Bolletje is op twee plaatsen tegelijkertijd

Share Button

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.

Schrödingers Kat

Erwin Schrödingers 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?

Erwin Schrödingers 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 Schrödingers 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

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

9 reacties

  1. Van Soest schreef:

    Dus wat er nieuw is is de opschaling naar grotere objecten.
    Vraag is; Hoe kan je dat dan observeren? (de observant beïnvloed het experiment toch?)

    Ik dacht altijd te begrijpen dat zodra er een meting gedaan wordt de positie van het object weer op één plek is?

    • Germen schreef:

      Klopt, maar tot die meting plaats heeft gevonden, gedraagt het voorwerp zich nog als een golf. Dus kan het bijvoorbeeld door een barrière heentunnelen. Dat is bijvoorbeeld de manier waarop een scanning-tunnelingmicroscoop werkt. Hoe dichter de punt van de elektronenmicroscoop op het object, hoe meer elektronen “tunnelen”.

  2. lange wapper schreef:

    “Het bolletje zal uit worden gevoerd …..” waarheen ???

  3. Julie schreef:

    Kwantumtunneling wordt vaak verklaard met behulp van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, die een limiet bepaalt hoe nauwkeurig de positie en het momentum van een deeltje kunnen worden gekend op hetzelfde moment. Vandaar dat de waarschijnlijkheid van een deeltje aan de andere kant (bij kwantumtunneling) niet-nul is, wat betekent dat het de barrière zou hebben gekruisd. Hiertoe is het deeltje omgezet in een kwantumgolf.
    Zie ook oscillerende- en exponentiële oplossingen.
    Iets begint in een bepaalde kwantumtoestand (stationaire toestand) en wordt in een kwantumsuperpositie gebracht. Het scannen daarvan moet niet volledig in de kantumtoestand plaatsvinden, maar half in de klassieke, half in de kwantumtoestand, zodanig dat het kwantumonzekerheidsprincipe geen geweld wordt aangedaan. Vanuit de kwantumtoestand krijgt het in positie gebrachte deeltje snelheid (impuls) en richting.
    Hierna kan men locatie op tijdstip, snelheid of combinaties hiervan meten. Maar de constantheid van de snelheid, of willekeurige positie en snelheid, maakt het onzeker. Waarneming verandert alles ook nog.
    —-Met behulp van de Schrödervergelijking kan de golffunctie worden opgelost. Dit is direct gerelateerd aan de kansdichtheid van de positie van het deeltje.
    In de limiet van de grote obstakels, is de kans op tunneling voor hogere en bredere barrières kleiner. De rechthoekige barrière (potentiële barrière) is een eenvoudig model, waarvoor een analytische oplossing bestaat. Ik denk dus dat een mens deze barrière kan nemen :) Andere methoden zijn semi-klassiek:
    Oplossing per Perturbatietheorie,
    Variational Method, Wikipedia
    Quantum Monte Carlo,
    Density Functional Theory,
    WKB benadering,
    Lijst van Quantum-mechanische systemen met analytische oplossingen, Wikipedia,
    Hartree-Fock (HF) methode, zelf-consistente methode veld (SCF),
    Discrete delta-potentiaal methode.

    • Julie schreef:

      De genoemde methoden zijn dus methoden van een deeltje om door een barrière te gaan. De kleine kwantumdeeltjes zijn vanzelf een deeltje/golf dualiteit. Maar een groot macroscopisch deeltje verandert niet zomaar in een golf. Maar bij sterk afkoelen ontstaat het Bose-Einstein condensaat.

  4. Julie schreef:

    Een vraag aan Germen was: is in een golf veranderen en door een barrière gaan de voorwaarde(n) om op twee plaatsen tegelijk te zijn? Antw: Nee, de voorwaarde is geen energie te hebben. Een barrière zorgt juist voor verschillende energieniveaus. Op quantumniveau draait alles om frequenties en resonanties. (muziek der sferen, Pythagoras..)
    Heel interessant, dank je Germen!

  5. Julie schreef:

    Het blijkt zo te gaan:
    het deeltje wordt d.m.v. de laser gekoeld. Vervolgens wordt de laser uitgezet waardoor de golffunctie van het deeltje (de waarschijnlijkheidsgolf) zich uitbreidt. Dan wordt het deeltje d.m.v. een puls aangstraald en wordt door heel veel metingen te verrichten, het interferentiepatroon bepaald. (=Samen-of tegenwerking van verschillende golven.)

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

Advertisment ad adsense adlogger