkomsten van kwantummetingen exact bepaald zouden kunnen zijn. Anders is de informatieinhoud van de causale diamant niet oneindig groot, en kan de meetonzekerheid niet tot een oneindig klein punt instorten (Het is bij de heren klaarblijkelijk niet opgekomen dat wellicht bij een kwantummeting de instorting niet tot een punt, maat tot een zeer nauwkeurig betrouwbaarheidsgebied plaatsvindt; wat dit punt zou ontkrachten).

Ze hebben een andere oplossing bedacht: ‘hats’, hoeden. Dit zijn supersymmetrische delen van het multiversum met een kosmologische constante van nul (en een oneindig aantal deeltjes) die om de causale diamant heen liggen, ongeveer zoals kosmologen tot voor kort dachten dat ons heelal in elkaar zit. Ze introduceren een complementariteitsprincipe dat er voor zorgt dat het oneindige aantal deeltjes in de “hoed” toch de kwantumonzekerheid tot nul kan laten ineenstorten, via het zelfs voor een wiskunde-hater eenvoudig te begrijpen rekensommetje: 1/oneindig = 0.

Dit zou betekenen dat de sporen van andere universa, die in de kosmische achtergrondstraling waar zijn genomen, in feite versies van ons eigen universum zijn, die in een vroeg stadium zijn afgesplitst.

Bron
R. Bousso en L. Susskind, The Multiverse Interpretation of Quantum Mechanics, Arxiv.org

Antizwaartekracht: als de onderste plaat precies in de juiste frequentie trilt, krijgen de neutronen een zetje naar boven.

Antizwaartekracht-experiment op kwantumschaal

2 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 4 mei 2011 4 mei 2011

Door een plaat te laten trillen kunnen onderzoekers neutronen laten zweven. En hierdoor eindelijk voor het eerst rechtstreeks kwantumzwaartekracht onderzoeken. Krijgen we nu eindelijk een goede kwantumzwaartekrachttheorie en kunnen we zwaartekracht leren temmen?

Kwantumzwaartekracht
Zwaartekracht is de oudst bekende en tegelijkertijd slechtst begrepen kracht in de natuur. Zwaartekracht vaststellen op kwantumschaal straat hoog op het verlanglijstje van natuurkundigen. Geen wonder. Einsteins algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica zijn nauwelijks met elkaar in overeenstemming te brengen, dus experimentele data op kwantumniveau zijn absoluut noodzakelijk. Een probleem is alleen dat bij geladen deeltjes de elektromagnetische effecten veel sterker zijn dan de invloed van zwaartekracht. Het ligt dus voor de hand om met neutronen te werken: elektrisch neutraal, ongeveer even zwaar als een proton en niet al te radioactief (de halfwaardetijd van een neutron is ongeveer tien minuten). Helaas zijn neutronen daardoor ook ongevoelig voor de elektrische en magnetische velden die gewoonlijk worden gebruikt om deeltjes gevangen te houden.

Antizwaartekracht: als de onderste plaat precies in de juiste frequentie trilt, krijgen de neutronen een zetje naar boven.

Trillingen wekken antizwaartekrachteffect op
Voor ons in het dagelijks leven is zwaartekrachtenergie continu. Tussen twee horizontale platen wordt de zwaartekrachtsenergie van kwantumdeeltjes echter discreet, wat wil zeggen dat ze alleen in stapjes toe- of af kan nemen. Dit is wat bij een Frans-Oostenrijks experiment gebeurt. Neutronen worden sterk gekoeld (dus ongeveer stilgezet) en tussen twee platen gebracht.
Eén van de platen vibreert in een precies bepaalde frequentie. Als deze frequentie overeenkomt met het energieverschil tussen twee zwaartekrachts-kwantumstaten, wordt het neutron in de hogere-energie staat gebracht. In de praktijk komt dit neer op: een hogere positie. Trillingen laten het neutron dus zweven en werken dus als anti-zwaartekracht. Meten bij welke frequentie deze excitatie plaatsvindt, onthult precies het exacte energieverschil tussen de zwaartekrachts-kwantumstaten.

Traagheid en zwaarte op kwantumschaal nog gelijk aan elkaar?
Zware objecten hebben twee fundamentele eigenschappen. Ze zijn traag (het kost moeite ze in beweging te krijgen) en ze zijn zwaar (gevoelig voor zwaartekracht en wekken zwaartekracht op). Dit is de reden dat lichte en zware voorwerpen even snel naar beneden vallen. Immers, als de zwaartekracht twee keer zo sterk wordt, wordt ook de traagheid twee keer zo groot. Dat deze twee grootheden fundamenteel aan elkaar gelijk zijn heet het equivalentieprincipe en is een hoeksteen van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Geen wonder dus dat natuurkundigen heel graag willen weten of het equivalentieprincipe op kwantumschaal nog op gaat. Proefnemingen doen op kwantumschaal (zoals bij deze proef) kan deze vraag beantwoorden.

Is het aantal dimensies op kwantumschaal nog steeds drie?
Ook kan op kwantumschaal worden vastgesteld of de ruimte op zeer kleine afstanden een ander aantal dimensies heeft. Sommige varianten van de snaartheorie voorspellen bijvoorbeeld, dat op zeer kleine afstanden er meer dan drie ruimtedimensies plus een tijddimensie is (om precies te zijn: zeven of meer extra, opgevouwen dimensies) waardoor de zwaartekracht “weglekt” en dat dit verklaart waarom zwaartekracht zo zwak is. Als dit klopt, moet de zwaartekracht op kwantumniveau sterker zijn dan normaal. De kwantumenergieniveaus zullen dan verschillen. Heeft daarentegen natuurkundige Dejan Stojkovic gelijk (en metingen aan extreem energierijke kosmische deeltjes wijzen daarop), dan heeft het heelal op zeer kleine schaal juist minder dimensies en zal ook dat de trillingsfrequentie laten afwijken.

“Onze methode, die speciaal ontworpen is voor zeer kleine lengteschalen, kan -als we geluk hebben – ons helpen begrijpen hoe het heelal zelf evolueerde. Hoe dan ook, er staan ons opwindende nieuwe inzichten in zwaartekrachtonderzoek te wachten.” stelt onderzoeksleider prof. Hartmut Abele terecht. Met een eigenlijk verbluffend eenvoudig experiment wordt een stevige koevoet gezet in de kluis met geheimen van Moeder Natuur…

Bronnen:
Nature Physics
Technische UniversitÃ¤t Wien

Twee wolkjes lithium-6 atomen smelten niet samen maar botsen met elkaar.

Kaatsende gaswolken

Laat een reactie achter / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 14 april 2011 14 april 2011

Ongelofelijk maar waar: natuurkundigen zijn er in geslaagd twee ijle gaswolken op elkaar af te laten kaatsen. Hoe kregen ze dat voor elkaar?

Het recept in het kort: men neme een wolkje ultrakoude lithium-6 atomen, minder dan een miljardste kelvin boven het absolute nulpunt. De dichtheid is een miljoenste van die van lucht. Splits de gaswolk met behulp van een magneetveld in deeltjes met een spin omhoog en omlaag. Stuur ze vervolgens op elkaar af.

Onder deze omstandigheden nemen kwantummechanische effecten het over en gebeuren er bizarre dingen. Atomen veranderen in wazige vlekken met een enorme doorsnede. Naar blijkt, stoten de gaswolkjes met spin omhoog en spin omlaag elkaar af. Uiteindelijk mengen ze zich toch, maar dit neemt meer dan een seconde in beslag. Een eeuwigheid, naar kwantummechanische maatstaven. Spin is een kwantummechanische eigenschap die je het beste kan vergelijken met draairichting, zij het een met nogal bizarre eigenschappen. Zo is de spin altijd hetzelfde, van welke richting je ook kijkt. Ook kan de spin alleen in halve of hele eenheden voorkomen.

De atomen in deze gaswolkjes zijn fermionen: een term voor alle deeltjes en samengestelde deeltjes met een oneven spin. Er is namelijk een oneven aantal elektronen (het atoomnummer van lithium is drie). Deeltjes met een even spin zijn bosonen. Helium-4 is bijvoorbeeld een boson, omdat er een even aantal elektronen en kerndeeltjes in voorkomt, helium-3 een fermion, omdat er in helium-3 een oneven aantal deeltjes voorkomt.

In veel opzichten gedragen alle fermionen zich op een vergelijkbare manier (net als voor bosonen onderling geldt). Het gedrag van deze lithiumatomen wordt ook vertoond door andere fermionen, zoals elektronen in een supergeleider en quarks in neutronensterren. Met andere woorden: hiermee hebben de onderzoekers een model gecreëerd dat kan worden gebruikt om het binnenste van neutronensterren of hoge-temperatuur supergeleiders te simuleren.

Ook nemen we hiermee als het ware een kijkje in de zeer verre toekomst, als door de uitzetting van het heelal de achtergrondstraling is afgekoeld tot een miljardste graad boven het absolute nulpunt. Wie weet maakt leven dan gebruik van dit soort bizarre processen.

Bronnen:
MIT
Nature

De Ellsberg paradox. Van de negentig knikkers zijn er gegarandeerd dertig rood. Er kunnen meer zwarte (A) of meer gele (B) zijn.

“Mensen volgen kwantumlogica”

9 reacties / Mensheid, Wetenschap / Door Germen Roding / 13 april 2011 13 april 2011

Al vele jaren is het een raadsel waarom mensen bepaalde onlogische kansbeslissingen maken. Geen wonder, suggereert Belgisch onderzoek. We volgen kwantumlogica.

De Ellsberg paradox. Van de negentig knikkers zijn er gegarandeerd dertig rood. Er kunnen meer zwarte (A) of meer gele (B) zijn.

De experimentele vraag was als volgt. Stel je hebt een pot met hierin negentig knikkers: dertig rood en de overige zestig bestaan uit een onbekende verdeling van zestig zwarte en gele knikkers. Aan de proefpersonen werden twee paren weddenschappen voorgesteld waartussen ze moesten kiezen:
– weddenschap één: tien euro als een knikker die uit de pot wordt gepakt, rood is.
– weddenschap twee: tien euro als de knikker zwart is.
Het tweede paar weddenschappen was:
– weddenschap drie: tien euro als de bal rood of geel is.
– weddenschap vier: tien euro als de bal geel of zwart is.

Weddenschap 1 heeft maar één soort onzekerheid: de kans dat je een rode knikker uit de pot haalt is een derde. Weddenschap 2 kent twee onzekerheden: er is weliswaar tweederde kans dat de knikker geel of zwart is, maar je weet niet hoe de onderlinge verhouding van geel en zwart is. De meeste mensen geven de voorkeur aan weddenschap 1.
Weddenschap 4 heeft net als weddenschap 1 maar één onzekerheid. De onderlinge verdeling van geel en zwart doet bij deze weddenschap immers niet ter zake. Weddenschap 3 kent er twee: weliswaar is de kans dat je een rode bal pakt bekend, een derde, maar de kans dat je een gele bal pakt is dat niet. De meeste mensen geven de voorkeur aan weddenschap 4, waarbij de kans vastligt op 2/3.

Ellsberg paradox
Economen hebben hier de nodige moeite mee. Stel dat iemand namelijk gelooft dat de kans op geel groter is dan de kans op zwart, dan zou het logischer zijn dat iemand die om die reden keuze 1 maakt, ook keuze drie maakt (immers de kans is zo groter dan tweederde). Ze hebben dit raadsel de Ellsberg paradox gedoopt. Het is een van de redenen dat economische beslismodellen van geen kant blijken te kloppen om menselijk gedrag te voorspellen. Volgens boze tongen een belangrijke reden waarom economen recessies nooit zien aankomen.

Kwantumlogica
Het menselijk gedrag blijkt echter nauwkeurig voorspeld te worden door kwantumlogica te hanteren, ontdekten Diederik Aerts en zijn collega’s. Kwantumlogica werkt niet zoals klassieke logica met waar en niet waar, maar met waarschijnlijkheden en correlaties. Hierbij namen ze aan dat mensen zowel kwantumlogica als klassieke logica hanteren. Niemand weet waarom kwantumlogica blijkt te werken, maar dat de nieuwe benadering zal leiden tot heel andere economische en psychologische modellen lijkt zeker.Vermoedelijk zullen ook het handjevol aanhangers van de Orch-OR kwantumbrein-theorie nieuwe moed putten uit deze vondst.

Bronnen
Arxiv blog
Arxiv