‘Tijdpijl bestaat ook op kwantumniveau’

Share Button
De vergelijkingen van de kwantummechanica hebben geen tijdpijl: zijn omkeerbaar in de tijd. Lange tijd werd daarom gedacht dat entropie, ruwweg te vertalen als wanorde, alleen op grotere schaal voorkomt. Dat blijkt niet te kloppen.

Tijdpijl aangetroffen
Het is erg lastig om thermodynamische processen in een kwantumsyteem waar te nemen. Tot nu toe is dit daarom niet gedaan. In een experiment maten de onderzoekers de verandering in entropie die optreedt, als het koolstofatoom dat het hart vormt van CCl4, het chloroformmolecuul, blootgesteld worden aan een wisselend magnetisch veld. Het chloroform werd gekoeld tot vlak bij het absolute nulpunt.
De proefopstelling. Bron: [1]

De proefopstelling. Bron: [1]

Voor dit experiment maakten de onderzoekers gebruik van koolstof met een extra neutron in de kern, 13C in plaats van de ‘normale’ 12C dus. Atoomkernen kunnen twee verschillende richtingen op tollen: de spin. Dit komt neer op: met het magnetische veld mee of er tegenin.

Atomen springen naar de laagste energietoestand, waarin de spin evenwijdig is met het magnetische veld. Als het magnetisch veld ompoolt, flippen ook de atoomkernen mee. In het experiment verliep dit proces extreem snel, zodat de atoomkernen het niet direct bij konden houden.

Als het omkeren van de procedure mogelijk was, zou de spin zijn oorspronkelijke waarde weer aan hebben genomen, maar interessant genoeg gebeurde dat niet. De metingen aan de spin wezen er op dat de entropie was toegenomen. Klaarblijkelijk is dit kwantum-thermodynamische systeem irreversibel (niet-omkeerbaar). Dit op atoomkernniveau. Met andere woorden: een tijdpijl op kwantumniveau. Iets wat niet wordt voorspeld door de kwantummechanica.

Waar komt deze tijdpijl vandaan?
De kwantummechanische vergelijkingen, zoals de Schrödingervergelijking, zijn alle volstrekt omkeerbaar. Hoe komt met dat zelfs op het niveau van een enkele atoomkern er toename in de entropie ontstaat? Welke onbekende natuurwet is hier verantwoordelijk voor?

‘Kwantummechanische formules alleen geldig bij evenwicht’
Volgens de onderzoekers is het antwoord op deze vraag: de afhankelijkheid van de beginvoorwaarden. In een systeem waarom geen entropietoename mogelijk is, gelden de formules zonder meer. Als een systeem ver uit evenwicht is, zoals in dit experiment, zullen onomkeerbare processen optreden. Wat de onomkeerbaarheid precies veroorzaakt en de tijdpijl tot leven wekt, blijkt niet uit dit experiment.

Uit fundamenteel-wetenschappelijk oogpunt is dit onderzoek buitengewoon interessant en zal tot talrijke nieuwe ontdekkingen en technieken leiden. Helaas kijken de toekenners van onderzoeksbudget voornamelijk naar de onmiddelijk praktische toepasbaarheid. De onderzoekers denken dat dit nieuwe inzicht nuttig is voor het ontwikkelen van kwantumtechnologie, die de beperkingen van klassieke technologie kan overwinnen. Nu technologie steeds kleiner wordt (Silicon Valley hanteert nu een roadmap waarin rond 2020 de minimum afstand in een chip kleiner wordt dan 7 nanometer (rond de 35 atoombreedtes)), is inzicht in kwantummechanische processen van fundamenteel belang. Dat geldt ook voor andere nanotechnologie.

Bron:
1. T. B. Batalhão, et al. “Irreversibility and the Arrow of Time in a Quenched Quantum System.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.190601
Share Button

Germen

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

Dit vind je misschien ook interessant:

4 reacties

  1. bemoeier schreef:

    Misschien moet het maar een aparte wetenschap worden waarin ook geld kan verdiend worden met iets anders.
    Met beleggen ofzo misschien, om het te financieren.
    Weg met die afhankelijkheid van geldschieters.

    • Germen schreef:

      Mijn idee inderdaad. Geld dat wordt geïnvesteerd in fundamenteel onderzoek zoals dit brengt zijn geld altijd vele malen op. Alleen niet voor degene die het onderzoek doet. Het moet denk ik net zo gezien worden als ontwikkelingshulp, of bestrijden van de klimaatverandering. Investeren in de toekomst van de mensheid.

  2. Qvic schreef:

    Dit is een interessant onderwerp, want met deze techniek zou het eventueel mogelijk zijn om verbindingen met andere elementen tot stand te brengen, die anders nooit tot stand kunnen komen.

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger