Bilim Adamları, Onlarca Yıl Boyunca Belirlenmesi Zor Olan Tuhaf, 'Görünmez' Kuantum Olayını Ortaya Çıkarmak İçin Su Kullandı

Bir takım fizikçiler 60 yaşındakini yeniden yaratmaya yola çıktı kuantum gizem büyük kullanarak su tankı. Deneyleri beklenen sonuçları verirken aynı zamanda bir gerçeği de ortaya çıkardı: beklenmedik davranış içinde su.

Deney, Aharonov-Bohm etkisine odaklanıyordu. garip kuantum fenomeni Neresi elektronlar bir cevap manyetik alan aslında oradan asla geçmeseler bile. Birinci tahmin 1959'da bu etkinin doğrulanması oldukça zordu çünkü vücutta neden olduğu değişiklikler elektron dalgalar inanılmaz derecede incelikliler.

Elektron ve a kullanmak yerine parçacık hızlandırıcıaraştırmacılardan Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (OIST), Oslo ve Şili'deki işbirlikçileriyle birlikte su dalgalarını kullanarak etkiyi yeniden yarattı ve normalde görünmez olan kuantum etkisini masa üstü deneyinde görünür hale getirdi. Ekip bildirdi bulguları içinde İletişim Fiziği.

1980 tarihli bir fikir modern bir yükseltmeye kavuşuyor

1980'de fizikçi Michael Berry, klasik sistemlerin Aharonov-Bohm etkisini modelleyebileceğini gösterdi. Bu benzetmede, kuantum deneyinde manyetik alan yaratan solenoidin yerini su tankının merkezindeki bir girdap alıyor. Su dalgaları elektronların yerini alır. Bu dalgalar girdabın içinden geçmek yerine etrafından dolaştıklarında ölçülebilir bir bozulma elde ederler. Bu, dalga cephelerinde dirgen şeklinde bir desen olarak görünüyor ve girdabın doğrudan temas olmadan dalgaların fazını değiştirdiğini gösteriyor. OIST ekibi yeni bir senaryoyu test ederek yaklaşımı genişletti.

OIST biriminde ortak yazar ve eski doktora sonrası araştırmacı olan Jonas Rønning, "Zıt yönde hareket eden dalgalarla ayna görüntüsü deseni görüyorsunuz" diyor. "Bizim için soru şuydu: Her iki yönden aynı anda dalga gönderirseniz ne olur? Desenlerin birbirini iptal edebileceğini ya da her iki dirgen benzeri desenin de görünür olacağını düşündük ama sezgilerimiz tamamen yanlıştı."

İki Dalga Girdaba Giriyor

Araştırmacılar özel bir tank inşa ettiler, merkezinde bir girdap oluşturdular ve karşıt taraflardan ortada buluşacak şekilde dalgalar gönderdiler. Dalgaların su yüzeyinde nasıl etkileşime girdiğini gözlemlemek için yüksek hızlı bir kamera kullandılar.

Girdap olmadan zirveler ve çukurlar yerinde kalır. Girdap orada olduğunda duran dalga bozulur. Girdap, etrafında dolaşan dalgaların fazını değiştirerek duran dalga girişim desenini değiştirir ve dönen düğüm çizgileri oluşturur. Bunlar, dışarı doğru spiral çizen ve girdabın ters yönüne dönen, anlık olarak düzleşen su hatlarıdır.

Doğrusal Olmayan ve Dengesiz Fizik Birimi'nde doktora öğrencisi ve çalışmanın ilk yazarlarından Aditya Singh, "Bu yeni ve beklenmedik bir şeydi" diyor. "Bu akışkan analog sistemi bu kadar değerli kılan da bu. Kuantum deneylerinde görülemeyen topolojik etkileri (tüm sistem boyunca meydana gelen dalga davranışlarını) ortaya koyuyor."

Ekip ilk başta ekipmanlarının dönen hatlara neden olduğundan şüphelendi. Ancak aynı model bilgisayar simülasyonlarında da ortaya çıktı.

Singh, "Bu çizgileri ilk gördüğümüzde deneysel bir eser olduğunu düşündük" diyor. "Fakat bunları simülasyonlarımızda da gördüğümüzde, her şeyi bıraktık ve bunların nasıl ortaya çıktığının altında yatan matematiği hızla çözdük."

Daha Fazla Hız, Daha Fazla Hat

Girdabın gücü arttıkça, her zaman girdabın tersi yönde hareket eden daha fazla dönen düğüm çizgisi ortaya çıktı. Çalışma, çizgi sayısının nicelleştirildiğini, yani girdabın dolaşımı tarafından belirlenen tam sayı değerlerine sabitlendiğini gösterdi. Başka bir deyişle, girdabın topolojisi kaç tane dönen düğüm çizgisinin görüneceğini belirler. Bu etki, daha önceki modellerin önerdiği gibi yalnızca girdap çekirdeğinin yakınında değil, tüm dalga alanı boyunca gözlemlendi.

Bu bulgu, Berry'nin yalnızca girdabın yakınında değişiklikleri gözlemleyen orijinal deneyinden farklıdır. Bu durumda araştırmacılar, yerel olmayan bir etki, tüm sistemi kapsayan ve genel düzene bağlı bir model keşfettiler. Girdabın yakınındaki alanla sınırlı olmak yerine, dönen düğüm çizgileri tüm duran dalga modeli boyunca ortaya çıktı.

Yeni keşfedilen bu düğüm modellerinin pratik kullanımları henüz net olmasa da çalışma, basit klasik sistemlerin kuantum deneylerinde gözlemlenmesi zor olan davranışları ortaya çıkarabildiğini gösteriyor. Bu etkileri görünür hale getirerek araştırmacılar, süperiletkenlik ve diğer kuantum olgularına yeni bakış açıları sunabilecek daha karmaşık dalga sistemlerini keşfetmeyi planlıyor.

Kıdemli yazar Mahesh Bandi, "Bir yön, birden fazla girdap ekleyerek ve bunları bir kafes halinde düzenleyerek sistemi daha karmaşık hale getirmektir" diyor. "Bu düzen, su dalgalarının süper akım gibi davrandığı bazı süper iletken malzemelerdeki koşulları yansıtıyor. Ne göreceğimizi henüz bilmiyoruz ve onu yapmaya değer kılan da tam olarak bu."

Austin Burgess, satış, pazarlama ve veri analitiği konularında geçmişi olan bir yazar ve araştırmacıdır. MBA derecesine, İşletme alanında Lisans Diplomasına ve veri analitiği sertifikasına sahiptir. Çalışmaları, ortaya çıkan biyoloji, bilişsel sinir bilimi ve arkeolojik keşiflere vurgu yaparak bilimsel gelişmeleri kırmaya odaklanıyor.