De mindste skalaer har store konsekvenser. Og intet videnskabsområde demonstrerer det bedre end kvantefysik, der udforsker den underlige opførsel af - for det meste - meget små ting. I 2019 gik kvanteeksperimenter til nye og endnu fremmere steder, og praktisk kvanteberegning var stadig tættere på virkeligheden på trods af nogle kontroverser. Dette var de vigtigste og mest overraskende kvantehændelser i 2019.
Google hævder "kvanteoverlegenhed"
Hvis en kvantenyhed fra 2019 fremstiller historiebøgerne, vil det sandsynligvis være en stor meddelelse, der kom fra Google: Teknologiselskabet annoncerede, at det havde opnået "kvanteoverherredømme." Det er en fin måde at sige, at Google havde bygget en computer, der kunne udføre visse opgaver hurtigere end nogen klassisk computer kunne. (Kategorien klassiske computere inkluderer enhver maskine, der er afhængig af almindelige gamle 1'ere og 0'ere, f.eks. Den enhed, du bruger til at læse denne artikel.)
Googles påstand om kvanteoverlegenhed ville, hvis det udføres, markere et bøjningspunkt i computerhistorien. Kvantecomputere er afhængige af mærkelige fysiske effekter i små skalaer som sammenfiltring samt visse grundlæggende usikkerheder i nano-universet for at udføre deres beregninger. I teorien giver kvaliteten disse maskiner visse fordele i forhold til klassiske computere. De kan let bryde klassiske krypteringsordninger, sende perfekt krypterede meddelelser, køre nogle simuleringer hurtigere end klassiske computere kan og generelt løser hårde problemer meget let. Problemet er, at ingen nogensinde har lavet en kvantecomputer hurtigt nok til at drage fordel af de teoretiske fordele - eller i det mindste ingen havde, indtil Googles brag i år.
Ikke alle køber imidlertid techfirmaets overherredømme. Subhash Kak, en kvanteskeptiker og forsker ved Oklahoma State University, lagde flere af grundene til i denne artikel til Live Science.
Læs mere om Googles opnåelse af kvanteoverherredømme.
Kilogrammet bliver kvant
Et andet kvantebøjningspunkt i 2019 kom fra en verden af vægte og mål. Standardkilogrammet, det fysiske objekt, der definerede masseenheden til alle målinger, havde længe været en 130 år gammel platin-iridiumcylinder, der vejer 2,2 kg. og sidder i et rum i Frankrig. Det ændrede sig i år.
Det gamle kilo var temmelig godt, knap skiftende masse i årtier. Men det nye kilo er perfekt: Baseret på det grundlæggende forhold mellem masse og energi såvel som et skør i opførelsen af energi i kvanteskalaer, var fysikere i stand til at nå frem til en definition af det kilogram, der overhovedet ikke ændrer sig mellem i år og slutningen af universet.
Læs mere om det perfekte kilogram.
Virkeligheden brød lidt
Et team af fysikere designet et kvanteeksperiment, der viste, at fakta faktisk ændrer sig afhængigt af dit perspektiv på situationen. Fysikere udførte en slags "møntkast" ved hjælp af fotoner i en lille kvantecomputer og fandt, at resultaterne var forskellige ved forskellige detektorer, afhængigt af deres perspektiver.
"Vi viser, at i mikroverdenen af atomer og partikler, der styres af kvantemekanikens mærkelige regler, har to forskellige observatører ret til deres egne fakta," skrev eksperimenterne i en artikel til Live Science. "Med andre ord, ifølge vores bedste teori om selve naturens byggesten, kan fakta faktisk være subjektive."
Læs mere om manglen på objektiv virkelighed.
Forviklinger fik sit glamourbillede
For første gang lavede fysikere et fotografi af fænomenet Albert Einstein beskrevet som "uhyggelig handling på afstand", hvor to partikler forbliver fysisk forbundet på trods af at de er adskilt over afstande. Denne funktion af kvanteverdenen var længe blevet eksperimentelt verificeret, men dette var første gang nogen fik at se den.
Læs mere om det uforglemmelige billede af sammenfiltring.
Noget stort gik i flere retninger
På nogle måder er det begrebsmæssige modsætning af sammenfiltring, kvantesuperposition det muligt for et enkelt objekt at være to (eller flere) steder på en gang, en konsekvens af materie, der findes som både partikler og bølger. Dette opnås typisk med små partikler som elektroner.
Men i et eksperiment i 2019 lykkedes fysikerne at trække superposition i den største skala nogensinde: ved hjælp af hulking, 2.000-atommolekyler fra den medicinske videnskab, kendt som "oligo-tetraphenylporphyrins beriget med fluoroalkylsulfanylkæder."
Læs om makroskala opnåelse af superposition.
Varme krydsede vakuumet
Under normale omstændigheder kan varme kun krydse et vakuum på en måde: i form af stråling. (Det er det, du føler, når solstrålene krydser pladsen for at slå dit ansigt på en sommerdag.) Ellers bevæger varme sig i to forskellige manerer i standard fysiske modeller: For det første kan aktiverede partikler banke ind i andre partikler og overføre deres energi . (Pak hænderne rundt om en varm kop te for at føle denne effekt.) For det andet kan en varm væske fortrænge en koldere væske. (Det er, hvad der sker, når du tænder for varmeapparatet i din bil og oversvømmer det indre med varm luft.) Så uden stråling kan varme ikke krydse et vakuum.
Men kvantefysik bryder som sædvanligvis reglerne. I et eksperiment i 2019 udnyttede fysikere det faktum, at i kvanteskalaen ikke er støvsugere virkelig tomme. I stedet er de fulde af små tilfældige udsving, der dukker ind og ud af eksistensen. I små nok skalaer, fandt forskerne, kan varme krydse et vakuum ved at hoppe fra en udsving til den næste over det tilsyneladende tomme rum.
Læs mere om varme, der springer over rumets kvantevakuum.
Årsag og virkning er muligvis gået tilbage
Denne næste konstatering er langt fra en eksperimentelt verificeret opdagelse, og den er endda langt uden for den traditionelle kvantefysik. Men forskere, der arbejder med kvantetyngdekraft - en teoretisk konstruktion designet til at forene verdens kvantemekanik og Einsteins generelle relativitet - viste, at en begivenhed under visse omstændigheder kunne forårsage en virkning, der fandt sted tidligere i tiden.
Visse meget tunge genstande kan påvirke strømmen af tid i deres umiddelbare nærhed på grund af generel relativitet. Vi ved, at dette er sandt. Og kvanteoverlagring dikterer, at objekter kan være flere steder på én gang. Sæt et meget tungt objekt (som en stor planet) i en tilstand af kvantesuperposition, skrev forskerne, og du kan designe underlige scenarier, hvor årsag og virkning finder sted i forkert rækkefølge.
Læs mere om omvendt årsag og virkning.
Kvantetunneling revnet
Fysikere har længe kendt til en mærkelig effekt kendt som "kvantetunneling", hvor partikler ser ud til at passere gennem tilsyneladende uacceptable barrierer. Det er dog ikke fordi de er så små, at de finder huller. I 2019 viste et eksperiment, hvordan dette virkelig sker.
Kvantefysik siger, at partikler også er bølger, og du kan tænke på disse bølger som sandsynlighedsprojektioner for placeringen af partiklen. Men de er stadig bølger. Smash en bølge mod en barriere i havet, og den vil miste noget energi, men en mindre bølge vises på den anden side. En lignende effekt forekommer i kvanteverdenen, fandt forskerne. Og så længe der er en smule sandsynlighedsbølger tilbage på ydersiden af barrieren, har partiklen en chance for at komme det igennem forhindringen og tunnelere gennem et rum, hvor det ser ud til, at det ikke skal passe.
Læs mere om den fantastiske kvantetunnelleringseffekt.
Metallisk brint kan have vist sig på Jorden
Dette var et stort år for fysik med ultrahøjtryk. Og en af de dristigste påstande kom fra et fransk laboratorium, der annoncerede, at det havde skabt et hellig gralstof til materialevidenskab: metallisk brint. Under høje nok pres, såsom dem, der menes at eksistere i kernen af Jupiter, menes en-proton-hydrogenatomer at antage at fungere som et alkalimetal. Men ingen havde nogensinde været i stand til at generere pres høje nok til at demonstrere effekten i et laboratorium før. I år sagde holdet, at de havde set det ved 425 gigapascals (4,2 millioner gange Jordens atmosfæriske tryk ved havoverfladen). Ikke alle køber imidlertid denne påstand.
Læs mere om metallisk brint.
Vi så kvanteskildpadden
Zap en masse superkølede atomer med et magnetfelt, og du vil se "kvantefyrværkeri": Atomer jetfly skyder i tilsyneladende tilfældige retninger. Forskere har mistanke om, at der kunne være et mønster i fyrværkeriet, men det var ikke indlysende bare at kigge efter. Ved hjælp af en computer opdagede forskere dog en form til fyrværkeri-effekten: en kvanteskildpadde. Ingen er dog endnu sikre på, hvorfor det tager den form dog.
Læs mere om kvanteskildpadden.
En lille kvantecomputer vendte tilbage tid
Tiden skal bevæge sig kun i en retning: fremad. Spild noget mælk på jorden, og der er ingen måde at udtørre snavs og bringe den samme rene mælk tilbage i bægeret. En spredende kvantebølgefunktion spredes ikke.
Bortset fra i dette tilfælde gjorde det det. Ved hjælp af en lille, to-qubit kvantecomputer var fysikere i stand til at skrive en algoritme, der kunne returnere hver ring af en bølge til den partikel, der skabte den - afvikling af begivenheden og effektivt vende tilbage til tidens pil.
Læs mere om at vende tidens pil.
En anden kvantecomputer så 16 futures
Et pænt træk ved kvantecomputere, der er afhængige af superpositioner snarere end 1s og 0s, er deres evne til at afspille flere beregninger på én gang. Denne fordel er på fuld visning i en ny kvantepredikationsmotor udviklet i 2019. Ved at simulere en række tilsluttede begivenheder kunne forskerne bag motoren kode 16 mulige futures til en enkelt foton i deres motor. Nu er det multitasking!
Læs mere om de 16 mulige futures.
