Το πείραμα δείχνει την ύπαρξη της μυστηριώδους μη-νευτώνειας «κβαντικής δύναμης»
Από την εποχή του Γαλιλαίου και του Νεύτωνα, οι φυσικοί πίστευαν ότι ζούμε σε ένα κλασικό κόσμος—δηλαδή ένας κόσμος που υπακούει στους νόμους της κλασικής φυσικής. Το διάστημα θεωρήθηκε ότι είναι Ευκλείδειο, η φύση πιστεύεται ότι είναι συνεχής και οι κινήσεις φαίνονται ότι προκαλούνται από ζεύγη δυνάμεων δράσης-αντίδρασης.
Στην αυγή του 20ού αιώνα, οι δύο πρώτες υποθέσεις αποδείχθηκαν ψευδείς. Η Γενική Σχετικότητα περιγράφει τους χώρους ως μη Ευκλείδειους και η κβαντομηχανική φαίνεται να υπονοεί ότι η φύση είναι ασυνεχής και «κενή». Η τρίτη συνθήκη, το γεγονός ότι οι δυνάμεις έρχονται πάντα σε ζεύγη δράσης-αντίδρασης, είναι συνέπεια του τρίτου νόμου της κίνησης του Νεύτωνα:
"Για κάθε δράση, υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση" - ο τρίτος νόμος της κίνησης του Νεύτωνα
Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα μας λέει ότι οι δυνάμεις υπάρχουν μόνο σε ζεύγη. δηλαδή, όπου υπάρχει μια δύναμη, πρέπει να υπάρχει μια ίση και αντίθετη δύναμη να τη συνοδεύει. Για παράδειγμα, όταν πιέζετε έναν τοίχο με κάποια δύναμη, ο τοίχος σπρώχνει προς τα πίσω με την ίδια δύναμη προς την αντίθετη κατεύθυνση. Καθώς ενεργείτε στον τοίχο, ο τοίχος ενεργεί ταυτόχρονα και πάνω σας. Ομοίως με τη βαρύτητα. Τα αντικείμενα ασκούν αμοιβαία βαρυτικές επιρροές το ένα στο άλλο. Η βαρύτητα του ήλιου ασκεί μια δύναμη στη Γη και η Γη ασκεί μια δύναμη πίσω στον ήλιο.
Λοιπόν, τώρα έχουμε πολύ καλό λόγο να πιστεύουμε ότι ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα είναι επίσης ψευδής, ή τουλάχιστον ψευδής υπό ορισμένες συνθήκες. Ένα πρόσφατο πείραμα που διεξήχθη από μια κοινή ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Νεμπράσκα και το Πανεπιστήμιο της Αμβέρσας φαίνεται να δείχνει την ύπαρξη μιας μυστηριώδους «κβαντικής δύναμης» που μπορεί να επηρεάσει την κίνηση ενός ηλεκτρονίου χωρίς το ίδιο να επηρεαστεί από το ηλεκτρόνιο. /P>
Τα συγκεκριμένα ευρήματα των ερευνητών σχετίζονται με κάτι γνωστό ως «φαινόμενο Aharonov-Bohm». Εν ολίγοις, το φαινόμενο Aharonov-Bohm είναι ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο στο οποίο ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο επηρεάζεται από ένα ηλεκτρομαγνητικό δυναμικό, παρόλο που βρίσκεται σε μια περιοχή όπου το μαγνητικό και το ηλεκτρικό πεδίο είναι και τα δύο 0. Το φαινόμενο Aharonov-Bohm προβλέφθηκε για πρώτη φορά μαθηματικά το 1959 από τους Yakir Aharonov και David Bohm και επιβεβαιώθηκε για πρώτη φορά πειραματικά το 1986 από τον Ιάπωνα φυσικό Akira Tonomura.
Η τρέχουσα μελέτη φαίνεται να υπονοεί ότι το φαινόμενο Aharonov-Bohm οφείλεται στη δράση μιας «κβαντικής δύναμης» που δεν είχε ανακαλυφθεί προηγουμένως. μια οντότητα που επηρεάζει την κίνηση όπως οι κλασικές δυνάμεις αλλά έχει κάποιες περίεργες ιδιότητες. Συγκεκριμένα, αυτή η δύναμη φαίνεται να είναι μη τοπική και μη νευτώνεια.
Ηλεκτρικά πεδία και ηλεκτρικά δυναμικά
Ας μιλήσουμε λίγο για τα ηλεκτρικά πεδία και τα ηλεκτρικά δυναμικά. Στην κλασική μηχανική, φορτισμένα αντικείμενα όπως τα ηλεκτρόνια δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο . Ένα ηλεκτρικό πεδίο περιγράφεται μαθηματικά ως διανυσματικό πεδίο , ένας αφηρημένος χώρος στον οποίο σε κάθε σημείο αυτού του χώρου εκχωρείται ένα μέγεθος και μια κατεύθυνση. Το μέγεθος και οι κατευθύνσεις του πεδίου αντιπροσωπεύουν την ισχύ και την κατεύθυνση της ηλεκτρικής δύναμης που θα ασκούσε το πεδίο σε ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο σε αυτό το σημείο. Σκεφτείτε το ηλεκτρικό πεδίο ως μια περιοχή του χώρου όπου κάθε σημείο σε αυτόν τον χώρο σχετίζεται με κάποιο εγγενές «έλκιμο» ή «ώθηση».
Υπάρχει επίσης αυτό που είναι γνωστό ως ηλεκτρικό δυναμικό . Το ηλεκτρικό δυναμικό αντιπροσωπεύει την ποσότητα εργασίας που απαιτείται για τη μετακίνηση ενός φορτισμένου σωματιδίου από ένα σημείο του πεδίου σε άλλο - πόσο σκληρά πρέπει να το πιέσετε για να το μετακινήσετε. Το ηλεκτρικό δυναμικό σε ένα σημείο είναι ακριβώς ίσο με την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια που περιέχεται σε ένα φορτισμένο σωματίδιο σε αυτό το σημείο. Μπορεί κανείς να δει το ηλεκτρικό δυναμικό ως μέτρο του πόσο γρήγορα αλλάζει η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου σε μια δεδομένη απόσταση. Το ηλεκτρικό δυναμικό είναι ένα βαθμωτό ποσότητα (έχει μόνο ένα μέγεθος) και εξαρτάται μόνο από τη θέση του σωματιδίου σε σχέση με ένα επιλεγμένο σημείο αναφοράς.
Για μεγάλο μέρος της ιστορίας της ηλεκτροδυναμικής, τα ηλεκτρικά δυναμικά δεν θεωρούνταν ότι είχαν καμία φυσική πραγματικότητα και θεωρούνταν μόνο ως ένα χρήσιμο μαθηματικό εργαλείο για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών του ηλεκτρικού πεδίου σε κάποιο σημείο. Ωστόσο, η ανακάλυψη του φαινομένου Aharonov-Bohm γενικά ερμηνεύεται ότι δείχνει ότι, αντίθετα, τα ηλεκτρικά δυναμικά είναι γνήσιες υπάρχουσες οντότητες που έχουν αιτιώδεις επιπτώσεις στην ύλη. Πολλές μεταγενέστερες εργασίες για το φαινόμενο Aharonov-Bohm επικεντρώθηκαν στον προσδιορισμό της φύσης αυτής της φαινομενικής αιτιώδους αλληλεπίδρασης μεταξύ του ηλεκτρικού δυναμικού και των φορτισμένων σωματιδίων.
Zeilinger, Shelankov και περαιτέρω εργασία
Το 1998, ο φυσικός Anton Zeilinger υπέθεσε ότι το φαινόμενο Aharonov-Bohm δεν προκύπτει από καμία δύναμη και αντίθετα είναι το αποτέλεσμα της φύσης «χωρίς διασπορά» του ηλεκτρικού δυναμικού. Το σκεπτικό του ήταν ότι, εάν οι παρατηρούμενες περιθλάσεις ηλεκτρονίων προκλήθηκαν από μια δύναμη, τότε θα βλέπαμε μια χρονική καθυστέρηση από την αρχική πρόβλεψη της κίνησης των ηλεκτρονίων. Δεδομένου ότι τα πειράματα δεν φαινόταν να δείχνουν αυτή την καθυστέρηση, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι δεν μπορούν να παίζουν δυνάμεις. Ένα άλλο έργο του φυσικού Αντρέι Σαλάνκοφ προέβλεψε ότι αντί για χρονική καθυστέρηση, η δράση μιας δύναμης θα μπορούσε να εκδηλωθεί ως εκτροπή ηλεκτρονίων αντί για χρονική καθυστέρηση.
Η τρέχουσα μελέτη είχε σκοπό να δοκιμάσει το θεώρημα του Zeilinger και τις προβλέψεις του Shelankov μετρώντας οποιαδήποτε πιθανή περίθλαση θέσης ηλεκτρονίου που θα προέκυπτε από μια κρυφή δύναμη. Για να ελέγξουν αυτόν τον ισχυρισμό, οι ερευνητές δημιούργησαν μια πειραματική συσκευή που περιλαμβάνει την εκτόξευση μιας δέσμης ηλεκτρονίων σε ένα μαγνητικά φορτισμένο σωληνοειδές του οποίου το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο προστατεύεται από τα σωματίδια.
Όταν η ράβδος δεν μαγνητιζόταν, τα ηλεκτρόνια έπλεαν ακριβώς δίπλα στο σωληνοειδές χωρίς καμία διαταραχή. Ωστόσο, μόλις αύξησαν τη μαγνήτιση, οι ερευνητές παρατήρησαν το προβλεπόμενο ασύμμετρο μοτίβο περίθλασης ηλεκτρονίων στην εγκάρσια κατεύθυνση. Η αντιστροφή του μαγνητικού φορτίου αντέστρεψε τον προσανατολισμό των παρατηρούμενων ασυμμετριών, υποδεικνύοντας ότι το ηλεκτρομαγνητικό δυναμικό του σωληνοειδούς συστήματος είχε αιτιώδη επίδραση στα σωματίδια. Το βασικό εδώ είναι ότι τα ηλεκτρόνια ταξίδευαν μέσα από ένα χώρο όπου δεν υπάρχει καμία επίδραση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου . Υπάρχει, ωστόσο, ένα ηλεκτρικό δυναμικό σε αυτήν την περιοχή, και αυτό καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο εκτρέπονται τα σωματίδια.
Ας δούμε λοιπόν αυτά τα αποτελέσματα ρητά:Ο Zeilinger προέβλεψε ότι οποιαδήποτε ενέργεια δύναμης σε αυτό το σύστημα θα είχε ως αποτέλεσμα μια χρονική καθυστέρηση στην άφιξη των ηλεκτρονίων στο επιθυμητό σημείο. Ο Sheleankov απάντησε ότι, αντίθετα, το μόνο που πρέπει να παρατηρηθεί για να δείξει τη δράση μιας δύναμης είναι η περίθλαση θέσης, όχι μια χρονική καθυστέρηση. Το τρέχον πείραμα δείχνει ότι και οι δύο αξιώσεις μπορεί να είναι αληθείς, δεν υπάρχει χρονική καθυστέρηση και Υπάρχει περίθλαση θέσης. φαίνεται ότι τόσο οι προβλέψεις του Zeilinger όσο και του Shelankov μπορεί να είναι αληθινές, απλά πρέπει να υπάρχει ένα ειδικό είδος της δύναμης? μια «κβαντική δύναμη», αν θέλετε.
"Κβαντική δύναμη"
Τι πιστεύουμε για τη φύση αυτής της υποτιθέμενης «δύναμης»; Λοιπόν, πρώτα απ 'όλα, η δράση της δύναμης φαίνεται να είναι μη τοπική; δηλαδή μπορεί να δράσει ακαριαία σε αποστάσεις. Το γεγονός ότι δεν παρατηρείται χρονική καθυστέρηση στη ρύθμιση δείχνει ότι η υποτιθέμενη δύναμη δεν απαιτεί χρόνο για να διαδοθεί και να δράσει στα ηλεκτρόνια. Ενώ οι μη τοπικές δυνάμεις είναι σίγουρα απαγορευμένες στην κλασική φυσική, οι κβαντικοί φυσικοί είναι εξοικειωμένοι με τους μη τοπικούς μηχανισμούς. Συγκεκριμένα, η κβαντική εμπλοκή φαίνεται να περιλαμβάνει την στιγμιαία αλληλεπίδραση δύο χωρικά διαχωρισμένων σωματιδίων. Σύμφωνα με τον επικεφαλής της μελέτης Herman Batelaan, τα αποτελέσματά τους θα μπορούσαν να ερμηνευθούν ως η δράση μιας παρόμοιας μη τοπικής δύναμης όπως αυτή της κβαντικής εμπλοκής.
Δεύτερον, η υποτιθέμενη δύναμη θα πρέπει να είναι μη –Νευτώνεια , με την έννοια ότι παραβιάζει τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα. Αυτό το αποτέλεσμα έρχεται μαζί με τη συνειδητοποίηση ότι, παρόλο που το ηλεκτρικό δυναμικό δρα στο ηλεκτρόνιο, το ίδιο το ηλεκτρόνιο δεν δρα στο ηλεκτρικό δυναμικό. Στην κλασική φυσική, όπου υπάρχει δύναμη, πρέπει να υπάρχει μια συνοδευτική ίση και αντίθετη δύναμη. Δεν συμβαίνει το ίδιο με το φαινόμενο Aharonov-Bohm. Σύμφωνα με τον Batelaan, αυτή η «κβαντική δύναμη», σε αντίθεση με την κβαντική εμπλοκή, «είναι ένα φαινόμενο ενός σωματιδίου, όχι ένα φαινόμενο δύο σωματιδίων». Έτσι, αυτή η «κβαντική δύναμη» θα έχει τη μοναδική ιδιότητα να μπορεί να ενεργεί σε αντικείμενα χωρίς αυτά τα αντικείμενα να αντιδρούν ξανά σε αυτά.
Batelaan και συν. ερμηνεύουν τα αποτελέσματά τους στο πλαίσιο της πιλοτικής κυματικής ερμηνείας deBroglie-Bohm της κβαντικής μηχανικής. Σύμφωνα με αυτή την ερμηνεία, τα κβαντικά συστήματα έχουν δύο μέρη, την κυματική συνάρτηση (πιλοτικό κύμα) και τα πραγματικά σωματίδια σε καθορισμένες θέσεις. Η γενική ιδέα είναι ότι το πιλοτικό κύμα καθοδηγεί τα σωματίδια μέσω της δράσης μιας δύναμης που ονομάζεται «κβαντικό δυναμικό». Το κόλπο με την ερμηνεία του πιλοτικού κύματος είναι ότι αυτό το κβαντικό δυναμικό δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα, μόνο έμμεσα. Έτσι, εάν η ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής deBroglie-Bohm είναι σωστή, τότε αυτό το κβαντικό δυναμικό θα μπορούσε να εκδηλωθεί ως δύναμη που ασκεί τα σωματίδια για να αλλάξει τις τροχιές τους.
Φυσικά, η ερμηνεία των deBroglie-Bohm της κβαντικής μηχανικής δεν είναι χωρίς διαμάχη. Μέρη αυτών των επικρίσεων σχετίζονται με το γεγονός ότι η κυματομηχανική deBroglie-Bohm διατυπώνεται ρητά ως μη –τοπικό , δηλαδή, οποιαδήποτε αλλαγή στη συνάρτηση κύματος αλλάζει στιγμιαία τη θέση των καθοδηγούμενων σωματιδίων. Η μη τοπική φύση της μηχανικής deBroglie-Bohm φαίνεται να παραβιάζει ευθέως τη θεωρία της σχετικότητας και τον περιορισμό της ότι η υπερφωτεινή στιγμιαία διάδοση της αιτιότητας είναι αδύνατη. Σύμφωνα με τον Batelaan, η μη τοπικότητα αυτής της πιθανής δύναμης είναι η μοναδική μεγαλύτερη απολαβή από το πείραμα:«Αισθάνομαι ότι αυτό υπογραμμίζει την ιδέα ότι η φύση μπορεί να είναι μη τοπική. Αυτό είναι ένα μεγάλο ερώτημα. Τα πράγματα που κάνω εδώ επηρεάζουν τα πράγματα κάπου αλλού, χωρίς σαφή ενδιάμεσο;»
Τι κάνουμε λοιπόν για αυτά τα αποτελέσματα; Από τη μία πλευρά, η κβαντική μηχανική είναι γνωστή ως εξαιρετικά περίεργη, επομένως η ύπαρξη μιας προηγουμένως άγνωστης δύναμης που συμπεριφέρεται διαφορετικά από τις κλασικές δυνάμεις δεν είναι εντελώς έξω από τη σφαίρα των δυνατοτήτων. Από την άλλη πλευρά, η παραδοχή της ύπαρξης μιας τέτοιας μη τοπικής μη νευτώνειας δύναμης φαίνεται να έρχεται αντιμέτωπη με ένα σημαντικό μέρος αυτών που γνωρίζουμε για τις δυνάμεις και την κίνηση.
Ωστόσο, η μελέτη των Batelaan και συν. δείχνει ότι σίγουρα συμβαίνει κάτι περίεργο σε αυτού του είδους τα πειράματα, κάτι που δεν έχουμε προς το παρόν τα κατάλληλα εργαλεία για να εξηγήσουμε. Ίσως καθώς οι γνώσεις μας για το κβαντικό βασίλειο αυξάνονται, θα βρούμε περισσότερα στοιχεία για άλλες «κβαντικές δυνάμεις» που μπορούν να καλύψουν τα κενά της επιστημονικής μας γνώσης.
