Aharonov–Bohmov efekt, koji se ponekad naziva i Ehrenberg–Siday–Aharonov–Bohmov efekt, kvantno je mehanički fenomen u kojem na električki nabijenu česticu djeluje elektromagnetski potencijal (φ, A), unatoč tome što je ograničen na područje u kojem oba magnetsko polje B i električno polje E su nula. Temeljni mehanizam je spajanje elektromagnetskog potencijala s kompleksnom fazom valne funkcije nabijene čestice, a Aharonov–Bohmov učinak je u skladu s tim ilustriran eksperimentima interferencije.
Najčešće opisani slučaj, koji se ponekad naziva Aharonov–Bohmov solenoidni učinak, događa se kada valna funkcija nabijene čestice koja prolazi oko dugog solenoida doživi fazni pomak kao rezultat zatvorenog magnetskog polja, unatoč tome što je magnetsko polje zanemarivo u područje kroz koje čestica prolazi i valna funkcija čestice zanemariva je unutar solenoida. Ovaj fazni pomak promatran je eksperimentalno. Također postoje magnetski Aharonov-Bohmovi učinci na vezane energije i presjeke raspršenja, ali ti slučajevi nisu eksperimentalno ispitani. Predviđen je i električni Aharonov–Bohmov fenomen, u kojem na nabijenu česticu utječu područja s različitim električnim potencijalima ali nultim električnim poljem, ali to još nema eksperimentalnu potvrdu. Odvojeni “molekularni” Aharonov-Bohmov učinak predložen je za nuklearno gibanje u višestruko povezanim regijama, ali se tvrdi da je to drugačija vrsta geometrijske faze jer nije “ni nelokalna ni topološka”, ovisno samo o lokalnim količinama duž jezgre.
Werner Ehrenberg (1901. – 1975.) i Raymond E. Siday prvi su predvidjeli učinak 1949. Yakir Aharonov i David Bohm objavili su svoju analizu 1959. Nakon objavljivanja rada iz 1959., Bohm je obaviješten o radu Ehrenberga i Sidaya, koji je bio priznat i pripisano u sljedećem radu Bohma i Aharonova iz 1961. Učinak je potvrđen eksperimentalno, s vrlo velikom pogreškom, dok je Bohm još bio živ. U trenutku kad je pogreška pala na respektabilnu vrijednost, Bohm je umro.
Prvo što treba primijetiti je da je gotovo sve sat. Smeće najavljuje dane sa sve lošijim mirisom. Bore označavaju godine. “Mogli biste odrediti vrijeme mjerenjem koliko se vaša kava ohladila na vašem stoliću”, rekao je Huber, koji je sada na Tehničkom univerzitetu u Beču i Institutu za kvantnu optiku i kvantne informacije Beč.
Rano u razgovorima u Barceloni Huber, Erker i njihove kolege shvatili su da je sat sve što podliježe nepovratnim promjenama: promjene u kojima se energija širi među više čestica ili u šire područje. Energija teži disipaciji – a entropija, mjera njenog rasipanja, ima tendenciju povećanja – jednostavno zato što postoji daleko, daleko više načina za raspodjelu energije nego za njenu visoku koncentraciju. Ova numerička asimetrija i znatiželjna činjenica da je energija započela ultrakoncentrirano na početku svemira, razlog su zašto se energija sada kreće prema sve raštrkanijim aranžmanima, jednu po jednu šalicu kave koja se hladi.
Čini se da ne samo da snažna tendencija širenja energije i nepovratni porast entropije uzrokuju strelicu vremena, već prema Huberu i kompaniji, također računaju satove. “Ireverzibilnost je zaista fundamentalna”, rekao je Huber. “Ovaj pomak u perspektivi smo htjeli istražiti.”
Kafa ne čini odličan sat. Kao i kod većine nepovratnih procesa, njegove interakcije s okolnim zrakom događaju se stohastički. To znači da morate izračunavati prosjek tokom dugog vremenskog razdoblja, obuhvaćajući mnoge slučajne sudare između molekula kave i zraka, kako biste precizno procijenili vremenski interval. Zato kafu, smeće ili bore ne nazivamo satovima.
To ime zadržavamo, shvatili su termodinamičari satova, za objekte čija je sposobnost mjerenja vremena poboljšana periodičnošću: neki mehanizam koji raspoređuje intervale između trenutaka u kojima se događaju nepovratni procesi. Dobar sat se ne menja samo. Otkucava.
Što su tikovi pravilniji, sat je tačniji. U svom prvom članku, objavljenom u Physical Review X 2017., Erker, Huber i koautori pokazali su da bolje mjerenje vremena ima svoju cijenu: što je veća točnost sata, to se više energije rasipa i više entropije proizvodi tokom otkucavanja.
Sat je mjerač protoka za entropiju ”, rekao je Milburn.
Otkrili su da bi idealan sat – koji otkucava savršenom periodičnošću – sagorio beskonačnu količinu energije i proizveo beskonačnu entropiju, što nije moguće. Stoga je tačnost satova u osnovi ograničena.
Zaista, u svom radu Erker i kompanija proučavali su tačnost najjednostavnijeg sata kojeg su se mogli sjetiti: kvantnog sistema koji se sastoji od tri atoma. “Vrući” atom povezuje se s izvorom topline, “hladan” atom se spaja s okolnom okolinom, a treći atom koji je povezan s oba druga “krpelja” podliježući pobudama i raspadima. Energija ulazi u sistem iz izvora topline, pokrećući krpelje, a entropija nastaje kada se otpadna energija ispušta u okoliš.
Istraživači su izračunali da otkucaji ovog troatomskog sata postaju pravilniji što sat proizvodi više entropije. Ovaj odnos između tačnosti sata i entropije “za nas je intuitivno imao smisla”, rekao je Huber, u svjetlu poznate veze između entropije i informacije.
“Postoji duboka veza između entropije i informacija”, rekao je Huber, pa bi svako ograničenje proizvodnje entropije sata trebalo prirodno odgovarati ograničenju informacija – uključujući, rekao je, “informaciju o vremenu koje je proteklo”.
U drugom radu objavljenom u Physical Review X ranije ove godine, teoretičari su proširili svoj model sata sa tri atoma dodavanjem složenosti-u suštini ekstra topli i hladni atomi povezani sa atomom koji otkucava. Pokazali su da ova dodatna složenost omogućava satu da koncentriše vjerovatnoću da se otkucaj dogodi u sve uže vremenske prozore, čime se povećava pravilnost i tačnost sata.
Ukratko, nepovratan porast entropije omogućuje mjerenje vremena, dok periodičnost i složenost poboljšavaju performanse sata. Ali do 2019. nije bilo jasno kako provjeriti timske jednadžbe ili kakve su veze, ako ništa drugo, jednostavni kvantni satovi s onima na našim zidovima.
Fizičari su se trudili razumjeti kako se vrijeme kvantne mehanike može pomiriti s pojmom vremena kao četvrte dimenzije u Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, trenutnom opisu gravitacije. Savremeni pokušaji pomirenja kvantne mehanike i opće relativnosti često tretiraju četverodimenzionalno prostor-vremensko tkivo Einsteinove teorije kao pojavljivanje, neku vrstu holograma skuhanog apstraktnijim kvantnim informacijama. Ako je tako, i vrijeme i prostor trebali bi biti približni pojmovi.
Schrödingerova mačka je misaoni eksperiment, ponekad opisan kao paradoks, koji je osmislio austrijski fizičar Erwin Schrödinger 1935. godine, iako je ideja potekla od Alberta Einsteina. To ilustrira ono što je vidio kao problem kopenhagenske interpretacije kvantne mehanike primijenjene na svakodnevne predmete. Scenarij predstavlja hipotetičku mačku koja može biti istovremeno i živa i mrtva, stanje poznato kao kvantna superpozicija, kao rezultat povezanosti na slučajni subatomski događaj koji se može dogoditi ili ne dogoditi.
Misaoni eksperiment je često predstavljen u teorijskim raspravama o interpretacijama kvantne mehanike, posebno u situacijama koje uključuju problem sa mjerenjem. Schrödinger je skovao termin Verschränkung (zapletenost) tokom razvijanja misaonog eksperimenta.
Schrödinger je svoj misaoni eksperiment zamislio kao diskusiju o članku EPR-a – nazvanom po svojim autorima Einstein, Podolsky i Rosen – 1935. godine. EPR članak naglasio je kontraintuitivnu prirodu kvantnih superpozicija, u kojima kvantni sistem poput atoma ili fotona može postojati kao kombinacija više stanja koja odgovaraju različitim mogućim ishodima.
Prevladavajuća teorija, nazvana interpretacijom iz Kopenhagena, kaže da kvantni sistem ostaje u superpoziciji sve dok ne djeluje na vanjski svijet ili ga ne promatra vanjski svijet. Kad se to dogodi, superpozicija se urušava u jedno ili drugo od mogućih definitivnih stanja. EPR eksperiment pokazuje da sistem s više čestica odvojenih velikim udaljenostima može biti u takvoj superpoziciji. Schrödinger i Einstein razmijenili su pisma o Einsteinovom članku o EPR-u, tokom kojeg je Einstein istaknuo da će stanje nestabilne bule baruta nakon nekog vremena sadržavati superpoziciju i eksplodiranih i neeksplodiranih stanja.
Da bi dodatno ilustrirao, Schrödinger je opisao kako se, u načelu, može stvoriti superpozicija u sistemu velikih razmjera, čineći ga ovisnim o kvantnoj čestici koja je bila u superpoziciji. Predložio je scenarij s mačkom u zaključanoj čeličnoj komori, pri čemu život ili smrt mačke ovisi o stanju radioaktivnog atoma, bilo da se raspada i emitira zračenje ili ne. Prema Schrödingeru, kopenhagenska interpretacija podrazumijeva da mačka ostaje i živa i mrtva dok ju neko ne promatra. Schrödinger nije želio promovirati ideju mrtvih i živih mačaka kao ozbiljnu mogućnost; naprotiv, namijenio je primjer da ilustrira apsurdnost postojećeg pogleda kvantne mehanike.
Međutim, od Schrödingerovog vremena fizičari su razvili i druge interpretacije matematike kvantne mehanike, od kojih neke smatraju mačkinu superpoziciju “živog i mrtvog stanja” sasvim stvarnom. Bez obzira da li se kutija, uređaj i mačka zapravo smatraju makroskopskim fizičkim objektima, razlikuje se u svrhi u kojoj se mislilo eksperiment koristi. Kada se koristi kao ilustrativni element u drugim misaonim eksperimentima, obično se smatra čisto metaforičnim sistemom da se izbjegne pitanje može li superpozicija trajati značajno u tako velikom obimu bez dekoherencije. Zamišljen kao kritika kopenhagenske interpretacije (prevladavajuća ortodoksija 1935.), Schrödingerov mačji eksperiment i dalje ostaje kamen temeljac za moderne interpretacije kvantne mehanike. Fizičari često koriste način na koji se svako tumačenje odnosi na Schrödingerovu mačku kao način ilustracije i uspoređivanja određenih osobina, snaga i slabosti svakog tumačenja.
Schrödinger je napisao / la:
Čak se mogu postaviti prilično smješni slučajevi. Mačka je stavljena u čeličnu komoru, zajedno sa sljedećim uređajem (koji mora biti zaštićen od direktne smetnje mačke): na Gegerovom brojaču nalazi se sitno malo radioaktivne tvari, tako malo, da je možda u toku sata kada se jedan od atoma raspada, ali isto tako, s jednakom verovatnoćom, možda i nijedan; ako se dogodi, brojač cijevi isprazni i putem releja pusti čekić koji razbija malu tikvicu cijanovodične kiseline. Ako je jedan cijeli sistem ostavio sebi sat vremena, rekli bi da mačka još živi ako se u međuvremenu ni nijedan atom ne raspadne. Prvo atomsko raspadanje otrovalo bi ga. Psi-funkcija čitavog sistema bi se izrazila time što bi živa i mrtva mačka bile pomiješane ili razmazane u jednakim dijelovima.
Tipično je za ove slučajeve da se neodređenost izvorno ograničena na atomsku domenu pretvara u makroskopsku neodređenost, koja se potom može riješiti izravnim promatranjem. To nas sprječava da naivno prihvatimo kao validan „zamagljeni model“ za predstavljanje stvarnosti. Sam po sebi, on ne bi utjelovio ništa nejasno ili kontradiktorno. Postoji razlika između drhtave fotografije i snimke oblaka i magle.
Schrödingerov čuveni misaoni eksperiment postavlja pitanje, “kada kvantni sistem prestaje postojati kao superpozicija stanja i kad postaje jedno ili drugo?” (Tehnički gledano, kada stvarno kvantno stanje prestaje biti netrivijalna linearna kombinacija stanja, od kojih svako nalikuje različitim klasičnim stanjima, i umjesto toga počinje imati jedinstveni klasični opis?). Ako mačka preživi, sjeća se samo žive . Ali objašnjenja EPR eksperimenata koja su u skladu sa standardnom mikroskopskom kvantnom mehanikom zahtijevaju da makroskopski predmeti, poput mačaka i bilježnica, nemaju uvijek jedinstvene klasične opise. Misaoni eksperiment ilustrira ovaj prividni paradoks. Naša intuicija kaže da nijedan promatrač ne može biti u mješavini stanja – ali mačka, čini se iz misaonog eksperimenta, može biti takva smjesa. Da li je mački potrebno da bude promatrač ili da li njeno postojanje u jednom dobro definiranom klasičnom stanju zahtijeva drugog vanjskog promatrača? Svaka alternativa djelovala je apsurdno Einsteinu, koji je bio impresioniran sposobnošću misaonog eksperimenta da istakne ta pitanja. U pismu Schrödingeru iz 1950. godine napisao je:
Vi ste jedini savremeni fizičar, pored Laue, koji vidi da se ne može zaobići pretpostavka stvarnosti, ako je samo jedan iskren. Većina njih jednostavno ne vidi kakvu rizičnu igru igraju sa stvarnošću – stvarnost kao nešto što je nezavisno od eksperimentalno utvrđenog. Njihovu interpretaciju, međutim, najelegantnije opovrgava vaš sistem radioaktivnog atoma + pojačalo + naboj pištolja u prahu + mačka u kutiji, u kojoj psi-funkcija sustava sadrži i mačku živu i raznesenu na komade. Nitko zaista ne sumnja da je prisustvo ili odsustvo mačke nešto nezavisno od čina opažanja.
Napominjemo da se naboj baruta ne spominje u Schrödingerovoj instalaciji, koja koristi Geigerov brojač kao pojačalo, a ugljikovodični otrov umjesto baruta. Barut je spomenut u Einsteinovoj originalnoj sugestiji Schrödinger-u, a Einstein ga je prenosio naprijed u ovu raspravu.
Interpretacije eksperimenta
Od Schrödingerovog vremena predložene su druge interpretacije kvantne mehanike koje daju različite odgovore na pitanja koja postavlja Schrödingerova mačka o tome koliko dugo traju superpozicije i kada (ili da li) propadaju.
Kopenhagenska interpretacija
Ova interpretacija kvantne mehanike je interpretacija iz Kopenhagena. U interpretaciji iz Kopenhagena, sistem prestaje biti superpozicija stanja i postaje jedno ili drugo kada se dogodi promatranje. Ovaj misaoni eksperiment otkriva činjenicu da priroda mjerenja ili promatranja nije dobro definirana u ovoj interpretaciji. Eksperiment se može protumačiti tako da sustav dok je zatvoren okvir istovremeno postoji u superpoziciji stanja “raspadnutog jezgra / mrtva mačka” i “neoplođeno jezgro / živa mačka”, i to samo kad se kutija otvori i promatranjem valna funkcijan se sruši u jedno od dva stanja.
Međutim, jedan od glavnih naučnika povezanih s interpretacijom iz Kopenhagena, Niels Bohr, nikada nije imao na umu propadanje valne funkcije uzrokovano promatračem, jer on valnu funkciju nije smatrao fizički stvarnom, već statističkim alatom; prema tome, Schrödingerova mačka nije mu predstavljala nikakvu zagonetku. Mačka bi bila mrtva ili živa mnogo prije nego što je svjesni promatrač otvorio kutiju. Analizom stvarnog eksperimenta utvrđeno je da je samo mjerenje (na primjer pomoću Geigerovog brojača) dovoljno za kolaps kvantne valne funkcije prije bilo kakvog svjesnog promatranja mjerenja, iako je valjanost njihovog dizajna osporavana. (Stav da se „opažanje“ zauzima kada čestica iz jezgre udari u detektor može se razviti u objektivne teorije kolapsa. Miselni eksperiment zahtijeva detektiranje „nesvjesnog promatranja“ kako bi se dogodio kolaps valnog oblika. Nasuprot tome, pristup mnogih svjetova negira da se kolaps ikad događa.)
Tumačenje mnogih svjetova i dosljedne historije
Hugh Everett je 1957. formulisao interpretaciju kvantne mehanike u mnogim svjetovima, koja ne izdvaja promatranje kao poseban proces. U tumačenju mnogih svjetova, i živa i mrtva stanja mačke ostaju nakon otvaranja kutije, ali su međusobno ukrašena. Drugim riječima, kad se otvori kutija, posmatrač i eventualno mrtva mačka razdvajaju se u promatrača koji gleda u kutiju sa mrtvom mačkom, a promatrač koji gleda kutiju sa živom mačkom. Ali budući da su mrtva i živa stanja dekoncentrirana, nema učinkovite komunikacije ili interakcije između njih.
Prilikom otvaranja okvira promatrač se zapetljava u mačku, pa se formiraju „posmatračka stanja“ koja odgovaraju mački da je živa i mrtva; svako promatračko stanje je zapleteno ili povezano s mačkom tako da “promatranje stanja mačke” i “stanje mačke” korespondiraju jedno s drugim. Kvantna dekoherencija osigurava da različiti ishodi nemaju međusobnu interakciju. Isti mehanizam kvantne dekoherencije važan je i za interpretaciju u smislu konzistentne istorije. Samo „mrtva mačka“ ili „živa mačka“ mogu biti dio dosljedne historije u ovom tumačenju. Smatra se da dekoherencija sprječava istovremeno opažanje više stanja.
Varijantu Schrödingerovog eksperimenta, poznatu kao mašina za kvantno samoubistvo, predložio je kosmolog Max Tegmark. Ona ispituje Schrödingerov eksperiment s mačkama s gledišta mačke i tvrdi da se pomoću ovog pristupa može razlikovati kopenhaška interpretacija i ona mnogih svijetova.
Ansambl interpretacija
Interpretacija ansambla kaže da supozicije nisu ništa drugo nego podsemenici veće statističke cjeline. Vektor stanja ne bi se primjenjivao na pojedinačne eksperimente na mačkama, već samo na statistiku mnogih sličnih pripremljenih pokusa na mačkama. Zagovornici ove interpretacije tvrde da to paradoks Schrödingerove mačke čini trivijalnom materijom, ili ne-pitanjem.
Ovo tumačenje služi za odbacivanje ideje da jedan fizički sistem u kvantnoj mehanici ima matematički opis koji mu na bilo koji način odgovara.
Relacijsko tumačenje
Relacijsko tumačenje ne čini fundamentalnu razliku između ljudskog eksperimentatora, mačke ili uređaja ili između animiranih i neživih sistema; svi su kvantni sistemi kojima vladaju ista pravila evolucije talasnih funkcija i svi se mogu smatrati “promatračima”. Ali relacijsko tumačenje omogućava da različiti promatrači mogu dati različite izvještaje o istom nizu događaja, ovisno o informacijama koje imaju o sustavu. Mačka se može smatrati posmatračem aparata; u međuvremenu, eksperiment se može smatrati drugim posmatračem sistema u okviru (mačka plus uređaj). Prije nego što se kutija otvori, mačka, po prirodi da je živa ili mrtva, ima informacije o stanju aparata (atom je propadao ili nije propadao); ali eksperimentator nema informacije o stanju sadržaja kutije. Na ovaj način, dva promatrača istovremeno imaju različite izvještaje o situaciji: Mački se činilo da „talasa“ talasna funkcija aparata; eksperimentatoru, čini se da je sadržaj kutije u superpoziciji. Sve dok se okvir ne otvori, a oba promatrača imaju iste informacije o onome što se dogodilo, čini se da se oba stanja sustava “urušavaju” u isti definitivni rezultat, mačka koja je ili živa ili mrtva.
Transakcijsko tumačenje
U transakcijskoj interpretaciji aparat emitira napredni val unatrag u vremenu, koji u kombinaciji s valom koji izvor emitira naprijed u vremenu formira stojeći val. Valovi se vide kao fizički stvarni, a aparat se smatra “posmatračem”. U transakcijskoj interpretaciji kolaps valne funkcije je “atemporal” i događa se duž cijele transakcije između izvora i aparata. Mačka nikad nije u superpoziciji. Umjesto toga, mačka je samo u jednom stanju u bilo kojem trenutku, bez obzira na to kad ljudski eksperimentator gleda u kutiju. Transakcijska interpretacija rješava ovaj kvantni paradoks.
Zeno efekti
Zeno efekt zna da uzrokuje kašnjenja u bilo kakvim promjenama od početnog stanja.
S druge strane, anti-zeno efekat ubrzava promjene. Na primjer, ako često zavirite u mačji okvir, možete uzrokovati odgađanja sudbonosnog izbora ili, obrnuto, ubrzati ga. I Zeno efekat i anti-Zeno efekat su stvarni i za koje se zna da se dešavaju sa stvarnim atomima. Kvantni sistem koji se mjeri mora biti snažno povezan s okolnim okruženjem (u ovom slučaju s aparatom, eksperimentalnom prostorom … itd.) Kako bi se dobili tačniji podaci. No, iako nema informacija koje su prenesene u vanjski svijet, smatra se kvazi-mjerenjem, ali čim se informacije o dobrobiti mačke prenose u vanjski svijet (zavirivanjem u okvir) kvazi- merenje se pretvara u mjerenje. Kvazi-merenja, poput merenja, uzrokuju efekte Zenova. Zeno efekti nas uče da bi čak i bez zavirivanja u kutiju mačkina smrt bila odgođena ili ubrzana zbog svog okruženja.
Objektivne teorije kolapsa
Prema objektivnim teorijama kolapsa, superpozicije se uništavaju spontano (bez obzira na vanjsko promatranje), kad se dostigne neki objektivni fizički prag (vremena, mase, temperature, nepovratnosti itd.). Tako bi se očekivalo da bi se mačka doselila u određeno stanje puno prije otvaranja kutije. To bi se moglo lagano izraziti kao “mačka promatra sebe” ili “okolina promatra mačku”.
Objektivne teorije kolapsa zahtijevaju modifikaciju standardne kvantne mehanike kako bi se omogućilo uništavanje superpozicija procesom evolucije vremena.
Prijave i testovi
Schrödingerova mačja kvantna superpozicija stanja i utjecaja okoline kroz dekoherenciju Opisani eksperiment je čisto teorijski i nije poznato da je predloženi stroj konstruiran. Međutim, uspješni eksperimenti koji uključuju slične principe, npr. izvršena su superpozicije relativno velikih (po standardima kvantne fizike) objekata. Ovi eksperimenti ne pokazuju da se objekt veličine mačke može nanositi, ali već ih je gornja granica “stanja mačaka” pomaknula prema gore. U mnogim slučajevima stanje je kratkotrajno, čak i kada se ohladi na gotovo apsolutnu nulu.
Eksperiment koji uključuje superprevodni uređaj za kvantnu interferenciju (“SQUID”) povezan je s temom misaonog eksperimenta: “Stanje superpozicije ne odgovara milijardi elektrona koji teku jednim smjerom i milijardi drugih koji teče drugim putem. Superprevodni elektroni se kreću masovno. Svi supravodljivi elektroni u SQUID struji oba puta oko petlje odjednom kada su u Schrödingerovom mačjem stanju. Izgrađen je piezoelektrični “tuning vilica”, koji se može staviti u superpoziciju vibrirajućeg i ne vibrirajućeg stanja. Rezonator sadrži oko 10 biliona atoma. Predložen je eksperiment koji uključuje virus gripa. Predložen je eksperiment koji uključuje bakteriju i elektromehanički oscilator. U kvantnom računanju izraz “mačje stanje” ponekad se odnosi na stanje GHZ, pri čemu je nekoliko kubita u jednakom superpoziciji od svih 0 i svi su 1; npr.
Prema barem jednom prijedlogu, moguće je utvrditi stanje mačke prije nego što je promatrate.
Proširenja
Wignerov prijatelj varijanta eksperimenta sa dva ljudska promatrača: prvi vrši promatranje vidi li bljesak svjetlosti, a zatim svoje promatranje prosljeđuje drugom promatraču. Ovdje je pitanje: da li se valna funkcija “kolabira” kada prvi promatrač pogleda eksperiment, ili tek kad drugi promatrač bude obaviješten o opažanjima prvog promatrača?
U drugom su dodatku ugledni fizičari otišli toliko daleko da su sugerisali da su astronomi koji su 1998. promatrali tamnu energiju u svemiru možda “smanjili životni vijek” kroz pseudo-Schrödinger-ov scenarij za mačke, iako je to kontroverzno stajalište.
Einsteinova teorija posebne relativnosti donijela nam je jednu od najpoznatijih jednadžbi u nauci,
E = mc2,
i pokazala da su energija i masa ekvivalentne. U našem modernom, visokotehnološkom svijetu, operacije koje uključuju pohranu i obradu digitalnih podataka zahtijevaju ogromne količine energije. To ustupa mjesto teoriji koja stoji iza principa ekvivalencije masa-energija-informacija, ideji da, jer bit informacije je energija, mora imati i masu. Landauerov princip povezuje termodinamiku i digitalne informacije putem logičke nepovratnosti. Eksperimenti su dokazali da postupak brisanja malo informacija rasipa toplotnu energiju, ali jednom kada se informacije stvore, one se mogu pohraniti bez gubitka energije. Melvin Vopson predlaže da se to dogodi jer jednom kada se stvore informacije, ona dobiju ograničenu masu. “Ova je ideja u principu laboratorijski ispitiva”, rekao je Vopson. Predlaže da se izvrše mjerenja mase uređaja za digitalno pohranjivanje podataka kad ima punu memoriju. Ako ima više mase nego kad je izbrisana memorija uređaja, to bi značilo da je ekvivalencija podataka sa masom-energijom tačna.
Ako se teorija potvrdi, implikacije bi imale utjecaj koji bi mogao promijeniti način na koji gledamo na čitav svemir. “Više od 60 godina neuspješno pokušavamo otkriti, izolovati ili razumjeti misterioznu tamnu materiju”, rekao je Vopson. “Ako informacija zaista ima masu, digitalni informativni svemir bi sadržavao puno toga, a možda bi ta tamna tvar koja nedostaje mogla biti informacija.” Nažalost, uzimanje izuzetno malih mjerenja potrebnih za takvu preciznost trenutno može biti nedostižno. Vopson predlaže da bi sljedeći korak u dobijanju odgovora mogao biti osjetljiv interferometar sličan LIGO-u ili ultra osjetljivoj Kibble ravnoteži.
Povoljna čista energija zvuči kao san. Naučnici već dugo misle da bi nuklearna fuzija, vrsta reakcije koja se odvija na zvijezdama poput Sunca, mogla biti jedan od načina da se to desi, ali reakcija je previše teška za održavanje.
Sada smo bliži nego ikad prije nego to postignemo- fizičari sa Univerziteta u Tokiju (UTokyo) kažu da su proizveli najsnažnije ikada kontrolisano magnetsko polje.
“Jedan od načina za proizvodnju fuzijske energije jeste ograničavanje plazme – more napunjenih čestica – u velikom prstenu nazvanom tokamak kako bi se izvukla energija iz njega”, rekao je vodeći istraživač Shojiro Takeyama u saopštenju za javnost. Magnetno polje koje tokamak zahtijeva je “sjajno slično onome što naš uređaj može proizvesti”, rekao je. Da bi generisali magnetno polje, istraživači u UTokyo su napravili sofisticirani uređaj sposoban za elektromagnetnu-fluks-kompresiju (EMFC), metod generiranja magnetnog polja koji je pogodan za unutrašnje poslovanje.
Koristeći uređaj, mogli su proizvesti magnetno polje od 1.200 tesla-oko 120.000 puta jače od magneta koji lijepite na vaše frižider. Iako nije najsnažnije polje ikada stvoreno, fizičari su bili u stanju da ga održe 100 mikrosekundi, hiljadama puta duže od prethodnih pokušaja. Takođe su mogli da kontrolišu magnetno polje, tako da nisu uništili njihovu opremu kao neki prethodni pokušaji stvaranja moćnih polja. Kao što je u saopštenju za medije naveo Takeyama, to znači da njegov tim može da stvori blizu minimalne jačine magnetnog polja i trajanja potrebnog za stabilnu nuklearnu fuziju – i sve nas korak postavlja bliže neograničenoj čistoj energiji koju smo sanjali gotovo stoljeće.
Eksperiment je potvrdio da kvantna mehanika dozvoljava događaje da se dogode bez određenog uzročnog poretka. Rad su obavili Jacqui Romero, Fabio Costa i kolege na Univerzitetu Queensland u Australiji, koji kažu da bi bolje razumijevanje ovog neograničenog uzročnog poretka moglo ponuditi put ka teoriji koja kombinuje Einsteinovu opću teoriju relativnosti s kvantnom mehanikom.
U klasičnoj fizici – i svakodnevnom životu – postoji stroga uzročna veza između uzastopnih događaja. Ako se drugi događaj (B) desi nakon prvog događaja (A), na primjer, onda B ne može utjecati na ishod A. Ovaj odnos, međutim, se razbija u kvantnoj mehanici jer je vremensko širenje talasne funkcije čestica veće od razdvajanja u vremenu između A i B. To znači da se uzročni red A i B ne može uvijek razlikovati od kvantnih čestica kao što je foton.
U svom eksperimentu, Romero, Costa i kolege stvorili su “kvantni prekidač”, u kojem fotoni mogu potrajati dva puta. Jedan put uključuje operaciju A prije operacije B, dok se na drugoj putanji B pojavljuje prije A. Red u kojem se operacije vrše određuje se početnom polarizacijom fotona dok ulazi u prekidač.
Eksperiment uključuje korišćenje polarizacionog snopa, koji šalje fotone različitih polarizacija duž različitih staza. Izvor fotona je dijagonalno polarizovan u odnosu na snop, što znači da postoji 50% šansa da će foton uzeti bilo koji put.
Izvanredno
Dva su puta rekombinirana i izmjerena polarizacija fotona. Operacije A i B su dizajnirane tako da redoslijed kojim se primjenjuju na fotone utječe na polarizaciju izlaznog fotona – ako sustav ima određenu uzročnost.
Tim je uradio eksperiment pomoću nekoliko različitih vrsta rada za A i B te u svim slučajevima su otkrili da je izmjerena polarizacija fotona u skladu da nije definitivan uzročni red između kada je primijenjen A i B. Doista, mjerenja neodređenog kauzalnog reda imaju nevjerojatnu statističku značajnost 18σ – daleko iznad praga 5σ koji se smatra otkrićem u fizici.
Kao i stvaranje eksperimentalne veze između relativnosti i kvantne mehanike ovaj kvantni prekidač mogao bi naći primjenu u kvantnoj tehnologiji. „Ovo je samo prvi dokaz principa, ali na većem mjerilu neodređeni kauzalni red može imati stvarne praktične primjene, kao što je stvaranje učinkovitijih računala ili poboljšanje komunikacije”, kaže Costa.
Vještačka crna rupa koja zarobljava zvuk umjesto svjetlosti je napravljena u pokušaju da otkrije teorijsko Hawking zračenje. Zračenje koje je pretpostavio Stephen Hawking prije više od 30 godina, izaziva da crne rupe s vremenom ispare.
Astrofizičke crne rupe nastaju kada materija postane toliko gusta da se sruši do tačke nazvane singularitet. Gravitacija crne rupe je toliko velika da ništa – čak ni svetlost ne može pobjeći od granice oko iste koja se zove horizont događaja.
Ali fizičari takođe razvijaju “crne rupe” za zvuk. Oni to rade kopiranjem materijala koji se kreće brže od brzine zvuka u tom mediju, tako da mogu putovati što je brže moguće. Zvuk je efektno zarobljen u toku poput horizonta događaja.
Kvantno stanje
Fizičari materijal na koji se fokusiraju nazivaju Bose-Ajnštajnov kondenzat (BECs), kvantno stanje materije gde se više atoma ponašaju kao jedan atom.
Kondenzati su napravljeni koji se ranije supersonično kreću, tako da su fizičari vjerovatno stvorili akustične crne rupe u procesu rada sa BEC-ima, kaže Eric Cornell sa Univerziteta Kolorado u Boulderu, koji je podijelio Nobelovu nagradu 2001 za razvoj Bose-Einstein kondenzata.
Ali kaže da je nova studija Jeff Steinhauer-a iz Technion-Izraelskog instituta za tehnologiju u Haifi i kolegama prvi dokumentovani eksperiment koji je direktno usmjeren na proizvodnju Hokingovog zračenja u BEC-u.
Supersonski tok
Tim je ohladio 100.000 ili tako nagomilanih atoma rubidijuma na nekoliko milijardi stepeni iznad apsolutne nule i zarobio ih magnetnim poljem. Uz pomoć lasera, istraživači su zatim stvorili bunar električnog potencijala koji je privukao atome i izazvao ih da jure brže od brzine zvuka u materijalu.
Ovaj setup je stvorio supersonički tok koji je trajao oko 8 milisekundi, koji je blago formirao akustičnu crnu rupu koja je sposobna zarobiti zvuk.
Implikacije takvog rada mogle bi biti duboke, jer bi moglo dovesti do prve detekcije Hokingovog zračenja.
Kvantna mehanika kaže da se parovi čestica mogu spontano pojaviti u praznom prostoru. Ovi parovi, koji se sastoje od čestice i njene antičestice, treba da postoje za trenutak prije nego se anihiliraju i nestanu.
Međutim, sedamdesetih godina prošlog vijeka, Hoking je predložio da ako su parovi stvoreni blizu ivice crne rupe, jedna čestica može da padne prije nego što se uništi, ostavljajući svog partnera da se nasloni izvan horizonta događaja. Za posmatrače, ova čestica bi se pojavila kao zračenje. U akustičkim crnim rupama, Hokingova radijacija bi se nalazila u obliku čestica poput vibracione energije zvane fononi.
Veliki bonus
Pronalazak Hokingovog zračenja bi bio veliki bonus za fiziku, kaže kosmolog Šon Carroll iz kompanije Caltech.
To je zato što Hokingova teorija pravi neke fundamentalne propozicije o tome kako kvantna mehanika radi u prostoru koji je zakrivljen gravitacijom. Osnovna matematika se koristi za izračunavanje kako se Univerzum ponašao tokom perioda koji se naziva inflacija, kada se prostor brzo proširio brzo nakon velikog udara.
Međutim, detektovanje Hokingovog zračenja kroz astronomska opažanja je teško, jer isparavanje tipičnih crnih rupa zamagljeno je višegeneracijskim izvorima zračenja, uključujući kosmičku mikrotalasnu pozadinu, pozadinu velikog praska.
‘Prvi korak’
I istraživači još uvijek trebaju puno vremena prije nego što otkriju Hawking zračenje u akustičnim crnim rupama. Tim Steinhauer-a, na primjer, procjenjuje da povećanje brzine koje atomi dobijaju u njihovoj instalaciji mora biti oko 10 puta veće kako bi se stvorio detektabilno Hokingovo zračenje u obliku fonona.
“U stvari, otkrivanje zvučnih talasa koje proizvede crne rupe je stvarno teško. Ali ovo je uzbudljiv prvi korak “, kaže Bill Unruh sa Univerziteta u Britanskoj Kolumbiji u Vankuveru, Kanada, koji je prvo predložio ideju korištenja kvantnih tečnosti za stvaranje vještačkih horizonata.
Kornell se slaže, dodajući da tim treba mnogo gladak tok da napravi BEC-a kako bi izmerio suptilan znak Hokingovog zračenja. “Ono što su uradili jeste lagan dio”, rekao je New Scientistu. “Težak dio je to učiniti na tako tih način da vidite sve male fluktuacije na vrhu svih nasilnih stvari koje ste učinili u kondenzatu [da biste ga učinili supersonicom].”
Cornell i njegove kolege grade sopstvenu eksperimentalnu postavku kako bi proizveli akustične horizonte događaja.
Laserski impulsi
I drugi se nadaju da će u laboratoriji napraviti detektivno Hokingovo zračenje koristeći svetlost. 2008. godine tim je stvorio horizont događaja u optičkom vlaknu, koristeći činjenicu da se različite talasne dužine svjetlosti kreću različitim brzinama.
To su uradili slanjem relativno usporenog impulsa niz vlakno. Ovo je iskrivilo optičke osobine optičkog vlakna, tako da kada je drugi, brži puls uhvaćen sa prvim, bio je usporen i efektivno postao zarobljen iza horizontalnog fronta prvog pulsiranja.
Još uvijek je moguća astrofizička detekcija Hokingovog zračenja. Što je manja crna rupa, to je veća energija koja je njegovo Hoking zračenje. Dakle, isparavanje mikroskopskih crnih rupa koje neki istraživači sumnjaju su stvorene gotovo odmah nakon velikog udarca moglo bi se otkriti pomoću NASA-ovog Fermi Gamma-ray svemirskog teleskopa, koji je lansiran 2008. godine.
Godine 1963. godine, MARIA Goeppert Mayer je dobila Nobelovu nagradu za fiziku za opisivanje slojevitih struktura atomskih jezgara. Od tada nijedna žena nije dobila Nobelovu nagradu za fiziku.
Jedna od mnogih žena koje su, u nekom drugom svijetu, osvojile nagradu fizike u zadnjih 55 godina, je Sau Lan Wu. Wu je ugledni profesor fizike Enrico Fermi na Univezitetu u Wisconsinu u Madisonu i eksperimentalac u CERN-u, u laboratoriju u blizini Ženeve, gdje se nalazi Veliki hadronski sudarivač. Wuovo ime pojavljuje se na više od 1.000 radova u visokoenergetskoj fizici, a posljednjih je 50 godina pridonijela pola desetina najvažnijih pokusa na ovom području. Čak je postigla i nevjerojatan cilj koji je postavila za sebe kao mladu istraživačicu: napraviti barem tri glavna otkrića.
Wu je bio sastavni član jedne od dvije skupine koje su promatrale J / psi čestice, koje su objavile postojanje četvrte vrste kvarkova, sada nazvanog šarmom. Otkriće je 1974. godine poznato kao revolucija u Novembru, koja je dovela do uspostave standardnog modela fizike čestica. Kasnije sedamdesetih godina, Wu je napravila velik dio matematike i analize kako bi prepoznao tri “mlaznica” energije koja su letjela od sudara čestica koja su signalizirala postojanje gluonih čestica koje posreduju u snažnoj sili koja sadrži protone i neutrone. Ovo je bilo prvo promatranje čestica koje komuniciraju sila budući da su naučnici priznavali fotone svjetlosti kao nosioce elektromagnetizma. Wu je kasnije postala jedan od voditelja skupine za ATLAS eksperiment, jednu od dvije suradnje Large Hadron Collidera koji je otkrio Higgs boson u 2012, popunjavajući posljednji dio Standardnog modela. Ona i dalje traži nove čestice koje će nadići Standardni model i gurati fiziku prema naprijed.
Sau Lan Wu je rođena u okupiranom Hong Kongu tokom Drugog svjetskog rata. Njena majka bila je šesta supruga bogatog biznismena koji ih je napustio i kada je Wu bila dijete. Odrastala je u užasnom siromaštvu, spavala je samo u prostoru iza prodavnice pirinča. Njena majka je bila nepismena, ali je pozvala svoju ćerku da nastavi obrazovanje i postane nezavisna od nestabilnih muškaraca.
Wu je diplomirao na državnoj školi u Hong Kongu i prijavila se na 50 univerziteta u Sjedinjenim Državama. Dobila je stipendiju da prisustvuje koledžu Vassar i stigla je sa 40 dolara.
Iako je prvobitno namjeravala postati umjetnica, bila je inspirisana da proučava fiziku nakon čitanja biografije Marie Curie. Radila je na eksperimentima tokom uzastopnih letova u Nacionalnoj laboratoriji Brookhaven na Long Islandu, a pohađala je fakultet na Univerzitetu Harvard. Bila je jedina žena u njenoj grupi . Od tada je radila kako bi napravila prostor svima u fizici, i podučavala više od 60 muškaraca i žena kroz svoje doktorate.
Magazin Quanta se pridružio Sau Lan Wu na sivom kauču u sunčanom Clevelandu početkom juna. Upravo je održala predavanje o otkrivanju gluona na simpozijumu u čast 50. rođendana Standardnog modela.
Slika 1: MARIA Goeppert Mayer u CERN – u
Tu je rekla da joj je tipičan dan jako naporan jer radi u CERN – u. Ima muža koji radi na Harwardu kao profesor fizike, a koji radi i više od nje, po njenom savjetu, jer raditi naporno je dobro po mentalno zdravlje u starijim godinama.
Otkriti gluon joj je bilo jako uzbudljivo, jer je bila i najmlađi član tima koji ga je otkrio.
Na pitanje kako je uspjela baš ona da napravi to otkriće rekla je da ako želite da budete uspješni morate biti brzi i morate da budete prvi.
Učestvovala je i na otkriću Higzovog bozona za koji kaže da je radila na njemu 30 godina radeći eksperiment za eksperimentom. Iako je kaže ATLAS koalaboracija u CERN- u tako velika da ne možete govoriti o individualnim zaslugama. ATLAS broji oko 3000 članova.
Slika 2: dio ATLAS tima
Kaže da je danas lakše za žene u nauci nego kad je ona počela raditi.
Danas je Standardni model tako dobro razvijen da slabo ima iznenađenja, iako nije potpun jer ne objašnjava i gravitaciju. Ona radi i na tom problemu, istraživanju tamne materije i daljnjem proučavanju Higzovog bozona.
Slika 3: Wu u CERN – u
Neki od mladih eksperimentalaca danas su previše konzervativni. Drugim riječima, oni se plaše da rade nešto što nije u mainstreamu. Oni se plaše da rade nešto rizično i ne dobiju rezultat. Ne krivim ih. Tako je kultura. Moj savjet je da shvate koji su najvažniji eksperimenti, a zatim da budu uporni. Dobri eksperimenti uvijek zahtjevaju vrijeme.
“Jedino što možete učiniti je da naporno radite. Ali, takođe kažem svojim učenicima: “Komunicirajte. Ne zatvarajte se. Pokušajte da sami donesete dobre ideje ali i u grupi. Pokušajte biti inovativni. Ništa neće biti lahko, ali je vrijedno truda da se otkrije nešto novo. “,
Foton ima energiju i energija je ekvivalentna masi. Fotoni se tradicionalno smatraju bezmasivnim.
Logika se može konstruirati na mnogo načina, a slijedeća je jedna takva. Uzmi izolirani sustav (zvan “čestica”) i ubrzajte ga do neke brzine v (vektor). Newton je odredio “zamah” p ove čestice (također vektor), tako da se p ponaša na jednostavan način kad se čestica ubrzava ili kada je uključena u sudar. Za to jednostavno ponašanje ispada da p mora biti proporcionalan v. Konstanta proporcionalnosti naziva se “masa” m čestice, tako da p = mv.
U posebnoj relativnosti, ispada da još uvijek možemo odrediti zamah čestice tako da se ponaša na dobro definiranim načinima koji su proširenje newtonijskog slučaja. Iako p i v još uvijek ukazuju u istom smjeru, ispada da više nisu proporcionalni; najbolje što možemo učiniti jest povezati ih preko “relativističke mase” čestice. Tako
p = m * vr. Kada je čestica u mirovanju, njena relativistička masa ima minimalnu vrijednost nazvanu “masa mirovanja”. Masa mirovanja uvijek je ista za istu vrstu čestice. Na primjer, svi protoni imaju identične mase mirovanja, a tako i svi elektroni, a isto tako i svi neutroni; ove se mase mogu pogledati u tablici. Kako se čestica ubrzava na sve veće brzine, njena relativistička masa povećava se bez ograničenja.
Također se pokazuje da u posebnoj relativnosti možemo odrediti pojam “energije” E, tako da E ima jednostavna i dobro definirana svojstva baš poput onih koje ima u newtonskoj mehanici. Kada je čestica ubrzana tako da ima neki zamah p (duljina vektora p) i relativističku masu, onda njena energija E ispada da je:
Postoje dva zanimljiva slučaja ove posljednje jednadžbe:
Ako je čestica u mirovanju, onda p = 0, i energija je jednaka proizvodu mase mirovanja i kvadrata brzine. Ako postavimo da je masa mirovanja jednaka nuli (bez obzira je li to razumna stvar za napraviti), onda je E = pc. U klasičnoj elektromagnetskoj teoriji, svjetlost pokazuje da ima energiju E i momentum p, a veza im je E = pc. Kvantna mehanika uvodi ideju da se svjetlost može promatrati kao zbirka “čestica”: fotona. Iako se ti fotoni ne mogu odmarati, pa se ideja mase mirovanja zapravo ne odnosi na njih, sigurno možemo donijeti ove “čestice” svjetla u jednadžbe tako što smatramo da nemaju masu mirovanja. Na taj način, gornja jednadžba daje ispravan izraz svjetlosti, E = pc. Gornja jednadžba se može primijeniti na čestice materije i “čestice” svjetlosti. Sada se može koristiti kao potpuno općenita jednadžba, što ju čini vrlo korisnom.
Postoje li eksperimentalni dokazi da foton ima nultu masu mirovanja?
Alternativne teorije fotona uključuju pojam koji se ponaša kao masa, a to dovodi do vrlo napredne ideje “masivnog fotona”. Ako ostatak mase fotona nije nula, teorija kvantne elektrodinamike bi bila “u nevolji” prvenstveno kroz gubitak invariancije. Također, očuvanje naboja više ne bi bila apsolutno zajamčeno, kao što je to ako fotoni imaju nultu masu mirovanja. No, bez obzira na to što bilo koja teorija mogla predvidjeti, još uvijek je potrebno provjeriti to predviđanje metodom eksperimenta.
Gotovo je sigurno nemoguće napraviti bilo koji pokus koji bi utvrdio masu mirovanja fotona da bude tačno nula. Najbolje što se možemo nadati jest postaviti granice na nju. Nenulta masa mirovanja predstavljala bi mali faktor prigušenja u inverznom kvadratnom Coulombovom zakonu elektrostatskih sila. To znači da bi elektrostatska sila bila slabija na vrlo velikim udaljenostima.
Isto tako, ponašanje statičkih magnetskih polja bit će modificirano. Gornja granica fotonske mase može se zaključiti putem satelitskog mjerenja planetarnih magnetskih polja. Letjelica Explorer je korištena za određivanje gornje granice od 6 × 10-16 eV s velikom sigurnošću. To je malo poboljšano 1998. godine od strane Roderic Lakesa u laboratorijskom eksperimentu koji je tražio anomalne sile na ravnoteži Cavendish. Nova granica je 7 × 10-17 eV. Studije galaktičkih magnetskih polja ukazuju na mnogo bolju granicu od manje od 3 × 10-27 eV, no postoji sumnja u valjanost ove metode.
Površinski objekat za eksperiment IceCube, koji se nalazi ispod 1,6 kilometara leda na Antarktiku. IceCube sugeriše da duh neutrini ne postoje, ali novi eksperiment pokazuje suprotno.
Kredit: IceCube Neutrino opservatorije
Naučnici su proizveli čvrste dokaze o takozvanim sterilnim neutrinama, misterioznim česticama koje prolaze kroz materiju, bez interakcije sa njom.
Prvi nagovještaji ovih čestica pojavili su se prije nekoliko decenija. Ali nakon godina posvećenih pretraživanju, naučnici nisu mogli pronaći nijedan drugi dokaz za njih, uz mnoge eksperimente koji su u suprotnosti sa tim starim rezultatima. Ovi novi rezultati sada ostavljaju naučnike sa dva robustna eksperimenta koji pokazuju postojanje sterilnog neutrina, iako drugi eksperimenti i dalje ukazuju na to da sterilni neutrini uopšte ne postoje.
To znači da se u Univerzumu nešto čudno dešava što čini najsavremenije fizičke eksperimente čovječanstva u suprotnosti jedne s drugima.
Sterilni neutrini
Sredinom devedesetih godina, detektor neutrino tečnog scintilatora (LSND), eksperiment u Nacionalnoj laboratoriji Los Alamos u Novom Meksiku, otkrio je misterioznu novu česticu: “sterilni neutrino” koji prolazi kroz materiju bez interakcije sa njom. Ali taj rezultat se ne može replicirati; drugi eksperimenti jednostavno nisu mogli pronaći nikakav trag skrivene čestice. Tako je rezultat bio zanemaren.
Sada, MiniBooNE – eksperiment u Fermi National Accelerator Laboratoriji (Fermilab), koji se nalazi blizu Čikaga – ponovo je pokupio miris skrivenih čestica. Novi papir objavljen na serveru preprinta arXiv nudi toliko dovoljno pouzdane dokaze o nedostajućem neutrinu da su fizičari digli alarm u vezi toga.
Ako novi rezultati MiniBooNE-a budu ispravni, “To bi bilo ogromno, to je van standardnog modela, što bi zahtjevalo nove čestice … i potpuno novi analitički okvir”, rekla je Kate Scholberg, fizičarka čestica na Duke Univerzitetu koja nije bio uključena u eksperiment.
Standardni model fizike dominirao je naučnicima da shvataju Univerzum više od pola vijeka. To je lista čestica koja, zajedno, idu dug put ka objašnjenju kako materija i energija interaguju u kosmosu. Neke od ovih čestica, poput kvarkova i elektrona, prilično se mogu zamisliti: oni su građevinski elementi atoma koji čine sve što ćemo ikada dodirivati rukama. Drugi, poput tri poznata neutrina, su apstraktniji: oni su visoko-energetske čestice koje protiču kroz univerzum, jedva su u interakciji sa drugom materijom. Milijarde neutrina sa Sunca prolaze kroz nas svake sekunde, ali uglavnom nemaju nikakav uticaj na čestice napeg tijela.
Elektronski, muonski i tau neutrini – tri poznata “ukusa” – međutim, međusobno djeluju sa materijom, iako kroz slabu silu (jednu od četiri osnovne sile Univerzuma) i gravitaciju. (Njihovi antimaterijski blizanci ponekad imaju veze i sa materijom.) To znači da ih specijalizovani detektori mogu naći, izlazeći iz Sunca, kao i iz određenih ljudskih izvora, kao što su nuklearne reakcije. Ali eksperiment LSND-a, Scholberg je rekao za Live Science, pružio je prvi čvrst dokaz da ono što ljudi mogu otkriti možda nije puna slika.
Kako talasi neutrina prolaze kroz prostor, periodično “osciliraju”, skakaju napred i nazad između jednog ukusa i drugog, objasnila je ona. I LSND i MiniBooNE uključuju pucanje greda neutrina kod detektora skrivenog iza izolatora kako bi se blokiralo sve drugo zračenje. (U LSND, izolator je bio voda, u MiniBooNE-u, to je dno ulja.) I pažljivo procjenjuju koliko neutrina svake vrste napada detektor.
Oba eksperimenta su sada prijavila više detekcija neutrina nego što opisuje standardni model oscilacije neutrina koji su opisali autori u radu. To sugeriše, napisali su, da neutrini osciliraju u skrivene, teže, “sterilne” neutrine koje detektor ne može direktno detektovati prije osciliranja nazad u detektabilnu oblast. Rezultati MiniBooNE-a su imali standardnu devijaciju mjerenu na 4,8 sigma, samo su sjajni od fizičkih pragova 5,0. (Rezultat 5-sigma ima 1-u-3,5 miliona šanse da je rezultat slučajnih fluktuacija u podacima.) Istraživači su napisali da MiniBooNE i LSND zajedno predstavljaju rezultat od 6,1 sigma (što znači vjerojatnost od jedan u 500 miliona mada su neki istraživači izrazili skeptičan stav o toj tvrdnji.
Ako su LSND i MiniBooNE bili jedini eksperimenti sa neutrinima na Zemlji, Scholberg je rekao, to bi bio kraj toga. Standardni model bi se ažurirao da uključi neku vrstu sterilnog neutrina.
Ali postoji problem. Drugi glavni neutrino eksperimenti, poput podzemnog projekta Oscilacija sa eksperimentom za praćenje emulzije u Švajcarskoj, nisu našli anomaliju koju su sada vidjeli i LSND i MiniBooNE.
Još nedavno, 2017. godine, nakon što Opservatorij IceCube Neutrino na Antarktiku nije uspio da prikaže dokaze o sterilnim neutrinama, istraživači su uložili slučaj na Live Science da je još jedan prijavljeni signal čestica – nedostajućih antineutrina oko nuklearnih reaktora – bila greška i zapravo je rezultat loših proračuna.
Sterilni neutrini nisu bili odbačena ideja, rekao je Šolberg, ali nisu prihvatili nauku.
Rezultat MiniBooNE-a komplikuje sliku čestica.
“Postoje ljudi koji sumnjaju u rezultat”, rekla je ona, “ali nema razloga da mislite da nešto nije u redu [sa samim eksperimentom].”
Moguća je, rekla je ona, da se anomalija u eksperimentima LSND i MiniBooNE može ispostaviti kao “sistematična”, što znači da postoji nečije pitanje o tome kako neutrini interaguju sa eksperimentalnim postavkama koje naučnici još uvijek ne razumiju. Ali, takođe je sve više i više moguće da će naučnici morati objasniti zašto mnogi drugi eksperimenti ne otkrivaju vrlo stvarne sterilne neutrine koji se pojavljuju u laboratorijama Fermilab i Los Alamos Lab. Ako je to slučaj, moraće da revidiraju svoje cijelo razumjevanje Svemira u tom procesu.
