Wetenschappers hebben een nieuw soort kwantumverstrengeling in atoomkernen waargenomen

Hoe is de werkelijkheid gestructureerd?En is het geen permanente illusie? Natuurkundigen proberen deze vragen al tientallen jaren te beantwoorden, maar hoe meer ze over de wereld leren, hoe vreemder het wordt. We weten dat materie uit kleine deeltjes bestaat en dat hun interactie met elkaar nauwelijks voorstelbaar is. Neem bijvoorbeeld kwantumsuperpositie - volgens dit principe kunnen deeltjes zich in verschillende toestanden tegelijkertijd bevinden, maar het is onmogelijk om het resultaat van hun toestand te bepalen vóór het moment van waarneming. Een ander fundamenteel principe van de deeltjesfysica is kwantumverstrengeling, volgens welke deeltjes onderling verbonden blijven, ongeacht de afstand ertussen. En hoewel de "gewone" verstrengeling de illusoire aard van onze realiteit aantoont, rapporteerden natuurkundigen van het Brookhaven National Laboratory (VS) begin 2023 de nieuwe vorm ervan, die voor het eerst in de geschiedenis werd ontdekt.

De Heavy Ion Collider (RHIC) volgt deeltjes die het gevolg zijn van botsingen in het midden van de detector.

Nieuwe kwantumverstrengeling

Fundamentele principes van de kwantummechanicatarten keer op keer het gezond verstand en laten zien dat de werkelijkheid grotendeels een illusie is. Gelukkig stellen moderne wetenschappelijke instrumenten ons in staat om de vorm en details in atoomkernen in detail te bestuderen - de laatste werd bereikt door natuurkundigen van het Amerikaanse Brookhaven National Laboratory met behulp van de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).

Tijdens het experiment observeerden de onderzoekers fotonen en goudionen terwijl ze versnelden rond de versneller en ontdekte een nieuw type kwantumverstrengeling. Maar wat nog verrassender is, is dat wetenschappers ook volledig hebben waargenomen een nieuw soort kwantuminterferentie - een exotisch effect, volgens welkeeen deeltje zoals een foton kan zijn eigen traject al bewegend doorsnijden. De studie van dit effect wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende in de moderne natuurkunde. Maar de eerste dingen eerst.

De wetten waarmee het universum werkt, zijn heel vreemd.

Interessant feit
Door een enkel verstrengeld deeltje te bestuderen, weten wetenschappers meteenleren over de ander, zelfs als ze miljoenen lichtjaren van elkaar verwijderd zijn. Deze vreemde verbinding tussen twee (of meer) deeltjes komt onmiddellijk tot stand, blijkbaar in strijd met de fundamentele wet van het universum. Om deze reden noemde Albert Einstein verstrengeling 'spookachtig' en 'bovennatuurlijk'.

De RHIC-collider bevindt zich in de instellingUS Department of Education and Science, waar natuurkundigen de bouwstenen van nucleair materiaal kunnen bestuderen, d.w.z. quarks en gluonen die protonen en neutronen vormen. Door de kernen van zware atomen, zoals goud, te laten botsen, observeerden de onderzoekers hun beweging in tegengestelde richting rond de versneller met een snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt.

Dit betekent dat de intensiteit van de botsingentussen kernen kunnen de grenzen tussen individuele protonen en neutronen "smelten", waardoor quarks en gluonen kunnen worden bestudeerd zoals ze kort na de oerknal bestonden - vóór de vorming van protonen en neutronen, aldus de krant.

In feite weet niemand welke kwantumprocessen in de echte wereld verantwoordelijk zijn voor het ontstaan ​​van ruimte-tijd.

Volgens het principe van kwantumverstrengeling,de aspecten van het ene deeltje van een verstrengeld paar hangen af ​​van de aspecten van het andere deeltje, ongeacht hoe ver ze uit elkaar staan ​​(en wat er tussenin ligt). Deze deeltjes kunnen bijvoorbeeld elektronen of fotonen zijn, en het aspect kan de toestand zijn waarin ze zich bijvoorbeeld in de ene of de andere richting "draaien". Natuurkundigen willen ook weten hoe quarks en gluonen zich in hun huidige staat binnen atoomkernen gedragen om de kracht die deze bouwstenen van materie bij elkaar houdt beter te begrijpen.

Meer over het onderwerp: Kan de kwantummechanica het bestaan ​​van ruimtetijd verklaren?

Wat gebeurt er in atoomkernen

Voor meer informatie over deeltjes en hungedrag, gebruikten natuurkundigen "wolken" van fotonen (lichtdeeltjes) die de versnellende ionen rond de RHIC-versneller omringden - het was deze methode die wetenschappers in staat stelde om in de kernen te kijken. Als twee goudionen elkaar op korte afstand passeerden en niet botsten, maakten de fotonen rond het ene ion het mogelijk om de interne structuur van het andere te bestuderen.

Deze tweedimensionale visualisatie, zoals de resultaten van het experiment lieten zien, bleek revolutionair te zijn - de atoomkern ziet er te groot uit vergeleken met wat was voorspeldtheoretische modellen. Bovendien maakte gepolariseerd licht het mogelijk om gedetailleerde beelden van hoogenergetische atoomkernen te verkrijgen en om de verdeling van gluonen (langs de richting van het foton en loodrecht erop) te onderzoeken.

De verkregen resultaten vallen ook samen met theoretische voorspellingen van de verdeling van gluonen en metingen van de verdeling van elektrische lading in kernen.

Lees nog meer interessante artikelen over de nieuwste ontdekkingen op het gebied van kwantummechanica en geavanceerde technologieën op ons kanaal in Yandex.Zen - artikelen die niet op de site staan, worden daar regelmatig gepubliceerd

De nieuwe metingen toonden ook aan dat momentum ende energie van de fotonen zelf raakt verstrikt in het momentum en de energie van de gluonen. Alleen meten langs de richting van het foton (of zijn onbekende richting) leidt tot vervorming van het beeld door fotoneffecten. Maar meten in dwarsrichting vermijdt het "vervagen" van lichtdeeltjes.

Nu kunnen we een foto maken waar we kunnenonderscheid de dichtheid van gluonen onder een gegeven hoek en straal. De resulterende afbeeldingen zijn zo nauwkeurig dat we een verschil beginnen te zien tussen waar de protonen zich bevinden en waar de neutronen zich in deze grote kernen bevinden.

Collider bij Brookhaven National Laboratory USA

Het meten van twee deeltjes met verschillende fysische ladingener werd een interferentiepatroon waargenomen dat aangeeft dat deeltjes met elkaar verstrengeld of gesynchroniseerd zijn, zelfs als deze deeltjes verschillend zijn (inclusief lading).

Je vraagt ​​je misschien af: impliceert kwantummechanica een veelvoud aan werelden, of wat is Everetts interpretatie?

Een nieuwe kijk op verstrengeling en interferentie

De auteurs van het werk, begin 2023 gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances, merken op dat alle deeltjes die in het werk worden besproken
bestaan ​​niet alleen als fysieke objecten, maar ookzoals golven - zoals rimpelingen op het oppervlak van een vijver, raken ze een rots (wiskundige "golffuncties") en kunnen elkaar storen, versterken of opheffen.

Er treedt interferentie op tussen twee golvenfuncties van identieke deeltjes, maar zonder verstrengeling (tussen twee ongelijksoortige deeltjes) zou deze interferentie onmogelijk zijn. Dit is hoe de kwantummechanica vreemder en vreemder wordt - een nieuw experiment heeft aangetoond dat er kwantumverstrengeling bestaat tussen ongelijksoortige deeltjes.

Zie ook: Kunnen fotonen vooruit en achteruit gaan in de tijd?

“Deze methode is vergelijkbaar met de positronemissietomografie (PET-scan) om te zien wat er in de hersenen en andere delen van het lichaam gebeurt”, legt James Daniel Brandenburg van het Brookhaven Laboratory (VS) uit. De laatste jaren besteden wetenschappers steeds meer aandacht aan kwantummechanica. Een van de redenen voor de toegenomen aandacht is de creatie van krachtige nieuwe communicatiemiddelen en computers.

Verstrengeling van kwantumtoestanden is een realiteit.

Onderzoekers zijn ook van plan om nieuwe uit te voerenmetingen bij RHIC met zwaardere deeltjes (om andere mogelijke kwantumverstrengelingsscenario's te testen). Lees meer over welke ontdekkingen in 2022 een enorme impact hadden op onze kennis over de structuur van het heelal, vertelden we hier, mis het niet!