Annons

Kvantfysik

Nu har bisarra kvanteffekter fått begripliga mått

Fysiker i Tyskland har räknat ut hur fet en katt kan vara. Inte vilken katt som helst, utan Schrödingers katt – den som kan vara både död och levande samtidigt om den är instängd i en låda.

Schrödingers katt är måhända ett av de mest kända exemplen på hur galen kvantfysiken kan vara. Det var en katt i huvudet på österrikaren Erwin Schrödinger, en av kvantfysikens pionjärer.

I sitt tankeexperiment talade Schrödinger om en katt instängd i en låda, som både är levande och död ända tills någon tittar efter.

Det är ett extremt exempel på vad kvantfysiken kallar superposition – att atomer kan finnas i två tillstånd samtidigt innan en mätning görs som bryter förtrollningen.

I princip ska kvantfysiken styra allt, inte bara den mikroskopiska världen utan även vår vardag. Men så är det ju inte, vi kan aldrig se en katt som samtidigt är levande och död. Något förstör kvanttillståndet, men varför det är så finns det olika åsikter om. Kanske finns det en gräns där kvantfysikens lagar byts mot den klassiska fysikens. Eller så är övergången mer gradvis, när bruset från omgivningen förstör kvantfysikaliska effekter.

För att ringa in var kvantfysiken bryter ihop har forskarna försökt att skapa superposition hos allt större objekt. Frågan är bara hur stora objekten egentligen ska anses vara. Ska man till exempel ange antalet atomer i experimentet eller antalet partiklar som bygger upp atomerna?

Nu föreslår ett par tyska forskare ett mått, µ, som kombinerar flera egenskaper samtidigt hos en superposition. I det ingår bland annat hur länge superpositionen varar och hur stor massan är hos kvantsystemet. Räknat på det viset blir rekordet 356 atomer som samtidigt svävade i två olika kvanttillstånd hos en fysikergrupp i Wien år 2007. Kvantsystemet har då µ=12. Men katten då? Fysikerna beräknade att en katt på fyra kilo, som på kvantfysikaliskt vis sitter på två platser samtidigt med 10 centimeters avstånd, skulle ha µ=57. Det motsvarar en elektron svävande i en superposition under 1057 (en siffra som är en etta följd av 57 nollor) sekunder. Det är en ungefär 1039 gånger mer än universums ålder.

– Man ska aldrig säga aldrig. Men förmodligen kommer vi inte någonsin att få se en Schrödingers katt, säger Stefan Nimmrichter, fysiker från universitetet i Duisburg, som gjorde beräkningen.

Schrödingers katt är måhända ett av de mest kända exemplen på hur galen kvantfysiken kan vara. Det var en katt i huvudet på österrikaren Erwin Schrödinger, en av kvantfysikens pionjärer.

Kvantgas lurar termometern

Vid normal nedkylning hamnar de flesta atomer (blå) nära den absoluta nollpunkten, bara några få av dem har högre energi. Vid negativa temperaturer är fördelningen spegelvänd – de flesta atomerna (röda) upptar högsta energivärden, strax under absoluta nollpunkten. Bild: LMU / MPQ Munich

Kvantgas lurar termometern

Nu har atomer med negativ temperatur, under den absoluta nollpunkten, blivit hetast i världen.

En grupp fysiker i Tyskland har lyckats skapa gas med en temperatur under den absoluta nollpunkten. Nya exotiska kvantmaterial hägrar, liksom också en möjlig lösning på en kosmologisk gåta om vad den mörka energin som töjer ut hela universum är för något. Gasen kan även kopplas till andra bisarra företeelser, som negativt tryck eller maskiner som har en effektivitet på över 100 procent.

Negativ temperatur låter som en paradox, eftersom noll Kelvin (– 273,15 grader Celsius) normalt ses som den lägsta möjliga temperaturen. Hur kan då temperaturen falla under absoluta nollpunkten? Paradoxen hänger ihop med hur temperatur definieras. För det mesta finns det ju inga problem med minusgrader.

På Celsiusskalan är noll grader temperaturen då vatten fryser till is och 100 grader då vatten börjar koka. Daniel Fahrenheit, uppfinnaren av kvicksilvertermometern, utgick i stället från en saltlösning, vilket innebär att vatten fryser vid 32 grader Fahrenheit och kokar vid 212.

Först i slutet av 1800-talet kopplade fysikerna temperatur till energi. Temperatur hos en gas blev ett mått på gaspartiklarnas kaotiska rörelse. Beräkningar visade då att gasens temperatur är proportionell mot ett medelvärde på gasmolekylernas rörelseenergi. Där all rörelse avstannar satte William Thomson Kelvin noll på sin temperaturskala. Något högsta värde finns inte; i princip har man tänkt sig att gaspartiklarna får röra sig hur mycket som helst.

Men redan på 1950-talet upptäckte fysikerna att det inte alltid behöver vara så. Magnetiska fält, till exempel, kunde begränsa partiklarnas energi, och därmed temperatur, till ett bestämt maximum. Ibland kunde alla partiklar uppnå maximum samtidigt, vilket kan ses ett slags spegelbild av den absoluta nollpunkten, där alla partiklars rörelse upphört. Partiklarna på andra sidan spegeln sägs då ha fått negativ temperatur.

Termerna negativ och positiv temperatur blir förvirrande här, eftersom de härstammar från en tid då man inte kände till sådana exotiska material hos vilka den inre ordningen ökar med ökande temperatur.

Hur ska man tänka sig detta? I vanlig gas minskar molekylernas kaotiska rörelse ju mer de avkyls, alltså blir av med energi. Hos gas med negativ temperatur blir det tvärtom – det inre kaoset försvinner ju mer energi som gasen tillförs, ända till det maximalt möjliga värdet, då gasens molekyler är mest ordnade. Gasen kan alltså tänkas närma sig den absoluta nollpunkten från motsatt håll; noll Kelvin blir här en effekt av maximal energi, inte minimal. Alltså blir noll Kelvin också ett tillstånd med högsta möjliga energi för denna gas.

Nyligen lyckades en grupp forskare vid Institutet för kvantoptik i Garching, Tyskland, för första gången att stänga in 100 000 gasatomer i en fälla, ett gitter, där de inte kunde röra sig fritt. På så sätt uppnådde gasen minus några miljarddelar Kelvin.

Experimentet genomfördes med hjälp av magnetiska fält och laserljus i vakuum. Detta krävdes, eftersom i mötet med materia med positiv temperatur så försvinner gasens exotiska egenskaper och den lämnar ifrån sig energi. Eftersom energi alltid går från högre till lägre, så är materia med negativ temperatur alltid hetare. Enligt den gängse definitionen är alltså gas vid negativ temperatur hetast i världen.

Än så länge finns denna märkliga gas bara i laboratoriet. Men forskarna spekulerar över att kunna använda sådana gaser till att konstruera förbränningsmotorer med över 100 procents effektivitet.

Även andra ovanliga egenskaper följer med den negativa temperaturen. I vanlig gas krockar atomerna med behållarens väggar, något som kan mätas som gastryck. I en gas med negativ temperatur är även trycket negativt, det verkar inåt. Negativt tryck är ett kännetecken hos den mystiska mörka energin inom kosmologin som får hela universum att öka sin expansionstakt. Men ingen vet vad den kan vara för något. Kanhända är negativ temperatur en nyckel som kan lösa denna vår tids största kosmiska gåta.

En grupp fysiker i Tyskland har lyckats skapa gas med en temperatur under den absoluta nollpunkten.

Dyrt att skapa guld ur ingenting

Fråga: Om man lyckas skapa antimateria av ett visst ämne, till exempel guld, och sammanför det med vanligt guld så upphäver ju ämnena varandra. Innebär det att man i framtiden kanske kan skapa guld ur vakuum, det vill säga utvinna dels guld, dels guld-antimateria ur ingenting?

Jonathan Lööv

Svar: Par av partiklar och antipartiklar kan skapas ur energi. På jorden sker det i acceleratorer där partiklar kollideras med mycket hög hastighet. Vid det europeiska fysiklaboratoriet Cern skapas par av anti-protoner och protoner. En proton är kärnan i den lättaste atomen, väte (liksom anti-protonen är kärnan i anti-väte). Tyngre atomkärnor består av flera stycken protoner och dessutom ett antal neutroner. I teorin skulle man kunna producera kärnor av guld och anti-guld på samma sätt, men i verkligheten är det omöjligt.

Problemet är storleken: en guldkärna innehåller 79 protoner och 118 neutroner, så den är 197 gånger tyngre än en vätekärna. Ju tyngre en partikel är, desto mindre sannolikt är det att den skapas i en kollision. Så även om det finns tillräckligt med energi tillgängligt för att skapa en elefant – eller en anti-elefant – är det inte särskilt troligt att detta sker. I stället kommer energin att gå till massvis av småpartiklar. Sannolikheten för att en viss kärna ska skapas minskar drastiskt med dess storlek, det vill säga antal protoner och neutroner. Det är inte 197 gånger mindre sannolikt att guld skapas än en vätekärna. Det är i stället 1 000 gånger mindre sannolikt för var och en av de 196 protoner och neutroner som måste läggas till. Det vill säga, sannolikheten minskar med 1 0001 0001 000*... upprepat 196 gånger. Det blir ett ofattbart stort tal: en etta följd av 588 nollor. Ska du få en guld- eller antiguldkärna i stället för en vätekärna måste du alltså räkna med att vänta så mycket längre tid. Det är mycket längre tid än vad universum har existerat.

Nyligen rapporterade forskare att de lyckats skapa 18 stycken kärnor av anti-helium (två anti-protoner och två anti-neutroner) och där går nog gränsen, åtminstone med dagens teknik.

En atom är dessutom inte bara kärnan, utan också ett antal elektroner som kretsar kring den. Elektroner och anti-elektroner – det vill säga positroner – är lätta, och alltså inte svåra att skapa från energi. Däremot är det svårt att fånga upp och hålla i kärnan eller anti-kärnan tillräckligt länge för att elektroner eller positroner ska fastna på den. Den enda anti-atomen som har skapats är anti-väte.

En aningen lättare metod att skapa anti-guld vore kanske att gå i flera steg. Först skapar man en stor mängd kärnor av anti-helium och sedan kombinerar man på något vis ihop dem till tyngre anti-kärnor. På det viset skapas de flesta av våra grundämnen i stjärnor. Men någon vidare ekonomi i denna guld- eller anti-guldframställning lär det dock inte bli.

Svante Jonsell, docent i teoretisk atomfysik vid Stockholms universitet.

Fråga: Om man lyckas skapa antimateria av ett visst ämne, till exempel guld, och sammanför det med vanligt guld så upphäver ju ämnena varandra.

Spanska forskare spränger Heisenbergs gräns för det möjliga

Werner Heisenberg var bara 26 år gammal när han 1927 formulerade sin obestämbarhetsprincip, en av kvantmekanikens grundstenar. Fem år senare fick han Nobelpriset. Bild: Science photo library

Spanska forskare spränger Heisenbergs gräns för det möjliga

Kvantfysikens grundprincip gäckas av växelverkande partiklar.

Heisenbergs obestämbarhetsprincip är en av kvantfysikens hörnstenar. Den beskriver ett slags principiell suddighet på kvantnivå och sätter gränsen för hur precisa mätningar som kan göras. Om till exempel en partikels läge bestäms exakt vid en viss tidpunkt blir dess rörelsemängd i stället obestämd.

Principen gäller dock enbart enskilda partiklar. Men nu har en spansk forskargrupp lyckats öka noggrannheten i mätningarna förbi Heisenbergs principiella gräns genom att låta partiklar växelverka med varandra. Mätningarna gjordes på en klump ultrakalla rubidiumatomer. En finstämd laserstråle fick atomerna att tillsammans förstärka just den signal som forskarna skulle mäta. På så sätt lyckades de överskrida Heisenbergs gräns.

Nu hoppas forskarna på framtida tillämpningar som noggrannare atomklockor och förfinade metoder för att avbilda hjärnan.

Heisenbergs obestämbarhetsprincip är en av kvantfysikens hörnstenar. Den beskriver ett slags principiell suddighet på kvantnivå och sätter gränsen för hur precisa mätningar som kan göras.

Tidsresa kanske möjlig

Nytt förslag om hur paradoxen som hindrar resor tillbaka i tiden ska undanröjas.

Att tiden kan slå knut på sig själv är en något oväntad konsekvens av Einsteins allmänna relativitetsteori. Upptäckten gjordes inte av Einstein själv, även om han var medveten om att tiden inte bara är en jämnt framåtflytande flod. Men ända sedan hans kollega, Kurt Gödel, uppdagade att ekvationerna tillåter resor tillbaka i tiden har science fiction-entusiasterna laborerat med tanken. Och inte bara de. Numera tittar även många fysiker på hur historien kan återbrukas utan att stöta på alltför stora svårigheter.

Största hindret, förutom de praktiska, är den så kallade farfarsparadoxen – vad händer om du reser tillbaka till dina rötter och slår ihjäl din egen farfar? Även småpartiklarna, som kvantfysiken handlar om, skulle kunna gräva undan förutsättningar för sin existens, vilket är en omöjlighet.

Nyligen föreslog den amerikanske fysikern Seth Lloyd att teorin helt enkelt ska förbjuda sådana händelser som logiskt sett borde vara förbjudna. Seth Lloyd jobbar med teorin bakom kvantdatorn, som stöter på liknande problem.

Kritikerna menar dock att sättet att komma ifrån paradoxerna får andra mycket osannolika händelser att faktiskt hända i stället. Som att kulan som skulle träffa farfar råkar vara defekt, eller att en minikvantfluktuation får kulan att i sista stund avvika från sin bana. Konstiga saker skulle alltså hända för att undvika paradoxen. Som om själva tidsresan var en vardagshändelse.

Att tiden kan slå knut på sig själv är en något oväntad konsekvens av Einsteins allmänna relativitetsteori.

De gåtfulla utbrotten på spåren

De gåtfulla utbrotten på spåren

I ett år har Fermiteleskopet fångat universums gammastrålar, berättar ledaren för den svenska delen av projektet. De nya observationerna nominerades till 2009 års största vetenskapliga genombrott av den amerikanska tidskriften Science.

Den högenergetiska gammastrålning som Fermiteleskopet tar emot avslöjar vad som pågår i kaoset runt exploderande supernovor, svarta hål och snabbt roterande pulsarer.

Einstein får rätt än en gång

Samma ankomsttid. Två ljuspartiklar från ett gammautbrott anlände exakt samtidigt trots att de hade olika våglängder. Bild: Nasa/Sonoma State Univ/Aurore Simonnet

Einstein får rätt än en gång

Gammastrålar färdas med samma maxhastighet genom rum och tid, precis som relativitetsteorin förutsäger.

Genom att studera ett knippe gammastrålar som anlänt till rymdteleskopet Fermi efter en över 7 miljarder ljusår lång resa testade forskarna om ljusets hastighet verkligen är konstant. Alla strålarna kom fram inom ett tidsintervall på nio tiondelar av en sekund, vilket får räknas som samtidigt.

Det kunde ha varit annorlunda, på så vis att de kortaste vågorna kunde ha släpat efter om inte Einsteins teori hade stämt precis. Men för att få ihop Einsteins teorier med kvantfysiken till en enda teori, borde rymden i stället för Einsteins släta form visa sig vara kornig med pyttesmå ojämnheter. Då kunde de kortaste och mest energirika gammavågorna studsa mot rymdkornen på sin resa genom rymden och försenas något till målet. De längre vågorna däremot behöver inte märka ojämnheterna som är mycket mindre än våglängden.

Nu är slutsatsen att rymden nog är precis så slät som Einsteins relativitetsteori beskriver den. Eller så är rymdens korn mindre än de kortaste gammavågorna.

– Det är första gången som vi har kunnat pröva effekten så här noggrant, säger Magnus Axelsson, astronom vid Stockholms universitet, som har medverkat i testet. Vi hoppas få fortsätta för att förstå våra grundmodeller för universum bättre.

Genom att studera ett knippe gammastrålar som anlänt till rymdteleskopet Fermi efter en över 7 miljarder ljusår lång resa testade forskarna om ljusets hastighet verkligen är konstant.

Fantasier vid fysikens gräns

Michio Kaku, professor i fysik i New York. Enligt honom är det mesta i science fiction möjligt.

Fantasier vid fysikens gräns

Det som är science fiction i dag kan vara fullt tänkbart i fysikens värld i morgon. Men mest lockande är nog drömmen om det godas seger över det onda.

Framtiden går inte att förutsäga, det är helt säkert enligt den amerikanska fysikern Michio Kaku.

Atomspinn öppnar för kvantdatorer

Koppling mellan elektroner och atomkärnor ökar livslängden på kvant­information.

För första gången har en elektrons magnetiska riktning - dess spinn - överförts till en atomkärna och tillbaka igen. Det gör att spinnet kan bevaras betydligt längre tid än tidigare, något som är viktigt för så kallade kvantdatorer.

Att spinnet ökar sin livslängd i atomkärnan beror dels på att kärnan är tyngre än elektronerna, dels på att den är mer avskärmad.

- I elektroner har spinn bevarats i knappt en mikro­sekund. Vi kan lagra det i mellan en och två se­kun­der, säger Brendon Lovett, Oxford University.

För att överföra spinn mellan elektroner och atomkärna använde forskarna pulser av mikro- och radiovågor. Överföringen lyckades i 97 procent av fallen, men metoden behöver förbättras ytterligare.

- Vårt mål är att nå 99 procent. Då finns det färdiga metoder för att ta bort de sista störningarna.

Kvantdatorer förutspås kunna utföra speciella uppgifter ofantligt mycket snabbare än dagens datorer. Men för att de ska fungera måste spinn hos enstaka elektroner kunna hållas ostörda genom en hel beräkning, vilket har varit problematiskt.

För första gången har en elektrons magnetiska riktning - dess spinn - överförts till en atomkärna och tillbaka igen.

Bokanmälan: Kvantfysiken skakade om världsbilden

Fysikerna kunde inte tro sina egna ord. För att förklara de nya upptäckterna formulerade de teorier som de själva ansåg var orimliga.

I Manjit Kumars bok Quantum får vi lära känna både personerna och fysiken bakom kvantmekaniken, som växte fram under 1900-talets första årtionden. Vi får följa samtalen mellan Albert Einstein och Niels Bohr och alla de andra, i dag välkända fysikerna som lade grunden för den moderna fysiken.

Manjit Kumar är själv fysiker och filosof. Han beskriver ingående hur en ny världsbild uppstod, där ljuset består av små energipaket i stället för av vågor. En världsbild som var svår att acceptera. En höjdpunkt i boken är fotona från konferenser där fysikerna träffades för att diskutera de nya teorierna. Där trängs storheter som Schrödinger, Heisenberg och Planck som alla hade ett finger med i spelet.

I Manjit Kumars bok Quantum får vi lära känna både personerna och fysiken bakom kvantmekaniken, som växte fram under 1900-talets första årtionden.

Annons
Subscribe to kvantfysik