Bilim insanları, zamanın kendisinin aynı anda iki farklı durumda bulunabileceğini söylüyor

Bu haberi okuduğunuzda şunları öğreneceksiniz:

• Bilim insanları, kuantum dünyasında dalga fonksiyonu çöküşünü neyin tetiklediğinden emin değiller; ancak bazı radikal teorilere göre, bu süreçte kütleçekimi (yerçekimi) bir rol oynuyor olabilir.

• Bilim insanları, eğer bu teoriler doğruysa, zamanın ne kadar hassas bir şekilde ölçülebileceğine dair bir sınırın olması gerektiğini tespit ettiler.

• Bu sınır, hem bizim hem de son derece hassas atomik saatlerimizin algılayamayacağı kadar belirsiz olacaktır; ancak yine de bize, atom altı dünyadaki kütleçekiminin doğası hakkında daha fazla bilgi verecektir.

Kuantum mekaniği, popüler kültürde öncelikli olarak "tuhaflığı" ile tanınır. Klasik fizikte nesneler herhangi bir anda belirli bir konuma ve duruma sahipken, atom altı parçacıkların dünyasına adım attığınızda durum artık böyle değildir. Kuantum tuhaflığının temel ilkelerinden biri süperpozisyon ilkesidir; bu ilkeye göre bir parçacık, aynı anda birden fazla konumda bulunmak gibi, eşzamanlı olarak çoklu durumlarda var olabilir. Olası durumların aralığı (ki her birinin hesaplanabilir bir olasılığı vardır), dalga fonksiyonu olarak bilinen matematiksel bir varlık ile temsil edilir. Ancak bir ölçüm yapıldığında, dalga fonksiyonu tek bir sonuca çöker.

Ne var ki, bu dalga fonksiyonu çöküşünün temel nedeni bilinmemektedir. Bazı bilim insanları —Ghirardi–Rimini–Weber (GRW) modeli, sürekli kendiliğinden yerelleşme (CSL) modeli ve Diósi–Penrose (DP) modelini destekleyenler de dahil olmak üzere— bu çöküşün aslında nesnel ve fiziksel bir çöküş olduğunu düşünmektedir. Bu modellerin sonuncusu —1980'lerin sonlarında Nobel Ödüllü fizikçi Roger Penrose ve Budapeşte'deki Eötvös Loránd Üniversitesi'nden Lajos Diósi tarafından ortaya atılmıştır— dalga fonksiyonunun fiziksel çöküşünü açıklamak için kütleçekimi olgusuna dayanmaktadır.

Şimdi ise, Physical Review Research dergisinde yayımlanan yeni bir çalışmada bilim insanları, bu teorileri analiz etmiş ve söz konusu teorilerin zaman ölçümü üzerindeki etkilerinin neler olabileceğini araştırmışlardır. Araştırmacılar, eğer bu çöküş modelleri doğruysa, zamanın kendisinin tam ve kesin olmadığını —başka bir deyişle, bir saatin ne kadar hassas olabileceğine dair temel bir sınırın bulunduğunu— tespit ettiler. Çalışmaya göre bu durum, kütleçekim alanındaki dalgalanmaların "zamanın akışında içsel bir belirsizliğe yol açmasından" kaynaklanmaktadır. Enrico Fermi Müzesi ve Araştırma Merkezi'nde (CREF) doktora öğrencisi ve çalışmanın başyazarı olan Nicola Bortolotti, bir basın açıklamasında, “Bizim yaptığımız şey, çökme modellerinin kütleçekimiyle bağlantılı olabileceği fikrini ciddiye almaktı,” dedi. “Ve ardından çok somut bir soru sorduk: Bu durum, zamanın kendisi için ne anlama geliyor?”

Bu belirsizlikler günlük hayatımızı etkilemiyor. Hatta, zamanı on dokuzuncu ondalık basamağa kadar ölçebilen en hassas atom saati bile, bu dalgalanmadan etkilenmeye yaklaşamıyor bile. Ancak elde edilen sonuçlar, zamanın kendisinin bulanıklaştığı teorik bir sınırın varlığına işaret ediyor.

Çalışmanın ortak yazarlarından Catalina Curceanu, “Çalışmamız, kuantum mekaniğine dair en radikal fikirlerin bile hassas fiziksel ölçümlerle sınanabileceğini ve —iç rahatlatıcı bir şekilde— zaman ölçümünün modern fiziğin en istikrarlı sütunlarından biri olmaya devam ettiğini gösteriyor,” dedi.

Elbette, dalga fonksiyonu çökmesinin kütleçekiminden kaynaklanıp kaynaklanmadığına dair belirsizlikler hâlâ mevcut; ancak bu durum, kuantum mekaniği dünyası keşfedilirken karşımıza çıkan, zamanla ilgili tuhaf garipliklerin tek örneği olmaktan çok uzak. Örneğin geçen ay yayımlanan bir çalışma, zamanın kendisinin de bir süperpozisyon durumuna girerek, akışının aynı anda hem hızlı hem de yavaş gerçekleşmesiyle sonuçlanabileceği fikrini, yani “kuantum ikiz paradoksunu” inceledi. Bilim insanlarının, kuantum dünyasında zamanın yeni davranışlarını tetiklemek amacıyla “sıkıştırılmış bir duruma” (squeezed state) getirilen ultra hassas atom saatlerini kullanarak bu etkileri bir gün gözlemleyebilmeleri umuluyor.

Kuantum dünyasının gariplikleri giderek daha da tuhaf bir hal alıyor.

Kaynak: PM

'Negatif zaman' doğrulandı: Akıl almaz deney, kuantum fiziğinin bir tuhaflığı sayesinde ışığın bir atom bulutuna girmeden önce oradan çıkabildiğini gösteriyor

Bir ışık demeti bir atom bulutunun içinden geçtiğinde, fotonların (ışık parçacıklarının) orada bazen negatif miktarda zaman geçiriyormuş gibi bir izlenim yarattığı; yani ışığın, buluta henüz girmemişken oradan çıkıyormuş gibi göründüğü durumlar yaşanır. Şimdi ise fizikçiler, bizzat atomların kendisine sorarak bu kuantum tuhaflığını doğruladılar.

Çalışmanın ortak yazarı ve Avustralya'daki Griffith Üniversitesi'nden teorik kuantum fizikçisi Howard Wiseman, Live Science'a verdiği demeçte, "Bu durum, bir zaman makinesi veya benzeri bir şey inşa etmenin eşiğinde olduğumuz anlamına gelmiyor," dedi. "Her şey standart fizik kurallarıyla açıklanabilir; ancak bu, insanların daha önce varlığından şüphelenmediği, kuantum fiziğinin bir başka tuhaf özelliği daha."

Bir atom bulutunun içinden geçen fotonlar, geçici olarak soğurulabilir (absorbe edilebilir). Bu fotonlar, yeniden yayımlanmadan önce, ışık parçacıkları olarak ortadan kaybolur ve atomik uyarılmalar —bir tür depolanmış enerji— şeklinde yeniden ortaya çıkarlar. İletilen fotonlar olarak adlandırılan bazı fotonlar, buluttan girdikleri yönle kabaca aynı yönde ilerleyerek çıkmayı başarır; diğerleri ise rastgele yönlere saçılır.

1993 yılına dayanan deneyler, iletilen fotonların, kendi ışık atımlarının (nabızlarının) merkezi henüz buluta girmemişken bile bir dedektöre ulaşma eğiliminde olduklarını zaten ima etmişti. Bu durum, negatif bir geçiş süresine işaret etmektedir.

Ancak bu düzenekte bir sorun vardı: Bir ışık atımının ön kısmında yer alan fotonların, arka kısmındakilere kıyasla buluttan geçme olasılığı daha yüksek olabilirdi. Eğer sadece buluttan iletilerek geçen fotonlara bakarsanız, elbette bunlar erken gelmiş gibi görünürler. Ancak bu durum, daha basit bir açıklama için kapıyı açık bırakıyordu.

Wiseman, Live Science'a verdiği demeçte, "İnsanlar, bu durumun aslında kulağa geldiği kadar çılgınca olmadığına kendilerini inandırıyorlardı," dedi.

Çılgınlığı doğrulamak

13 Nisan'da Physical Review Letters dergisinde yayımlanan yeni bir makalede fizikçiler, farklı bir yaklaşım denediler. Fotonun bir dedektöre ne zaman ulaştığını izlemek yerine, foton bulutun içinden geçerken atomların uyarılmış bir halde olup olmadığını takip ettiler.

Bir foton bir atom tarafından soğurulduğunda, enerji şeklinde depolanır ve atomun, fizikçilerin uyarılmış hal olarak adlandırdığı bir duruma geçmesine neden olur. Atom, fotonu yeniden yayımlayana kadar bu uyarılmış halde kalmaya devam eder. Dolayısıyla, atomun uyarılmış halde kaldığı süreyi ölçmek, fotonun atom tarafından ne kadar süreyle soğurulmuş olduğunu ortaya çıkarır. Ekip, bunu, atomların uyarılma düzeylerine bağlı olarak çok küçük bir faz kaydını algılayan ikinci bir ışık hüzmesi kullanarak ölçtü. Bu ışık hüzmesi, atomların an be an neler deneyimlediğine dair canlı bir okuma aracı işlevi gördü.

Bu atomik okuma, önceki deneylerin kuantum çılgınlığını doğruladı.

Wiseman, "Eğer atomlara, 'Foton sizinle ne kadar süre kaldı?' diye sorarsanız, aynı cevabı alırsınız," dedi. "Onlar da size bir cevap vereceklerdir ki bu cevap, negatif bir süredir."

Bir milyon deneylik bir dönüm noktası

Bu cevabı almak hiç de kolay değildi; zira kuantum sistemlerini ölçmek, bu sistemlerin yapısını bozucu bir etki yaratır. Bu özel durumda ölçüm işlemi, fotonun hiç soğurulmamasını bile engelleyebilirdi. Bu nedenle ekip, nazik ancak aşırı derecede gürültülü olan "zayıf ölçümler" yöntemine başvurdu. Deneyin her bir tekil uygulaması gürültüye boğuluyordu; öyle ki bu rastgele dalgalanmalar, herhangi bir bireysel ölçümde sinyali gürültüden ayırt etmeyi imkansız kılıyordu. Ancak yaklaşık 1 milyon deney uygulamasının ortalaması alındıktan sonra net bir sinyal ortaya çıkabildi. Yaklaşık yedi farklı deneysel parametre seti genelinde, toplam veri toplama süreci yaklaşık 70 saat sürdü.

Wiseman, "Böylesine gerçekten basit bir olguda bile —yani bir fotonun atomlarla etkileşiminde— insanlar neredeyse 100 yıl önce bile hesaplamalar yapıyorlardı," dedi. "Aradan geçen onca zamana rağmen, bu olgunun hâlâ sürprizler barındırabiliyor olması bile başlı başına ilginç bir durum."

Ekibin bir sonraki hedefi, atom bulutunu aşıp geçemeyen fotonlar. Teoriye göre, bu saçılan fotonlar fazladan bir pozitif uyarılma süresi taşıyor. Bu süre, bulutu aşan fotonların negatif süresini dengelemeye yetmekte; böylece ışık hüzmesinin genel ortalamasını sıfırda veya sıfırın üzerinde tutmaktadır. Bu teorik öngörü ise bugüne dek hiç test edilmemiştir.

Kaynak: LS

Fizikçiler, dünyanın en ünlü parçacık hızlandırıcısında dolaşan hayaleti buldu

Bu hikayeyi okuduğunuzda şunları öğreneceksiniz:

• CERN'in Süper Proton Senkrotronu'nda rezonanslı bir "hayalet" var.

• Fizikçiler, matematik kullanarak bu rezonans çizgilerinin nasıl kesiştiğini ölçtüler ve modellediler.

• Zaman içinde 3 boyutlu bir şekli modellemek, 4 boyutlu bir denklem sistemi gerektirir.

Nature Physics dergisinde yayınlanan bir araştırmada, İsviçre'deki CERN ve Almanya'daki Goethe Üniversitesi Frankfurt'tan bilim insanları, Süper Proton Senkrotronu (SPS) içindeki parçacıkların davranışını etkileyen rezonanslı bir "hayalet"i izole ettiklerini açıkladılar.

Zaman içinde değişen 3 boyutlu bir şekildir, yani en iyi 4 boyutta ölçülür. Ve sır, masanıza dönerken kahvenizi dökmenizin veya arkadaşlarınızı trambolinden süper zıplatmanızın aynı nedenidir.

SPS, 1970'lerden kalma, yaklaşık dört mil çapında bir halkadır. Bu eski bir tarih gibi görünse de, SPS CERN'de hayati önem taşımaya devam ediyor. 2019'da, SPS'nin içindeki yüksek güçlü ışınlar için bir tür kaçış rampası görevi gören, geliştirilmiş bir "ışın boşaltma" sistemi aldı.

Bu nedenle, 2024 çalışmasının arkasındaki araştırmacılar, tabiri caizse, makinedeki hayaleti fark ettiklerinde, gelecekteki çalışmalar için haritasını çıkarmanın ve anlamanın önemli olduğunu biliyorlardı.

Hayalet, rezonanstan kaynaklanıyor. Şeylerin enerjisi olduğunda ve dalgalar oluşturduğunda, bu dalgalar birbirleriyle etkileşime girerek enerjinin yükseltildiği garip küçük noktalar oluşturabilir. Kahveyle yürürken, her adım sıvıda dalgalar oluşturur ve bunlar sonunda birbirleriyle buluşup taşar. Tramplende, bir kişi diğerinin zıplamasına "içeri" atlar ve çok daha yüksek bir zıplamaya rezonansa girer. Ve SPS'de, harmonik kahvenizi dökmek, ışın bozulması olarak bilinen şeyde temel fotonları kaybetmek anlamına gelir.

“Hızlandırıcı fiziğinde, rezonansların ve doğrusal olmayan dinamiklerin anlaşılması, ışın parçacıklarının kaybını önlemek için çok önemlidir,” diye açıklıyor bilim insanları makalede. Ve söz konusu problem daha fazla hareketli parça ve daha fazla “serbestlik derecesi” kazandıkça, bunun ne kadar karmaşık olduğu da artıyor. Bağlantı elemanları da dahil olmak üzere her hareketli parça kendi titreşimlerini üretir.

Işın bozulması, özellikle söz konusu proton ışınları giderek daha fazla enerjili ve güçlü hale geldikçe, büyük bir sorundur. Ve karmaşık sistemlerdeki harmonikler, parçacıkların bir kap içinde etkileşimde bulunduğu herhangi bir deneyi etkiler; örneğin tokamaklardaki nükleer füzyon araştırmaları gibi. Bu nedenle, harmonik girişim, verimli nükleer füzyona ulaşmaya çalışırken de büyük bir sorundur ve enerji akışının hayati ısı enerjisini kaybedebileceği ölü noktalar yaratır.

SPS'nin içinde, parçacıkların yalnızca iki serbestlik derecesi vardır, bu da çok karmaşık görünmeyebilir. Bir fiber optik hat içindeki fotonlar gibi, bu SLS fotonları da genel bir yolda hareket eder. Ancak bu yol içinde "sekme" de yapabilirler, çünkü dar bir ışın veya kablo bile kalınlığa sahiptir. SPS kalın bir çörek değildir, ancak bir geometri kitabı illüstrasyonundaki bir daire yerine gerçek hayattaki bir çörektir.

Ve bu "sekme", insan ve gerçeklik faktörleri nedeniyle bozulmuştur. SPS dünyanın önde gelen tesislerinden biri olabilir, ancak bilimdeki her şey elimizdekilerle yapılmak zorundadır. Bu tesisleri besleyen mıknatıslar kusurludur ve manyetizmadaki küçük dalgalanmalar bile rezonansa neden olabilir. Bunu nicelleştirmek için araştırmacılar SPS halkasının etrafından ölçümler aldılar ve bu verileri Poincaré kesiti adı verilen bir matematiksel model oluşturmak için kullandılar.

Poincaré kesitinde, bir elemanı (bu durumda, araştırmacıların makalelerinde bahsettiği "sabit çizgi") sabitlersiniz ve bir sistemde adım adım ilerleyerek diğer elemanların tüm kesişimlerini haritalandırırsınız, ta ki tam bir "yüzey" oluşturana kadar. Sonuçlar, şekli her adımda değişebilen dinamik bir sistem için MRI'ya benzer; bu durumda, dördüncü boyut olarak zamanın eklenmesiyle de değişir. Ve SPS gibi kapalı bir sistemde rezonans tekrarlandığı için, 4 boyutlu yüzey çalışması iyi yapılmış bir GIF gibi döngüsel olabilir.

Ekip, matematiksel çalışmalarında sabit çizgilerin parçacıkların nerede toplanacağını tahmin edebileceğini buldu. Bu fenomeni inceleyip modelleyerek, bu sabit harmonik çizgilerin etkisini azaltmak için stratejiler geliştiren araştırmacılara yardımcı olmayı umuyorlar.

Bu çalışma, yeni parçacık hızlandırıcıları inşa edenlerin, mıknatıs "hayaletleri"nin oluşmasını baştan önlemelerine de yardımcı olabilir; bu da ışınları ve verileri daha sağlam tutarak ve daha az çabayla daha yüksek kaliteli sonuçlar elde ederek büyük miktarda para tasarrufu sağlayabilir.

Kaynak: PM

Araştırmacılar, radyasyon "sıçratmadan" parçacıklar arası enerji transferinin temel sınırını genişletti

TU/e'deki araştırmacılar; mikroskobik altın çubuklardaki titreşimler sayesinde, ışık veya ısı yoluyla gerçekleşen kayıpsız enerji transferinin, daha önce mümkün olduğu düşünülen mesafelerden çok daha uzaklarda gerçekleşebileceğini ortaya koydu. Araştırmacılar, enerjinin yol boyunca dışarı "sıçramasına" izin vermeden, birkaç milimetrelik bir mesafe üzerinden bir parçacıktan diğerine atlamasını sağlamayı başardı.

Bu araştırmanın gerçekleştiği mikroskobik dünyada bu, kuantum iletişimi, güneş enerjisi ve ultra hassas tıbbi sensörler alanlarında umut verici uygulamalar barındıran dev bir adımdır. Araştırmacılar bulgularını Science Advances dergisinde yayımladı.

Normal şartlarda, enerjiyi soğuran bir molekül, bu enerjiyi; çevresindeki ortama aktarılan titreşimler yoluyla ısı olarak veya bir ışık parçacığı (foton olarak bilinir) şeklinde yeniden kaybeder. Förster rezonans enerji transferinde (veya kısaca FRET; adını Alman fizikçi Theodor Förster'den almıştır) ise farklı bir durum yaşanır: Enerji, radyasyon yaymadan, doğrudan bir molekülden belirli bir komşu moleküle; moleküllerin elektrik alanları arasındaki görünmez bir etkileşim aracılığıyla atlar.

Bu kendine özgü enerji transferi biçiminde, ısı veya ışık şeklinde hiçbir enerji kaybı yaşanmaz. Bunun yerine, enerjinin tamamı tam olarak ihtiyaç duyulan noktaya ulaşır. Bunun en bilinen örneği, bitkilerdeki fotosentez sürecidir. FRET sayesinde bitkiler, yakaladıkları güneş ışığını, yıldırım hızıyla ve hiçbir enerji kaybı olmaksızın, besine dönüştürüldüğü hücrelere taşıyabilirler.

Bilim insanları ayrıca FRET'i hassas bir araç olarak kullanmayı da öğrendiler. Bu etki yalnızca son derece kısa mesafelerde işlediğinden, gerçekleşip gerçekleşmediği bilgisi, iki molekülün birbirine ne kadar yakın olduğunu ortaya çıkarabilir. Bu özellik; örneğin proteinlerin incelenmesi veya kan ya da doku örneklerindeki hastalık belirteçlerinin tespit edilmesi gibi çalışmalarda büyük kolaylık sağlar.

Amsterdam'dan Brüksel'e atlamak gibi

Ancak FRET'in önemli bir sınırlaması bulunmaktadır. Bu etki yalnızca, bir insan saç telinden yaklaşık on bin kat daha ince olan, kabaca birkaç nanometrelik son derece kısa mesafelerde işler. Araştırmalarında Profesör Jaime Gómez Rivas, doktora sonrası araştırmacı Jie Ji ve lisansüstü araştırmacı Wouter Holman, bu etkili menzili birkaç milimetreye kadar genişletmeyi başardı.

Bu mesafe kulağa pek büyük gelmeyebilir; ancak moleküller dünyasında bu, bir insanın Amsterdam'dan Brüksel'e, yani 200 kilometrelik bir mesafeye atlamasına eşdeğer, dev bir adımdır. Enerjiyi bir taraftan diğerine taşımak

Ekibin yaklaşımı, fizikte "sürekli spektrum içinde bağlı haller" (BICs) olarak bilinen bir fenomene dayanmaktadır. Bunlar; hassas bir iptal etkisi sayesinde bir yüzey üzerinde tamamen hapsolup kalan ve dışarıya hiçbir enerji yaymayan elektromanyetik dalgalardır. Mevcut olmalarına rağmen dış dünya için görünmezdirler ve olağanüstü uzun bir süre boyunca bozulmadan kalırlar.

Bu durumdan yararlanmak amacıyla araştırmacılar, cam bir zemin üzerinde, mikroskobik boyutlarda ve son derece hassas bir düzende dizilmiş altın çubuklardan oluşan düz bir yüzey tasarladılar. Özel olarak tasarlanmış ölçüm problarından biri, doğru frekansta yüzeye temas ettiğinde, enerjiyi herhangi bir ışıma yapmadan 2 milimetre ötedeki bir algılama probuna taşıyan bir BIC hali oluşturdu.

Hiçbir enerji kaybı yaşanmadı

Bu taşıma işlemi, altın çubukların içindeki rezonanslar (titreşimler) aracılığıyla gerçekleşir. Normal şartlarda bu tür rezonanslar çevreye fotonlar (ışık parçacıkları) yayarak enerji transferini verimsiz hale getirir. Ancak BIC'lerin kullanımı sayesinde enerji tamamen yüzeyde hapsolmakta ve bu da enerji transferini son derece verimli kılmaktadır. Bu süreç, FRET (Floresans Rezonans Enerji Transferi) mekanizmasındakine benzer bir şekilde işlemektedir; ancak burada transfer, uzun zamandır imkansız olduğu düşünülen bir mesafede gerçekleştirilmiştir.

Bir diğer çarpıcı husus ise, transferin yön bağımlılığının oldukça güçlü olması ve altın çubukların yönelimi tarafından hassas bir şekilde belirlenmesidir: Belirli bir yön boyunca enerji, tam iki milimetrelik mesafeyi zahmetsizce kat ederken; buna dik olan yönde, bu mesafenin sadece çok küçük bir kısmını aştıktan sonra sönümlenmektedir. Tek bir yöne yönelik bu doğal eğilim, tıpkı bir elektrik devresinin elektrik akımını tek bir yöne yönlendirmesi gibi, gelecekteki cihazlarda enerji akışını kontrol etmek amacıyla kullanılabilir.

Uyarılmış hal

Bu sonucu özellikle ilgi çekici kılan şey; sadece katedilen mesafe değil, aynı zamanda transferin düz bir yüzey üzerinde ve oda sıcaklığında gerçekleşmesi; üstelik tüm bunların herhangi bir optik dalga kılavuzu, optik fiber veya kriyojenik soğutma sistemine ihtiyaç duyulmadan başarılmış olmasıdır.

Uyarılmış (yüksek enerjili) halin taşıdığı bilgi, yol boyunca bir altın çubuktan diğerine sıçrayarak bozulmadan kalmakta; bu durum, bu tür yüzey tabanlı platformlarda da tutarlı (koheren) bir enerji transferinin gerçekleştirilebileceğini ortaya koymaktadır.

Sırada ne var?

Rezonant altın çubuklar kullanılarak gerçekleştirilen bu muazzam düzeydeki enerji transferi gösterimi ve elektromanyetik dalgaların yüzeyde hapsedilmesi başarısı; tekil (biyo)moleküllerin daha önce hiç görülmemiş bir hassasiyetle tespit edilebildiği ultra hassas sensör sistemlerinde doğrudan uygulama alanı bulabilir.

Uzun vadede, yalnızca birbirlerinden uzun bir mesafeyle ayrılmış iki molekülü değil, aynı zamanda bunların pek çoğunu birbirine bağlayarak, tek tip (ve tutarlı) bir davranış sergileyen "süpermoleküller" oluşturmak mümkün olmalıdır. Bu tutarlı süpermoleküller, kimyasal reaksiyonların gerçekleşme biçimini değiştirerek kimya bilimine yepyeni bir çalışma alanı açabilir. Çalışmanın sonuçları ayrıca kuantum iletişimi, güneş enerjisi ve tıbbi sensörler alanındaki umut verici uygulamaları da bir adım daha yakına getiriyor.

Kaynak: Phys