Quantenpartikel Nehmen Die Am Meisten Bereiste Straße

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Zum ersten mal haben physiker eine gleichung verwendet, um den pfad abzubilden, den die quantenpartikel am wahrscheinlichsten nehmen, wenn sie von einem quantenzustand in einen anderen wechseln.

Zum ersten Mal haben Physiker den Weg kartiert, den Teilchen am ehesten nehmen, wenn sie von einem Quantenzustand zu einem anderen wechseln.

In der Physik beschreibt ein Konzept, das als "Pfad der geringsten Handlung" bezeichnet wird, die Flugbahn, der ein Objekt am ehesten folgt, ähnlich dem bekannten Konzept des "Pfads des geringsten Widerstands". Zum Beispiel folgt ein geworfener Fußball einem parabolischen Bogen durch die Luft, anstatt sich in verrückten Schleifen oder Zickzacks zu drehen. Das liegt daran, dass ein Parabelpfad weniger "Aktionen" erfordert als ein Schleifen- oder Zickzackpfad.

Physiker wussten jedoch nicht, ob Quantenpartikel wie Elektronen, Neutrinos oder Photonen der gleichen Regel folgen. Viele der klassischen Regeln der Physik scheinen auf diese winzigen Teilchen nicht zuzutreffen. Stattdessen werden sie von den merkwürdigen Regeln der Quantenmechanik beherrscht, die sogar Einstein "gruselig" genannt hat. [Verrückte Physik: Die coolsten kleinen Teilchen der Natur]

Quantenpartikel können in Zuständen existieren, in denen sie sich an mehreren Orten gleichzeitig befinden - ein Phänomen, das als Superposition bezeichnet wird. Eine mathematische Gleichung, die als Wellenfunktion bezeichnet wird, beschreibt die vielen möglichen Orte, an denen ein Quantenteilchen gleichzeitig existieren könnte. Sobald jedoch jemand versucht, den Ort oder die Geschwindigkeit eines dieser Partikel zu messen, bricht seine Wellenfunktion zusammen und das Partikel erscheint nur an einer Stelle und fällt unter die Gesetze der konventionellen Physik.

Dies macht die Untersuchung von Quantenpartikeln extrem schwierig, da die Quantenzustände der Partikel in dem Moment zusammenbrechen, in dem Wissenschaftler anfangen, herumzusuchen. Physiker haben jedoch eine Methode entwickelt, um die verrückte Quantenwelt zu isolieren und auf nichtinvasive Weise in sie hineinzusehen. Auf diese Weise können sie den Pfad abbilden, den die Partikel am wahrscheinlichsten nehmen, wenn sie von einem Zustand in einen anderen wechseln.

"Es ist ein großartiger Durchbruch in Bezug auf die Möglichkeit, Quantensysteme zu überwachen", sagte Andrew Jordan, ein Physiker an der University of Rochester, der an der ursprünglichen Theorie arbeitete, gegenüber WordsSideKick.com. "Wir kratzen nur die Oberfläche der hier erlaubten Physik."

Jordan entwickelte die Theorie und brachte die Idee den Experimentalphysikern der University of California, Berkeley und der Washington University in St. Louis mit, die mitgeholfen haben, ein Experiment zu entwickeln, um sie zu testen. Kater Murch, Physikprofessor an der Washington University, skizzierte mögliche Wege, die die Teilchen einschlagen könnten, und befragte das Forschungsteam, um herauszufinden, welchen Weg das Experiment voraussichtlich zeigen würde.

"Wir sind alle Experten, aber keiner hat zugestimmt", sagte Murch zu WordsSideKick.com. "Wir hatten keine Ahnung, wie ein Quantenzustand zu einem anderen kommt."

Die supraleitende Schaltung wirkt wie ein künstliches Atom. Das Gerät muss nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt gehalten werden, damit die Mikrowellen, die durch das Gerät strömen, nicht durch Wärme beeinträchtigt werden.

Die supraleitende Schaltung wirkt wie ein künstliches Atom. Das Gerät muss nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt gehalten werden, damit die Mikrowellen, die durch das Gerät strömen, nicht durch Wärme gestört werden.

Bildnachweis: Joe Angeles / WUSTL Fotos

Das Team verwendete ein supraleitendes Quantenbauteil, im Wesentlichen eine Schaltung in einer Kupferbox, erklärte Murch. Das System ist einem Atom nachempfunden. Es hat mehrere Quanten-Energieniveaus wie ein Atom und wird manchmal als "künstliches Atom" bezeichnet, sagte Murch.

Die Forscher strahlten einen Strahl von Mikrowellenpartikeln in die Box. Diese Teilchen interagierten mit der supraleitenden Schaltung und wurden anschließend wieder reflektiert. Auf dem Weg landeten die Partikel entweder in einem Grundzustand (niedrigster Energiezustand) oder in einem angeregten Zustand (jeder Zustand mit einem höheren Energieniveau als der Grundzustand). Zwischen diesen beiden Zuständen gibt es unendlich viele Superpositionen. Daher haben die Forscher das Experiment 1 Million Mal wiederholt, um den am häufigsten vorkommenden Pfad zu bestimmen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Partikel am häufigsten eine konvexe Kurve durchlaufen. Die Gleichung ist einfach und es ist ziemlich einfach, den Weg zu berechnen, den die Teilchen am ehesten nehmen werden, sagte Jordan.

Murch sagte, die Ergebnisse des Experiments könnten ein Schritt in Richtung "heiliger Gral" der Chemie sein - die Effizienz chemischer Reaktionen maximieren.

"Grundsätzlich verändert eine chemische Reaktion die Quantenzustände von einem zum anderen", sagte Murch. "Wenn Sie diesen Weg verstehen, können Chemiker effizientere chemische Reaktionen produzieren."

Die Forschung könnte eines Tages auch dazu führen, dass Physiker die Quantensysteme direkt kontrollieren können, sagte Jordan.

Details des Experiments wurden in der 31. Juli-Ausgabe der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

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