Vova Krasen
0 
4237
188
Veel wetenschappers denken dat grote kwantumeffecten, zoals verstrengeling, waarbij deeltjes op mysterieuze wijze van elkaar gescheiden zijn door grote afstanden, hun toestand niet zouden moeten werken voor levende wezens. Maar een nieuw artikel stelt dat het dat al heeft gedaan - dat wetenschappers in 2016 al een soort Schrödinger's kat hebben gemaakt - alleen met kwantumverstrengelde bacteriën.
Meestal beschrijven we de kwantumfysica als een reeks regels die het gedrag van extreem kleine dingen regelen: lichtdeeltjes, atomen en andere oneindig kleine objecten. De grotere wereld, op bacteriële schaal (wat ook onze schaal is - het chaotische rijk van het leven) hoort nergens zo vreemd te zijn.
Dat was wat de natuurkundige Erwin Schrödinger bedoelde te zeggen toen hij zijn beroemde Schrödinger's kattengedachte-experiment voorstelde, zoals Jonathan O'Callaghan opmerkte in Scientific American. In dat gedachte-experiment zou een kat in een doos worden blootgesteld aan een radioactief deeltje dat zelfs maar kans had om te vervallen of niet. Totdat de doos werd geopend, zou de arme kat tegelijkertijd levend en dood zijn, wat voor Schrödinger duidelijk absurd leek. Er is gewoon iets met de kwantumwereld dat in de onze niet klopt. [Hoe Quantum Entanglement werkt (Infographic)]
Maar wetenschappers zijn het er niet over eens waar de grens tussen de gewone en de kwantumwereld ligt - of dat die überhaupt bestaat. Chiara Marletto, een natuurkundige aan de Universiteit van Oxford en co-auteur van het recente artikel, dat op 10 oktober werd gepubliceerd in The Journal of Physics Communications, zei dat er geen reden is om te verwachten dat er een limiet is aan de omvang van kwantumeffecten.
"Ik ben geïnteresseerd in het bestuderen van de grens waar kwantumregels niet meer gelden", vertelde ze. "Sommige mensen zeggen dat de kwantumtheorie geen universele theorie is, dus het is niet van toepassing op enig object in het universum, maar zal op een gegeven moment zelfs kapot gaan. Het is mijn interesse om te laten zien dat dat niet het geval is."
Daartoe gingen Marletto en haar collega's terug en keken naar een artikel dat in 2017 in het tijdschrift Small was gepubliceerd en dat enkele beperkte kwantumeffecten in bacteriën leek te laten zien. Ze bouwden een theoretisch model van wat er in dat experiment van de Universiteit van Sheffield zou kunnen zijn gebeurd, en het laat zien dat die bacteriën in feite verstrikt kunnen zijn geraakt in lichtdeeltjes..
Dit is waarom dat zo'n radicaal idee is:
Kijk naar jezelf en kijk dan naar de persoon naast je. Jullie zijn fysiek gescheiden wezens, juist?
Maar de kwantummechanica vertelt ons dat dit niet het geval hoeft te zijn. Deeltjes, of verzamelingen deeltjes, kunnen in elkaar worden gebonden, "verstrengeld", zodat hun golfvormen met elkaar verstrengeld raken. Geen van beide deeltjes kan worden begrepen of beschreven zonder ook de andere te beschrijven. En het meten van een fysieke eigenschap van één deeltje 'klapt in' de golfvorm van beide deeltjes. Scheid de deeltjes met duizenden mijlen, en je zou nog steeds onmiddellijk de fysieke toestand van een van hen kunnen leren door alleen de andere te meten.
Volgens de huidige kwantumtheorie is er geen limiet aan dit effect. Wat werkt voor een proton, zou moeten werken voor een olifant. Maar in de praktijk zijn grotere systemen veel moeilijker te verwarren. En wetenschappers hebben gedebatteerd of levende wezens gewoon te complex zijn om te verstrikken. Je zou moeite hebben om twee olifanten met elkaar te verstrikken om dezelfde reden als je die olifanten zou leren om paren kunstschaatsen op Olympisch niveau te maken: er is geen specifieke natuurwet die zegt dat het onmogelijk is, maar de meeste mensen zijn het erover eens dat het niet mogelijk is.
En toch zei een team van onderzoekers van de Universiteit van Sheffield in Engeland in 2017 dat ze een toestand hadden gecreëerd van wat bekend staat als kwantumkoppeling in fotosynthetische bacteriën. Ze plaatsten een paar honderd bacteriën in een kleine, spiegelende kamer en kaatsten licht rond. (Gebaseerd op de lengte van de minikamer, bleef er in de loop van de tijd slechts een bepaalde golflengte van licht bestaan, bekend als de resonantiefrequentie.) Na verloop van tijd bleken zes van de bacteriën een beperkte kwantumverbinding met het licht te ontwikkelen. Dus de resonantiefrequentie van licht in de kleine kamer leek te synchroniseren met de frequentie waarmee elektronen in en uit positie sprongen in de fotosynthetische moleculen van de bacterie. (Bekijk deze link voor meer informatie over dit effect.)
Marletto zei dat haar model laat zien dat dit effect waarschijnlijk meer inhield dan alleen kwantumkoppeling. Er was waarschijnlijk iets nog vreemder aan de hand dan wat die experimentalisten beschreven, zei ze
De bacteriën, zo toonden zij en haar collega's, raakten waarschijnlijk verstrikt in het licht. Dit betekent dat de vergelijkingen die worden gebruikt om elk van de golfvormen te definiëren - van zowel het licht als de bacteriën - één vergelijking worden. Geen van beide is oplosbaar zonder de ander. (Volgens de kwantummechanica kunnen alle objecten worden beschreven als zowel deeltjes als golven, maar praktisch gesproken zijn in "grote" objecten zoals bacteriën de golfvormen onmogelijk te zien of te meten.)
Net als de spreekwoordelijke kat van Schrödinger in een doos, leek het hele systeem te bestaan in een onzekere onderwereld: de lichtdeeltjes lijken de bacteriën tegelijkertijd te hebben geraakt en gemist..
Dit bewijst echter niet dat de bacteriën en het licht zeker verstrengeld waren - er zijn andere mogelijke verklaringen die betrekking hebben op klassieke fysica, en die zijn nog niet uitgesloten, zei ze..
"Wat aan dit experiment ontbreekt, is het vermogen om verstrengeling op een diepere manier te bevestigen", zei ze.
Kwantumexperimenten omvatten vaak het meten van fysieke kenmerken van een verstrengeld deeltje om erachter te komen of die kenmerken het andere deeltje beïnvloeden. In dit geval zou dat betekenen dat de fysieke eigenschappen van de bacteriën moeten worden gemeten in combinatie met de fysieke eigenschappen van het licht. Dat was niet mogelijk in dit experiment, maar Marletto zei dat er al experimenten worden ontworpen die echte verstrengeling kunnen aantonen.
Nog interessanter, zei ze, is de vraag of de bacteriën de verstrengeling gebruiken op een manier die voor hen nuttig is, hoewel het beantwoorden van die vraag veel meer experimenteel werk zou vergen..
"Het is mogelijk dat natuurlijke selectie ertoe heeft geleid dat de bacteriën profiteren van kwantumeffecten", zei ze.
Oorspronkelijk gepubliceerd op .