sciEncE

[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글목록][이 전][다 음]
[ sciEncE ] in KIDS
글 쓴 이(By): Convex (4ever 0~)
날 짜 (Date): 2000년 2월 28일 월요일 오후 04시 52분 36초
제 목(Title): In Quantum Feat, Atom Is Seen in 2 ..


In Quantum Feat, Atom Is Seen in 2 Places at Once? [NYT]

By George Johnson

Appalled by the weird implications of quantum mechanics, the rules that 
explain the workings of the tiny particles that make up the universe, Albert 
Einstein used to stroll the streets of Princeton wondering why the moon 
wasn't smeared all over the sky. 

After all, the moon is made of these particles, and quantum theory holds that 
until it is observed, a particle doesn't have a definite position. It remains 
suspended in a mathematical limbo: a state of pure potentiality consisting of 
all the possible positions it could conceivably occupy. 

-------------------------------------------------------------------------------
-
  
Or, as Einstein put it, the moon exists even if no one is watching it.  

-------------------------------------------------------------------------------
-
  

Do you really believe, Einstein once asked a younger colleague, that the moon 
exists only when you look at it? 

Einstein had come face to face with the fundamental paradox of quantum 
mechanics: why the laws that apply so precisely to the subatomic realm do not 
appear to carry over into the domain of everyday things. 

"According to quantum mechanics, a bottle of Coke should be able to exist in 
a superposition of two locations, both here and there," said Dr. Wojciech H. 
Zurek, a theorist at Los Alamos National Laboratories in New Mexico. "We do 
not see such states. Ever. Bottles are either here or there. What eradicates 
quantum weirdness?" And could the solidity of reality really be dependent on 
the presence of observers? 

Some physicists believe they are coming closer to an answer with a phenomenon 
called decoherence, in which the particles themselves constantly "observe" 
one another, eliminating the quantum fuzziness and yielding the familiar 
world of solid objects. 

In recent weeks this theoretical notion received what might be its strongest 
support yet. Experimenters at the National Institute of Standards and 
Technology in Boulder, Colo., observed decoherence in action. They used laser 
beams to gently manipulate an atom, essentially putting it in two places at 
once. Then they measured the breakdown of this perplexing state of existence 
more methodically than ever before. 

Dr. Seth Lloyd, an associate professor in the department of mechanical 
engineering at the Massachusetts Institute of Technology and an expert in 
quantum theory, called the work an "experimental triumph." 

"Certainly no experiments have been done previously that so carefully and 
thoroughly examine the decoherence process," he said. "The results confirm to 
a high degree of precision the theoretical predictions of the last 20 years." 

Though other groups have measured decoherence in the past, the Boulder 
experiment is the first to systematically observe how quickly quantum 
ambiguity is resolved when a particle is exposed to different kinds of 
environments. 

"This is indeed a significant piece of work," said Dr. Gerard J. Milburn, 
head of the physics department at the University of Queensland in Australia. 
Dr. Milburn's calculations about how quickly quantum fuzziness gives way to 
tangible objects were borne out by the demonstration. "This is the most 
definitive experimental validation of these predictions to date," he said. 

In pure isolation, sealed off from the influence of its surroundings, a 
particle is represented by a mathematical device called a quantum wave 
function: all of the particle's possible states (its position or momentum, 
for example) cling together in a condition known as quantum superposition. In 
traditional interpretations of quantum mechanics, it is the act of 
observation that causes this wave function to "collapse," forcing the 
particle to choose one state or another. 

Physicists have tried to discourage mystics by emphasizing that the observer 
need not be a conscious being: an electronic detector or a photographic plate 
will do. It is the collision with the rock-solid world that resolves the 
particle's ambiguous existence. 

But many physicists find this explanation dissatisfying. They would like 
quantum mechanics to be a completely self-contained theory, with no need to 
invoke any kind of outside measurer. 

After all, if quantum mechanics is taken to its logical extreme, the universe 
itself can be described by a wave function, all its possible histories 
hovering together in superposition. 

By definition, there can be nothing outside the universe, no external 
observer or measurer to conjure up this particular universe from the 
plentitude of possibilities. 

Maybe all it takes to collapse the wave function, Dr. Zurek and his 
colleagues propose, is for a particle to undergo some kind of tiny 
disturbance, to come into contact with other particles. The delicately 
balanced superposition in which all the possibilities stick together, or 
"cohere," would come unglued. It would "decohere." Then the particle could 
assume a particular position. 

Or, as Dr. Zurek has described it, "the watchful eye of the environment" -- 
the particles and waves that pervade creation -- is constantly making 
measurements, banishing quantum ambiguity and conjuring up hard-edged 
reality, the familiar world dominated by the commonsensical laws of classical 
physics. 

There would be no need for a curious observer or even a measuring instrument 
to solidify Einstein's moon or to put Dr. Zurek's Coke bottle on one side of 
the table or another. The decoherence caused by the jiggling of an object's 
own atoms and the particles around it would be enough. 

To dramatize the problems of applying quantum theory to the classical world, 
the Austrian physicist Erwin Schrodinger devised his famous thought 
experiment in which the fate of a cat is tied to that of a single subatomic 
particle. In one version, a photon (a particle of light) is fired at a 
half-silvered mirror, giving it a 50-50 chance of reflecting back or sailing 
through. If the photon passes through the mirror, it strikes a photoelectric 
detector, activating a circuit that breaks a vial of poison and kills the 
cat. If the photon is reflected away from the detector, the cat is spared. 

Schrodinger argued that until the box was opened and the outcome of the 
experiment was registered, the photon would linger in a superposition of the 
two possible paths it could take, leaving the cat in the uncomfortable 
position of being simultaneously dead and alive. 

Decoherence suggests why this is not worth worrying about. Each atom in the 
cat is tied into a complex environment of other atoms that constantly 
interact, spiriting away the quantum effects. 

More specifically, the theory predicts that the speed at which quantum 
superpositions collapse, giving rise to what theorists call "classicality," 
depends on how far apart the alternate possibilities are in something called 
Hilbert space. Put more colloquially, it depends on how different they are. A 
Coke bottle on one side of a table is far removed from a Coke bottle on the 
other side, and a live cat is very different from a dead one. Hence, the 
superpositions -- the bottle both here and there, the cat both dead and alive 
-- almost immediately go away. 

To observe decoherence in action, the researchers in Boulder trained their 
sights on the "mesoscopic" realm -- between the submicroscopic world, where 
particles can hover indefinitely in superposition, and the macroscopic world 
of objects, where superpositions disappear too soon to be noticed. 

In the experiment, reported Jan. 20 in Nature, Dr. David Wineland and his 
colleagues trapped a charged atom inside an electromagnetic field. Using 
laser pulses, the researchers coaxed it into a "cat state" in which its outer 
electron simultaneously had two opposite "spins." It was as though a tiny 
sphere were rotating clockwise and counterclockwise at the same time. Laser 
beams were then used to nudge apart the two states separating them by about 
100 billionths of a meter. 

The experimenters had created weird superpositions like this before. This 
time, though, they went on to see what would happen if the "cat state" was 
exposed to various disturbances in the form of electrical fields. As 
predicted by decoherence theory, this interaction with an environment rapidly 
forced the superposition to come undone and the atom took its place in the 
world. How fast this happened depended, as theory predicted, on how far the 
two superpositions were separated. 

"We hope these kinds of experiments may shed some light on the 
inconsistencies between what quantum mechanics predicts and our everyday 
experience," Dr. Wineland said. He also noted that a deeper understanding of 
decoherence could help scientists build experimental quantum computers. 

In these theoretical devices, all the calculations needed to solve a problem 
would be performed simultaneously in quantum superposition. The result could 
be extremely powerful machines that crack problems now considered 
impenetrable. But first scientists would have to learn how to control 
decoherence, keeping the superpositions from collapsing before a calculation 
is done. 

Decoherence has also been measured in other laboratories under entirely 
different conditions. 

In 1996, Dr. Serge Haroche and his colleagues at the Ecole Normale Superieure 
in Paris created cat states by putting an electromagnetic field into a 
superposition in which its waves were simultaneously in different phases -- 
reaching their crests and troughs at different times. Then they upset the 
quantum balancing act by sending an interloping atom -- a "quantum mouse" -- 
through the field. They too found that the larger the separation between the 
alternate quantum states, the faster decoherence came into play. 

"In all of the cases studied, decoherence behaves as predicted by theory," 
Dr. Zurek said. 

"What is best, they confirm the prejudice of theorists (like yours truly) 
that quantum theory can explain this emergence of classicality without any 
modifications (which have been invoked by other, more desperate but no less 
reputable theorists)." 

The University of Oxford physicist Roger Penrose, for example, has proposed 
that the mystery of how classicality arises cannot be completely understood 
without radically overhauling quantum theory and uniting it with Einstein's 
general theory of relativity -- one of the biggest challenges facing physics. 

Even if decoherence succeeds in solving the problem of Einstein's moon, a 
central mystery will remain: the theory may explain why people do not see the 
weird quantum state in which the Coke bottle is on both sides of the table. 
But nothing explains why, when the superposition collapses, the bottle ends 
up on, say, the left side rather than the right. 

As some physicists see it, decoherence must cause the universe to somehow 
split in two, spawning this world, where the bottle is on one side, and 
another, parallel world where it is on the other. According to this "many 
worlds" interpretation, all the different ways history might have unfolded 
coexist in superposition. 

Some physicists, like Dr. David Deutsch at Oxford, insist that these parallel 
universes are as solid and real as our own. Others, like Dr. Lloyd, believe 
they should merely be thought of as abstract possibilities -- things that did 
not occur. 

"The criterion for things being real ought to be that we're able to get 
information about them," Dr. Lloyd said. "The alternatives in the other 
worlds are inaccessible and therefore unreal. I really got up this morning 
and fried an egg for my daughter and myself. There is another world where my 
daughter and I had cereal. 

"The cereal world is in the wave function of the universe, but it's not real 
in the sense that any information I'm going to get will falsify the 
hypothesis. All the information says we had eggs. Look at my cholesterol 
level!" 

Is there another universe where he is picking a milk-sogged Cheerio from the 
end of his spoon and wondering how anyone could possibly think he had eaten 
eggs? As far as this Dr. Lloyd is concerned, it does not really matter. 


 
--,--`-<@  매일 그대와 아침햇살 받으며 매일 그대와 눈을 뜨고파.. 잠이 들고파..
Till the rivers flow up stream       |        Love is real      \|||/   @@@
Till lovers cease to dream           |        Love is touch    @|~j~|@ @^j^@
Till then, I'm yours, be mine        |        Love is free      | ~ | @@ ~ @@
[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글 목록][이 전][다 음]
키 즈 는 열 린 사 람 들 의 모 임 입 니 다.