Schrödingerin kissa

Tähän ei pysty edes Ringo Starr – kvanttirumpu soi ja on soimatta yhtä aikaa

Ke, 05/23/2018 - 12:18 Markus Hotakainen

Brittiläis-australialaisen tutkijaryhmän tulokset saavat huippurumpalitkin kalpenemaan kateudesta. Valosta tehty rumpukapula saa mikroskooppisen instrumentin värähtelemään samaan aikaan kuin se ei värähtele.

Tutkimus ei kuitenkaan liity musiikkiin vaan pyrkimyksiin ymmärtää klassisen fysiikan ja kvanttimaailman hämmentävää rajaa.

Kvanttimekaniikassa esimerkiksi "kappaleilla" havaitaan samanaikaisesti sekä hiukkasten että aaltojen ominaisuuksia, mutta makromaailmassa moiset kummallisuudet katoavat. Miksi?

Ehkä siksi, että ne eivät sittenkään katoa tyystin. Tuoreessa tutkimuksessa on onnistuttu saamaan aikaan kvanttikäyttäytymistä esineessä, joka on mahdollista nähdä paljain silmin – jos kohta juuri ja juuri.

"Tällaisten järjestelmien avulla on todennäköisesti mahdollista kehittää uutta kvanttitehostettua tekniikkaa, kuten huipputarkkoja ilmaisimia ja uudenlaisia muuntajia", arvelee tutkimusta johtanut Michael Vanner Lontoon Imperial Collegesta.

"Jännittävää on, että tarkastelemalla, miten kvanttisuperpositio toimii suuremmassa mittakaavassa, voimme myös testata kvanttimekaniikan äärimmäisiä rajoja."

Kun rumpua lyö kapulalla, rumpukalvo alkaa värähdellä, jolloin syntyy korvin kuultava ääni. Kvanttimaailmassa rumpu voi värähdellä ja pysyä paikallaan samanaikaisesti. Käytännössä moisen ristiriitaiselta kuulostavan ilmiön toteuttaminen ei kuitenkaan ole helppoa.

"Jotta pienessä rummussamme saa aikaan kvanttivärähtelyjä, tarvitsemme erikoisen rumpukapulan", toteaa tutkimukseen osallistunut Martin Ringbauer Queenslandin yliopistosta Australiasta.

Kvanttirummutuksessa käytettiin hyväksi viime vuosina nopeasti kehittynyttä kvantti-optomekaniikkaa: "rumpukapulana" lasersäde. Se oli kuitenkin helpommin sanottu kuin tehty.

Ringbauerin mukaan kokeessa sovellettiin optisesta kvanttilaskennasta lainattua kikkaa. "Muokkasimme rumpukapulan ominaisuuksia tekemällä mittauksia yksittäisistä valohiukkasista eli fotoneista. Sillä pääsimme kehittämään mekaanista versiota Schrödingerin kissasta eli rumpua, joka samanaikaisesti värähtelee ja on liikkumatta."

Koejärjestelyä häiritsivät lämpöliikkeen korostamat klassisen fysiikan ilmiöt, joten jatkotutkimuksessa on tarkoitus alentaa lämpötila lähelle absoluuttista nollapistettä, jolloin kvanttimekaniikka muuttuu hallitsevaksi.

Perimmäisenä tavoitteena on selvittää mahdollisia kvanttimekaniikan ennestään tuntemattomia ominaisuuksia ja kehittää kenties teoria, joka yhdistää kvanttimaailman ja gravitaation.

Kvanttirummusta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu New Journal of Physics -tiedelehdessä.

Kuva: Imperial College London

Absurdi kvanttimaailma

Ke, 05/22/2013 - 19:35 Markus Hotakainen

Kvanttimekaniikka on fysiikan teorioista menestyksekkäin. Se kertoo huikealla tarkkuudella hiukkasmaailman ilmiöistä, mutta arkielämän näkökulmasta sen antama kuva todellisuudesta on lievästi sanottuna kummallinen.

Tunnetuimmassa esimerkissä kvanttimekaniikan omituisuuksista Schrödingerin kissarukka ei tiedä, ollako vai eikö olla – siis elävä. Vanha kunnon Erwin-setä loihti ajatuskokeen, jossa suljetussa laatikossa on kissa, myrkkypullo, pieni vasara ja radioaktiivinen atomi. Jos atomi hajoaa, vasara heilahtaa, rikkoo pullon ja kissa kuolee.

Atomin hajoamisen todennäköisyys tietyssä ajassa on 50–50, joten kissan kohtalo selviää vasta, kun laatikko avataan. Yksinkertaista? Eipä olekaan. Kvanttimekaniikan mukaan kissan kohtalo ratkeaa vasta, kun laatikko avataan. Sitä ennen se on yhtä aikaa elävä ja kuollut.

Kun vähemmän kissarakas tutkija avaa laatikon, lemmikkieläimen olotilaa kuvaava aaltoyhtälö romahtaa ja kertoo, kuinka kävi. Kuten kvanttimaailmassa muutoinkin, havainnon tekeminen vaikuttaa maailmaan ja sen tilaan.

Suosiota kasvattava kvanttimekaniikan tulkinta, niin sanottu ”kvanttibayesianismi” eli QBism (Quantum Bayesianism) tarkastelee todellisuutta vielä henkilökohtaisemmalla tai ainakin havaitsijalähtöisemmällä tavalla.

QBismin mukaan esimerkiksi Schrödingerin kissa ei suinkaan ole yhtä aikaa elävä ja kuollut eikä aaltoyhtälö kuvaa sen tilaa. Kissa on suljetussa laatikossa joko kuollut tai elävä, ja se selviää, kun laatikko avataan. Aaltoyhtälö kuvaakin siten havaitsijan mielentilaa ja käsitystä kissan vaihtoehtoisten kohtaloiden todennäköisyyksistä.

Kvanttibayesianismi pohjautuu 1700-luvulla vaikuttaneen brittipapin Thomas Bayesin kehittämään tilastollisuuteen, joka ei perustu kylmiin numeroihin, vaan myös todennäköisyyttä määrittävän tutkijan – tai vaikkapa vedonlyöjän – arvioon ja aikaisempiin kokemuksiin.

Siihen vaikuttaa myös tietomäärän lisääntyminen: uuden tiedon valossa jokin tietty tilanne voi vaikuttaa todennäköisemmältä tai epätodennäköisemmältä. Havaitsijan käsitys ratkaisee asian.

Jotkut fyysikot pitävät kvanttimekaniikan bayesialaista tulkintaa tolkullisempana kuin ”vanhoja tuttuja” tulkintoja, sillä se vähentää kvanttimekaanisten kummallisuuksien määrää. Maallikon kannalta hiukkasmaailman ilmiöt pysyvät edelleen monessa suhteessa järjenvastaisina. Mikä ei silti tee niistä epätodellisia.