In de natuurkunde begrijp je misschien niets, maar je zou wel eens moeten hebben gehoord van het gedachte-experiment van Schrödinger, waarbij de kat in een doos met een radioactief element wordt geplaatst en het zowel levend als dood kan zijn. Dit is een vreemd fenomeen gecreëerd door de kwantummechanica.
Onlangs ontdekten natuurkundigen van de Universiteit van Exeter (Engeland) dat een soortgelijke overeenkomst kan worden gezien in temperaturen: objecten kunnen twee temperaturen hebben op het kwantumniveau. Deze vreemde kwantumparadox is de eerste volledig nieuwe relatie van kwantumonzekerheid die gedurende tientallen jaren zal worden geformuleerd.
Een ander Heisenberg-principe
In 1927 formuleerde de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg een postulaat: hoe nauwkeuriger je de positie van een kwantumdeeltje meet, hoe minder nauwkeurig je zijn momentum begrijpt en vice versa. Deze regel wordt nu het Heisenberg-onzekerheidsbeginsel genoemd.
De nieuwe kwantumonzekerheid, waar je, hoe beter je de temperatuur kent, hoe minder je kunt zeggen over energie en omgekeerd, heeft veel grotere implicaties voor de nanowetenschap die ongelooflijk kleine objecten bestudeert (kleiner dan nanometer). Dit principe zal de manier veranderen waarop wetenschappers de temperatuur meten van extreem kleine dingen, zoals quantum dots. In de jaren 1930. Heisenberg en Niels Bor hebben een verband gelegd tussen de onzekerheid tussen energie en temperatuur op een niet-gekwantificeerde schaal. Het idee was dat als je de exacte temperatuur van het object wilde weten, het beter zou zijn om het onder te dompelen in een "tank" (bad met water of kamer met lucht) met een bekende temperatuur, waardoor het lichaam langzaam kan verzadigen met deze temperatuur. Dit wordt thermisch evenwicht genoemd.
Dit thermisch evenwicht wordt onderhouden door het object terwijl het reservoir constant energie uitwisselt. Als gevolg daarvan beweegt de energie in het object in oneindig kleine hoeveelheden op en neer, wat een exacte bepaling onmogelijk maakt. Als je de exacte energie in het object wilt weten, moet je het isoleren zodat het nergens contact mee kan maken. De isolatie laat echter niet toe om de temperatuur nauwkeurig te berekenen met behulp van de tank. Deze beperkingen maken de temperatuur onzeker en bij het overschakelen naar een kwantumschaal worden de kleuren nog dikker.
Nieuwe onzekerheidsratio
Zelfs als een typische thermometer energie heeft die enigszins stijgt en daalt, is deze nog steeds detecteerbaar in een klein bereik. Maar dit werkt niet op het kwantumniveau, waar alles terugkeert naar de beroemde kat Schrödinger. Dit gedachte-experiment stelde voor de kat in een doos met gif te sluiten, geactiveerd door het verval van een radioactief deeltje. Volgens de wetten van de kwantummechanica kan een deeltje op hetzelfde moment uiteenvallen of niet samenvallen. Dat wil zeggen, totdat je de doos opent, zal de kat tegelijkertijd zowel levend als dood zijn. Dit is een superpositie fenomeen. De onderzoekers gebruikten wiskunde en theorie om nauwkeurig te voorspellen hoe superpositie de temperatuurberekening van quantumobjecten beïnvloedt. Het blijkt dat een quantum-thermometer tegelijkertijd in superpositie van energietoestanden zal zijn, wat leidt tot temperatuuronzekerheid.
In onze wereld kan een thermometer melden dat een object tussen 31 en 32 graden Fahrenheit is. In het kwantumgeval, zal de thermometer zeggen dat het object tegelijkertijd is begiftigd met beide temperaturen. Contacten tussen objecten op een kwantumschaal kunnen superposities en energie creëren. De oude onzekerheidsrelatie negeerde deze effecten omdat ze onbelangrijk waren voor niet-kwantumobjecten. Nu is het belangrijk als u de temperatuurindex van een kwantumpunt moet bepalen.
