Die Quantenwelt trotzt dem gesunden Menschenverstand an jeder Ecke. Unser modernes menschliches Gehirn, das über Hunderttausende von Jahren durch die biologische Evolution geformt wurde, kämpft darum, Dinge außerhalb unseres vertrauten naturalistischen Kontexts zu verstehen. Es ist leicht zu verstehen, wie ein Raubtier seine Beute über eine grasbewachsene Ebene jagt; Fast alles zu verstehen, was auf subatomarer Ebene passiert, kann Jahre intensiver Wissenschaft und haufenweise Mathematik erfordern. Es ist daher keine Überraschung, dass Physiker jedes Jahr verblüffende neue Einsichten und Entdeckungen aus den tiefen Grundlagen der Realität liefern, weit über die Grenzen unserer Wahrnehmung hinaus. Genau hier, Amerikanischer Wissenschaftler hebt einige unserer Favoriten für 2022 hervor.
Das Universum ist ein wenig unwirklich
Dieses Jahr Nobelpreis für Physik ging an jahrzehntelange Forscher beweisen, dass das Universum nicht lokal real ist– eine Leistung, die, um den Komiker Douglas Adams zu zitieren, “viele Menschen sehr wütend machte und weithin als schlechte Entscheidung angesehen wurde”. „Lokal“ bedeutet hier, dass jedes Objekt – zum Beispiel ein Apfel – nur von seiner unmittelbaren Umgebung beeinflusst werden kann, nicht von Ereignissen auf der anderen Seite des Universums. „Echt“ bedeutet, dass jedes Objekt bestimmte Eigenschaften hat, unabhängig davon, wie es betrachtet wird – kein noch so intensives Schielen wird einen Apfel von rot auf grün färben. Abgesehen davon, dass sorgfältige und wiederholte Experimente mit verschränkten Teilchen schlüssig gezeigt haben, dass solche scheinbar vernünftigen Einschränkungen nicht immer für den Quantenbereich gelten, die grundlegendste Ebene der Realität, die wir messen können. Wenn Sie sich nicht sicher sind, was genau das Verschwinden des lokalen Realismus für das Leben, das Universum und, naja, allesKeine Sorge: Du bist nicht allein—Physiker sind auch verwirrt.
Laser erschaffen Zeitkristalle und Portale zu höheren Dimensionen
Sie sehen zwar wie Handlungselemente aus ein kultklassiker sci-fi-film, beschreiben zwei Anfang dieses Jahres veröffentlichte unabhängige Artikel keineswegs fiktive Wege, um Licht an der Quantengrenze nutzbar zu machen. In einer Studie berichteten Forscher der allererste laserbasierte Zeitkristallbau, Quantensysteme, die periodische Kristallstrukturen nicht im Raum, sondern in der Zeit aufweisen. Auf der anderen Seite erklärte ein Team, wie präzise Muster von Laserpulsen dazu führen, dass sich Ionenketten so verhalten eine beispiellose Phase der Materie, die zwei zeitliche Dimensionen einnimmt. Die erste Studie könnte zu billigen, robusten Mikrochips zur Herstellung von Zeitkristallen außerhalb von Labors führen. Letztere schlägt eine Methode vor, um die Leistung von Quantencomputern zu verbessern. Für die meisten von uns können diese Studien jedoch einen großen Beitrag dazu leisten, auf Cocktailpartys schick auszusehen.
Quantentelepathie erobert unschlagbares Spiel
Das Mermin-Peres Magic Square Game (MPMS) ist die Art von Wettbewerb, den Sie nur gewinnen können, wenn Sie nicht spielen. Bei diesem düsteren Verwandten von Sudoku fügen zwei Teilnehmer abwechselnd den Wert +1 oder -1 zu den Zellen eines Drei-mal-Drei-Rasters hinzu, um gemeinsam eine Siegbedingung zu erfüllen. Obwohl die Spieler ihre Aktionen koordinieren müssen, um erfolgreich zu sein, dürfen sie nicht kommunizieren. Und selbst wenn jeder den Zug des anderen richtig errät, kann das Paar immer noch nur acht der neun Stiche des Spiels gewinnen, es sei denn, es spielt eine Quantenversion. Wenn Qubits (die Werte zwischen +1 und -1 tauschen können) verwendet werden, um jede Zelle zu füllen, können zwei Spieler theoretisch einen perfekten Lauf absolvieren und widersprüchliche Züge für alle neun Runden vermeiden. In der Praxis sind die Chancen, jeden Zug richtig zu erraten, jedoch äußerst gering. Durch sorgfältiges Ausnutzen der Verschränkung zwischen Qubits können die Spieler jedoch in jeder Runde die Aktionen des anderen erraten, ohne tatsächlich zu kommunizieren – eine ärgerliche Technik, die als bekannt ist Quanten-Pseudotelepathie. Im Juli veröffentlichten Forscher einen Artikel über ihre erfolgreiche Demonstration in der realen Welt dieser Strategie, um eine einwandfreie Leistung zu erzielen. Es geht auch nicht nur um Spaß und Spiel: Solche Arbeiten untersuchen die grundlegenden Grenzen, wie Informationen zwischen verschränkten Teilchen ausgetauscht werden können.
Testen des Intestable Unruh-Effekts
Gemäß den Prinzipien der Quantenfeldtheorie – einer schwierigen Verbindung zwischen Einsteins spezieller Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, die verwendet wird, um das Verhalten subatomarer Teilchen zu modellieren – ist der leere Raum nicht wirklich leer. Stattdessen ist das, was wir als Leere wahrnehmen, mit überlappenden Energiefeldern gefüllt. Schwankungen in diesen Feldern können Photonen, Elektronen und andere Teilchen quasi aus dem „Nichts“ erzeugen. Von den verschiedenen bizarren Phänomenen, die sich aus solch merkwürdigen Umständen ergeben sollten, könnte das seltsamste sein der Unruh-Effekt, ein warmer Schleier aus gespenstischen Partikeln, der von jedem vakuumbeschleunigenden Objekt heraufbeschworen wird. Benannt nach dem Theoretiker Bill Unruh, der ihn 1976 beschrieb, ist dieser Effekt so subtil, dass er noch nicht beobachtet wurde. Das könnte sich bald ändern, wenn ein Tabletop-Erlebnis, das im April angeboten wird erfolgreich durchgeführt wird. Das Experiment beinhaltet die Beschleunigung eines einzelnen Elektrons durch ein intensives und sorgfältig konfiguriertes elektromagnetisches Feld. Diese Konfiguration sollte die Beschleunigungsschwelle für den Unruh-Effekt senken, um sich sichtbar zu manifestieren, und die Chancen erhöhen, einen Blick auf sein schwer fassbares Quantenglühen zu erhaschen, so die Autoren.
Ein neuer Blickwinkel auf den Quantenspin
Nicht alle kontraintuitiven Macken der Quantenphysik haben mit natürlichen Ursachen zu tun. Einige sind wohl eher selbstverschuldet, was auf die fragwürdige Wahl der Forscher bei der Benennung und Beschreibung bestimmter Phänomene zurückzuführen ist. Betrachten wir den Fall des Quanten-„Spins“, der Bezeichnung, die dem intrinsischen Drehimpuls von Elementarteilchen anhaftet. Der Begriff ist verwirrend, weil solche Teilchen kann nicht physikalisch rotieren – wenn sie einfach wirbelnde subatomare Gyroskope wären, wäre ihre Rotation unglaublich schnell und würde die Lichtgeschwindigkeit bei weitem übertreffen. Aber Der Quantenspin ist entscheidend um das beobachtete Verhalten von Elektronen und anderen Teilchen zu erklären: Obwohl sie sich möglicherweise nicht physisch drehen, tun es die Teilchen eindeutig Etwas. Was genau dieses „Etwas“ ist, lässt sich am genauesten durch mathematische Gleichungen erfassen, aber seine kausale physikalische Grundlage bleibt im Dunkeln. Eine relativ neue (und höchst umstrittene) Hypothese beruft sich zur Erklärung auf die Quantenfeldtheorie. In diesem Vorschlag leiten Teilchen (die aus Schwankungen in Quantenfeldern resultieren) ihren Spin (Winkelimpuls) von ihren ursprünglichen Feldern ab, ähnlich wie eine vom Wind angetriebene Turbine. “Wenn hier das Drehmoment liegt”, Amerikanischer WissenschaftlerArtikel über die Idee bemerkte: „Das Problem eines Elektrons, das sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit dreht, verschwindet; Der Bereich des Feldes, der den Spin eines Elektrons trägt, ist viel größer als das sogenannte Punktelektron selbst.