Kvantefysikkens glemte spøkelse

La meg være ærlig: kvantefysikk får meg stadig til å klø meg i hodet. Og en nylig oppdagelse gjør det ikke akkurat enklere å forstå.

En drøm i nesten hundre år

Tenk deg dette: 1931. En fysiker ved navn Hans Bethe (ja, Nobelprisvinner) setter seg ned og skriver ligninger om hvordan partikler oppfører seg i ekstremt smale, endimensjonale rom. Han tipser om at disse partiklene kan danne merkelige kollektive tilstander – strukturer han døper «Bethe-strenger». Partiklene holder sammen ikke fordi de er limt fast, men fordi de stadig vekselvirker på akkurat riktig måte.

I nesten et århundre forble dette rene matematikk. En morsom idé i lærebøker. Noe som kanskje fantes, men ingen hadde sett i virkeligheten.

Fram til nå.

Forskere ved Universitetet i Innsbruck, sammen med kolleger i Amsterdam og München, har publisert resultater som viser at de ikke bare har skapt Bethe-strenger, men observert dem direkte. Kollidert med dem. Fått dem til å danser. Som å endelig møte en kjendis du bare kjenner fra rykter.

Hvordan bygge en kvantestreng?

Her blir det spennende. Forskerne startet med vanlige cesiumatomer – ja, samme stoffet som brukes i atomklokker – og kjølte dem ned til noen milliarddeler av en grad over det absolutte nullpunkt. For de som ikke kjenner til den temperaturen: det er latterlig kaldt. Så kaldt at all normal atomvibrasjon praktisk talt stopper opp.

Deretter kom den smarte delen. De brukte lasertriks for å skjære atomskyen opp i tusenvis av skarpe, tynne rør. Inne i hvert rør kunne atomene bare bevege seg fram eller tilbake – én eneste linje. Dette skapte det endimensjonale miljøet der Bethe-strenger kan eksistere.

Ved å justere vekselvirkningene mellom atomene (gjøre dem tiltrekkende i stedet for frastøtende) så forskerne bundne tilstander oppstå. Noen var par, noen var trillinger, og noen hadde seks eller flere partikler som danset sammen.

Kollisjonstestene

Det som virkelig fenget meg, var bevisførselen. Forskerne trengte å bevise at partiklene virkelig hang sammen – ikke bare passerte gjennom hverandre.

Så de gjorde noe smart: de lot strengene ekspandere og kollidere med hverandre.

Jeg elsker bildet. Tusenvis av små kvantestrenger som støter borti hverandre mens de er fanget i sine endimensjonale baner. Hva skjedde?

De overlevde. De bundne strukturene forble intakte selv etter å ha krasjet inn i nabo-strenger. Det er virkelig bemerkelsesverdig når du tenker på det – dette er ikke stive objekter holdt sammen av kjemiske bindinger. Dette er kollektive kvantetilstander, og likevel holder de sammen gjennom kollisjoner.

Deretter kom knockout-slaget. Forskerne slapp festet, lot atomene ekspandere inn i full tredimensjonal plass. Siden Bethe-strenger kun kan eksistere i én dimensjon, fikk dette de bundne tilstandene til å gå i oppløsning. Bindingsenergien ble til bevegelse, og partiklene fløy fra hverandre med ekstra kraft. Ved å sammenligne denne ekspansjonen med den innesperrede, hadde de klare beviser for at Bethe-strenger hadde vært til stede.

Hvorfor bør du bry deg?

Du lurer kanskje: kult vitenskapelig eksperiment, men hva så?

Her er «hva så»: Bethe-strenger er faktisk blitt observert før i faste magnetiske materialer, men disse systemene er rotete – vanskelige å kontrollere, vanskelige å manipulere. Denne nye tilnærmingen med ultrakalde atomer er annerledes. Forskerne kan kontrollere alt: geometrien, partikkeltettheten, hvor sterkt atomene vekselvirker.

Dette åpner Bethe-strenger som et skikkelig eksperimentelt lekegrind. Forskere kan nå studere hvordan disse kollektive kvanteobjektene dannes, hvordan de samhandler, og hva som skjer når du dytter og pirker på dem på ulike måter. Det er et nytt laboratorium for kvante-flerlegeme-fysikk.

Som prosjektleder Sudipta Dhar sa: nå kan de «skape dem i laboratoriet, manipulere dem, la dem kollidere og undersøke deres bemerkelsesverdige kollisjonsstabilitet».

Det større bildet

Det er noe poetisk tilfredsstillende med denne historien. Hans Bethe, som bare hadde penn, papir og en ekstraordinær intuisjon for kvantemekanikk, spådde noe i 1931 som teknologien på hans tid umulig kunne bekrefte. Nittitre år senere, med lasere, superledende magneter og den mest presist kontrollerte materien som finnes, brakte fysikere hans matematiske skapninger til fysisk virkelighet.

Det minner meg om at fysikk ofte fungerer sånn – først drømmer vi, deretter bygger vi verktøyene for å fange drømmene våre.

Jeg vet ikke om deg, men jeg synes det er ganske inspirerende. Universet er merkeligere og vidunderligere enn vi først kan forestille oss, og sakte, forsiktig, finner vi ut hvordan vi kan se hva som alltid har vært der.

Kilde: ScienceDaily