튀는 물방울의 특징적인 양자 거동

우리의 일상적인 고전 세계에서는 보는 것이 곧 얻는 것입니다. 공은 그저 공일 뿐이고, 공중에 던져지면 그 궤적은 직선적이고 명확합니다. 그러나 그 공이 원자 크기 이하로 줄어들면 그 행동은 양자적이고 모호한 현실로 바뀔 것입니다. 공은 물리적 입자일 뿐만 아니라 가능한 입자 상태의 파동으로도 존재합니다. 그리고 이 파동-입자 이중성은 이상하고 교묘한 현상을 일으킬 수 있습니다.

낯선 전망 중 하나는 “양자 폭탄 테스터”로 알려진 사고 실험에서 비롯됩니다. 실험에서는 광자와 같은 양자 입자가 일종의 염동력 폭탄 탐지기 역할을 할 수 있다고 제안합니다. 이론상으로 광자는 입자와 파동이라는 특성을 통해 폭탄과 물리적으로 상호 작용하지 않고도 폭탄의 존재를 감지할 수 있습니다.

이 개념은 수학적으로 확인되며 양자 역학을 지배하는 방정식이 허용하는 것과 일치합니다. 그러나 입자가 어떻게 폭탄 탐지 능력을 발휘할 수 있는지 정확히 설명하는 데 있어서 물리학자들은 어리둥절해합니다. 수수께끼는 양자 입자의 본질적으로 변덕스럽고 중간에 있으며 정의할 수 없는 상태에 있습니다. 즉, 과학자들은 그것이 효과가 있다고 믿어야 합니다.

그러나 MIT의 수학자들은 미스터리 중 일부를 풀고 궁극적으로 양자역학에 대한 보다 구체적인 그림을 확립하기를 희망하고 있습니다. 이제 그들은 양자 폭탄 테스터의 아날로그를 재현하고 실험에서 예측한 동작을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 이국적이고 미시적인 양자적 환경이 아니라 겉보기에는 평범하고 고전적인 탁상용 환경에서 그렇게 했습니다.

오늘 나온 논문에서 물리적 검토 A, 팀은 튀는 물방울에 대한 연구를 통해 실험에서 양자 폭탄 테스터를 재현했다고 보고합니다. 팀은 물방울과 자체 파동의 상호 작용이 광자의 양자 파동-입자 거동과 유사하다는 것을 발견했습니다. 양자 폭탄 테스트에서 제안된 것과 유사한 구성으로 떨어뜨렸을 때 물방울은 다음과 같은 통계적 방식으로 정확하게 동작합니다. 광자에 대해 예측됩니다. 실제로 설치 중에 폭탄이 50% 존재한다면 광자와 같은 물방울은 물리적인 상호작용 없이 25%의 시간 동안 폭탄을 감지할 것입니다.

두 실험의 통계가 일치한다는 사실은 물방울의 고전적 역학에 있는 어떤 것이 광자의 신비한 양자 행동의 중심에 있을 수 있음을 시사합니다. 연구자들은 이 연구를 관찰 가능한 고전 세계와 퍼지 양자 영역이라는 두 현실 사이의 또 다른 다리로 보고 있습니다.

연구 저자이자 MIT 응용수학과 교수인 존 부시(John Bush)는 “여기에는 양자 세계의 불가사의 중 하나로 간주되는 양자 폭탄 테스트에서 발생하는 것과 동일한 통계를 제공하는 고전적인 시스템이 있습니다.”라고 말했습니다. “사실 우리는 그 현상이 결국 그렇게 놀라운 것은 아니라는 것을 발견했습니다. 그리고 이것은 국지적 현실주의적 관점에서 이해될 수 있는 양자 행동의 또 다른 예입니다.”

Bush의 공동 저자는 전 MIT 박사후 연구원 Valeri Frumkin입니다.

파도 만들기

일부 물리학자들에게는 양자역학이 너무 많은 것을 상상에 맡기고 그러한 이상한 현상이 발생하는 실제 역학에 대해 충분히 설명하지 못한다고 생각합니다. 1927년에 양자 역학을 결정화하려는 시도에서 물리학자 루이 드 브로이(Louis de Broglie)는 파일럿 파동 이론을 제시했습니다. 입자의 양자 행동을 제시하는 여전히 논란의 여지가 있는 아이디어는 가능한 상태의 무형의 통계적 파동이 아니라 물리적인 파동에 의해 결정된다는 것입니다. 파일럿’ 파동은 입자를 공간을 통해 안내하는 자체 생성 파동입니다.

이 개념은 물리학자 Yves Couder가 de Broglie의 양자파가 고전적인 유체 기반 실험에서 복제되고 연구될 수 있다는 것을 발견한 2005년까지 대부분 무시되었습니다. 이 설정에는 위아래로 미묘하게 진동하도록 만들어진 유체 욕조가 포함되지만 자체적으로 파도를 생성하기에는 충분하지 않습니다. 그런 다음 동일한 유체로 구성된 밀리미터 크기의 물방울이 욕조 위에 분배되고 표면에서 튀어오르면서 물방울이 욕조의 진동과 공명하여 물리학자들이 물방울을 “조종”하거나 밀어내는 정재파장을 생성합니다. 을 따라. 그 효과는 드 브로이(de Broglie)의 파일럿 파동 이론과 일치하는 것으로 밝혀진 패턴으로 잔물결이 있는 표면을 따라 걷는 것처럼 보이는 물방울의 효과입니다.

지난 13년 동안 Bush는 Couder의 유체 역학 파일럿 파동 실험을 개선하고 확장하기 위해 노력해 왔으며 이 설정을 성공적으로 사용하여 양자 터널링, 단일 입자 회절 및 초현실적인 궤적을 포함하여 새로운 양자 유사 동작을 나타내는 물방울을 관찰했습니다.

Bush는 “이 유체역학적 파일럿 파동 실험은 이전에 고전적 관점에서 이해하는 것이 불가능하다고 생각되었던 양자 시스템의 많은 특징을 보여주는 것으로 나타났습니다.”라고 말했습니다.

폭탄을 터뜨려라

새로운 연구에서 그와 Frumkin은 양자 폭탄 테스터를 맡았습니다. 사고 실험은 개념적 간섭계로 시작됩니다. 기본적으로 동일한 시작점에서 분기된 동일한 길이의 두 개의 복도가 회전하고 수렴하여 복도가 계속됨에 따라 마름모 모양의 구성을 형성하며 각 복도는 각각 해당 감지기로 끝납니다. .

양자 역학에 따르면, 광자가 빔 분할기를 통해 간섭계의 시작점에서 발사되면 입자는 동일한 확률로 두 복도 중 하나를 따라 이동해야 합니다. 한편, 광자의 신비한 “파동 함수”, 즉 가능한 모든 상태의 합은 두 통로를 동시에 따라 이동합니다. 파동 함수는 입자가 하나의 검출기(D1이라고 함)에만 나타나고 다른 검출기(D2)에는 나타나지 않도록 간섭합니다. 따라서 광자는 어떤 복도를 통과했는지에 관계없이 D1에서 100% 탐지되어야 합니다.

두 복도 중 하나에 폭탄이 있고 광자가 이 복도로 향하는 경우 예상대로 폭탄이 작동되고 설정이 산산조각나며 두 탐지기 모두에서 광자가 감지되지 않습니다. 그러나 광자가 폭탄 없이 복도를 따라 이동하면 이상한 일이 발생합니다. 양쪽 복도를 따라 이동하는 광자의 파동 함수가 폭탄에 의해 하나로 끊어집니다. 입자가 아니기 때문에 파동이 폭탄을 터뜨리지는 않습니다. 그러나 파동 간섭은 입자가 D1과 D2에서 동일한 확률로 감지되는 방식으로 변경됩니다. 따라서 D2의 모든 신호는 물리적인 상호작용 없이 광자가 폭탄의 존재를 감지했음을 의미합니다. 폭탄이 50%의 시간 동안 존재한다면 이 이상한 양자 폭탄 탐지는 25%의 시간 동안 발생해야 합니다.

새로운 연구에서 Bush와 Frumkin은 이러한 양자 행동이 고전적인 물방울에서 나타날 수 있는지 확인하기 위해 유사한 실험을 시작했습니다. 그들은 사고 실험에서 마름모 모양의 복도와 유사한 구조를 실리콘 오일 욕조에 담갔습니다. 그런 다음 그들은 작은 기름 방울을 욕조에 조심스럽게 분배하고 경로를 추적했습니다. 그들은 폭탄 같은 물체를 모방하기 위해 마름모의 한쪽에 구조를 추가하고 이에 반응하여 물방울과 그 파동 패턴이 어떻게 변하는지 관찰했습니다.

결국, 그들은 25%의 확률로 물방울이 “폭탄” 없이 복도를 통해 튕겨 나가는 반면, 파일럿 파동은 물방울을 폭탄에서 밀어내는 방식으로 폭탄 구조와 상호 작용한다는 것을 발견했습니다. 이러한 관점에서 볼 때, 물방울은 물리적으로 접촉하지 않고도 폭탄 같은 물체를 “감지”할 수 있었습니다. 물방울이 양자와 유사한 행동을 보이는 동안, 팀은 이러한 행동이 물방울의 파동에서 발생한다는 것을 분명히 볼 수 있었으며, 이는 물방울이 폭탄에서 멀리 떨어져 있도록 물리적으로 도움을 주었습니다. 연구팀은 이러한 역학이 양자 입자의 신비한 행동을 설명하는 데 도움이 될 수도 있다고 말합니다.

Frumkin은 “통계가 동일할 뿐만 아니라 역학도 알고 있는데 이는 미스터리였습니다”라고 말했습니다. “그리고 추론은 유사한 역학이 양자 행동의 기초가 될 수 있다는 것입니다.”

이번 연구에는 참여하지 않았지만 CNRS, ESPCI Paris PSL의 이론물리학자 Matthieu Labousse는 “이 시스템은 양자는 아니지만 강력한 파동 입자 특성을 공유하는 우리가 아는 유일한 예입니다.”라고 말했습니다. “양자 세계에 특이하다고 생각되는 많은 사례가 이러한 고전적 시스템으로 재현될 수 있다는 것은 매우 놀랍습니다. 이는 양자 시스템에 특정한 것과 그렇지 않은 것 사이의 장벽을 이해할 수 있게 해줍니다. MIT 그룹은 장벽을 훨씬 더 멀리 밀어붙였습니다.”

이 연구는 국립과학재단(National Science Foundation)의 일부 지원을 받습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231212163351.htm