Gruppe for Kvantenanofysik, Det Fysiske Fakultet, Wiens Universitet; Billeddesign: Christian Knobloch En lille justering af et endeligt eksperiment i kvantefysik har gjort det muligt for forskere for første gang at observere præcis, hvordan molekyler opfører sig som bølger.
Resultaterne er solidt på linje med, hvad teori, der dækker komplekse kvantefænomener forudsiger, så forvent ikke nogen radikal ny fysik her. Men som med de fleste kvanteeksperimenter, får konsekvenserne af at se sådan en kontraintuitiv teori i aktion vores hoved til at snurre.
Forskere fra universiteterne i Wien og Tel Aviv har for nylig samarbejdet om at gøre en to årtier gammel idé til virkelighed, hvor de erstatter små partikler med store organiske molekyler i en variation af Clinton Davisson og Lester Germers klassiker fra 1927 dobbelt spalte eksperiment for at teste grænserne for en lov, der styrer deres adfærd.
'Idéen har været kendt i mere end tyve år,' siger forsker Christian Brand fra Wien Center for Kvantevidenskab og Teknologi ved Universitetet i Wien.
'Men først nu har vi de teknologiske midler til at bringe alle komponenterne sammen og bygge et eksperiment, der er i stand til at teste det med massive molekyler.'
For at forstå betydningen hjælper det at gå tilbage til begyndelsen.
I den første fjerdedel af det 20. århundrede kæmpede videnskabsmænd med, hvad der så ud som to helt forskellige universer af fysiske love.
Det ene var Newtons univers, hvor faldende æbler og stjerneskud opførte sig på lignende måder og kun adskilte sig med hensyn til skala.
Den anden blev født, da Albert Einstein foreslog, at den matematik, der blev opfundet for at forklare, hvordan lys blev absorberet og udsendt, ikke bare var en bekvem måde at knuse tallene på – lys bestod i virkeligheden af diskrete bits kaldet kvanter.
Gå ind på scenen til venstre, Prins Louis de Broglie .
Fordi ideen om, at lys er lavet af små skydekugler, ikke var rodet nok, besluttede denne uforfærdede franske fysiker, at en måde at forstå de nyeste modeller af atomet på var at beskrive elektroner – de små kugler, der suser rundt om en kerne – som bølger såvel.
Kendte navne som f.eks Werner Heisenberg og Erwin Schrödinger fandt efterfølgende forskellige måder at forudsige, hvordan et atoms struktur skulle opføre sig på, men den ene afbildede elektroner som kontinuerlige bølger og den anden som diskrete stumper af ting.
Det gale var, at begge teorier var solide. På samme måde kunne en ting ikke være en bølge og en bold på samme tid, vel?
amerikanske fysikere Clinton Davisson og Lester Germer tog derefter inspiration fra et endnu tidligere eksperiment der havde vist, at lys var en bølge.
Deres version viste, at en elektronstråle, der passerer gennem et par tæt afstemte parallelle spalter, kunne producere et bølgelignende adfærdsmønster, der ligner lys, hvilket understøtter de Broglies hypotese. Sag lukket.
Bortset fra lige siden da er forskellige versioner af dette dobbeltspalte-eksperiment fortsat med at rode med vores sind, og viser, at små objekter som elektroner og fotoner kan opføre sig som både partikler og bølger, afhængigt af hvordan vi måler dem.
Endnu værre er det ikke kun et spørgsmål om de helt små. I 2012 der blev sat ny rekord ved at vise et molekyle har hele 800 atomer i størrelse også bølgelignende egenskaber.
Dette seneste eksperiment har ikke smadret nogen rekorder, men forskerne brugte stadig massive fritsvævende partikler, der vejede 515 atommasseenheder eller omkring 42 kulstofatomer i størrelse. Ikke ligefrem lille, og ikke let at administrere.
Deres mål var at sætte nogle grænser for den bølgelignende natur af store ting som molekyler ved at føre dem gennem forskellige antal slots.
Det er fristende at forestille sig disse bølger som bunker af kugler, der ryster op og ned som lopper på en kogeplade.
I stedet kan et objekt som en elektron, en foton, et molekyle eller (bare for at blæse dit sind) din bedstemor opfattes som en blanding af egenskaber kaldet en superposition, der har forskellige tilstande på én gang.
Sandsynligheden for disse tilstande, der hver beskriver deres position og energi i tid og rum, er det, vi kalder bølger. Seriøst, lad være med at prøve at forestille dig det i klassisk, fysisk forstand, du vil få en næseblod.
For små partikler kan denne sandsynlighed udledes af målinger, der er tilsluttet noget, der hedder Borns lov .
Mere komplekse systemer, såsom molekyler (og formentlig bedstemødre), kræver udvidelser til denne formel.
Lidt over 20 år siden fandt en fysiker ved navn Rafael Sorkin ud af, at du kun behøvede målingerne fra kun to veje – såsom dem taget gennem dobbelte spalter – for at visse udvidelser af Borns lov stadig kunne virke. Tilføjelse af en tredjedel, fjerdedel eller hundrededel burde ikke gøre nogen forskel.
Takket være resultaterne af dette eksperiment kan vi sove lettere om natten, idet vi ved, at Sorkins 'to pathway'-grænse står for partikler på størrelse med molekyler.
'Dette er første gang en eksplicit test af denne art er blevet udført med massive partikler', siger forsker Joseph Cotter universitetet i Wien.
'Tidligere test har rykket grænserne med enkeltfotoner og mikrobølger. I vores eksperiment sætter vi grænser for interferens af højere orden af massive objekter.'
Selvom alt dette er godt for fysikken, er det også endnu et bevis, der viser, at kvantemekanisk underlighed, såsom at eksistere som både partikler og bølger, ikke kun er noget, der sker med ufattelige små ting.
Ikke underligt, at vores hoved føles sløret.
Denne forskning blev offentliggjort i Videnskabens fremskridt .