A canister of liquid helium inside

A canister of liquid helium inside the blue cylinder allowed researchers to experiment with tiny electron bubbles only 3.6 nanometers in diameter. The work suggests that the wave function of an electron can be split and parts of it trapped in smaller bubbles. Credit: Mike Cohea/Brown University
New research by physicists from Brown University puts the profound strangeness of quantum mechanics in a nutshell—or, more accurately, in a helium bubble.

Experiments led by Humphrey Maris, professor of physics at Brown, suggest that the quantum state of an electron—the electron's wave function—can be shattered into pieces and those pieces can be trapped in tiny bubbles of liquid helium. To be clear, the researchers are not saying that the electron can be broken apart. Electrons are elementary particles, indivisible and unbreakable. But what the researchers are saying is in some ways more bizarre.

In quantum mechanics, particles do not have a distinct position in space. Instead, they exist as a wave function, a probability distribution that includes all the possible locations where a particle might be found. Maris and his colleagues are suggesting that parts of that distribution can be separated and cordoned off from each other.

"We are trapping the chance of finding the electron, not pieces of the electron," Maris said. "It's a little like a lottery. When lottery tickets are sold, everyone who buys a ticket gets a piece of paper. So all these people are holding a chance and you can consider that the chances are spread all over the place. But there is only one prize—one electron—and where that prize will go is determined later."

If Maris's interpretation of his experimental findings is correct, it raises profound questions about the measurement process in quantum mechanics. In the traditional formulation of quantum mechanics, when a particle is measured—meaning it is found to be in one particular location—the wave function is said to collapse.

"The experiments we have performed indicate that the mere interaction of an electron with some larger physical system, such as a bath of liquid helium, does not constitute a measurement," Maris said. "The question then is: What does?"

And the fact that the wave function can be split into two or more bubbles is strange as well. If a detector finds the electron in one bubble, what happens to the other bubble?

"It really raises all kinds of interesting questions," Maris said.

The new research is published in the Journal of Low Temperature Physics.

Electron bubbles

Scientists have wondered for years about the strange behavior of electrons in liquid helium cooled to near absolute zero. When an electron enters the liquid, it repels surrounding helium atoms, forming a bubble in the liquid about 3.6 nanometers across. The size of the bubble is determined by the pressure of the electron pushing against the surface tension of the helium. The strangeness, however, arises in experiments dating back to the 1960s looking at how the bubbles move.

In the experiments, a pulse of electrons enters the top of a helium-filled tube, and a detector registers the electric charge delivered when electron bubbles reach the bottom of the tube. Because the bubbles have a well-defined size, they should all experience the same amount of drag as they move, and should therefore arrive at the detector at the same time. But that's not what happens. Experiments have detected unidentified objects that reach the detector before the normal electron bubbles. Over the years, scientists have cataloged 14 distinct objects of different sizes, all of which seem to move faster than an electron bubble would be expected to move.

"They've been a mystery ever since they were first detected," Maris said. "Nobody has a good explanation."

Several possibilities have been proposed. The unknown objects could be impurities in the helium—charged particles knocked free from the walls of the container. Another possibility is that the objects could be helium ions—helium atoms that have picked up one or more extra electrons, which produce a negative charge at the detector.

But Maris and his colleagues, including Nobel laureate and Brown physicist Leon Cooper, believe a new set of experiments puts those explanations to rest.

New experiments

The researchers performed a series of electron bubble mobility experiments with much greater sensitivity than previous efforts. They were able to detect all 14 of the objects from previous work, plus four additional objects that appeared frequently over the course of the experiments. But in addition to those 18 objects that showed up frequently, the study revealed countless additional objects that appeared more rarely.

In effect, Maris says, it appears there aren't just 18 objects, but an effectively infinite number of them, with a "continuous distribution of sizes" up to the size of the normal electron bubble.

"That puts a dagger in the idea that these are impurities or helium ions," Maris said. "It would be hard to imagine that there would be that many impurities, or that many previously unknown helium ions."

The only way the researchers can think of to explain the results is through "fission" of the wave function. In certain situations, the researchers surmise, electron wave functions break apart upon entering the liquid, and pieces of the wave function are caught in separate bubbles. Because the bubbles contain less than the full wave function, they're smaller than normal electron bubbles and therefore move faster.

In their new paper, Maris and his team lay out a mechanism by which fission could happen that is supported by quantum theory and is in good agreement with the experimental results. The mechanism involves a concept in quantum mechanics known as reflection above the barrier.

In the case of electrons and helium, it works like this: When an electron hits the surface of the liquid helium, there's some chance that it will cross into the liquid, and some chance that it will bounce off and carom away. In quantum mechanics, those possibilities are expressed as part of the wave function crossing the barrier, and part of it being reflected. Perhaps the small electron bubbles are formed by the portion of the wave function that goes through the surface. The size of the bubble depends on how much wave function goes through, which would explain the continuous distribution of small electron bubble sizes detected in the experiments.

The idea that part of the wave function is reflected at a barrier is standard quantum mechanics, Cooper said. "I don't think anyone would argue with that," he said. "The non-standard part is that the piece of the wave function that goes through can have a physical effect by influencing the size of the bubble. That is what is radically new here."

Further, the researchers propose what happens after the wave function enters the liquid. It's a bit like putting a droplet of oil in a puddle of water. "Sometime your drop of oil forms one bubble," Maris said, "Sometimes it forms two, sometimes 100."

There are elements within quantum theory that suggest a tendency for the wave function to break up into specific sizes. By Maris's calculations, the specific sizes one might expect to see correspond roughly to the 18 frequently occurring electron bubble sizes.

"We think this offers the best explanation for what we see in the experiments," Maris said. We've got this body of data that goes back 40 years. The experiments are not wrong; they've been done by multiple people. We have a tradition called Occam's razor, where we try to come up with the simplest explanation. This, so far as we can tell, is it."

But it does raise some interesting questions that sit on the border of science and philosophy. For example, it's necessary to assume that the helium does not make a measurement of the actual position of the electron. If it did, any bubble found not to contain the electron would, in theory, simply disappear. And that, Maris says, points to one of the deepest mysteries of quantum theory.

"No one is sure what actually constitutes a measurement. Perhaps physicists can agree that someone with a Ph.D. wearing a white coat sitting in the lab of a famous university can make measurements. But what about somebody who really isn't sure what they are doing? Is consciousness required? We don't really know."

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

นักวิจัยทดลองใช้อิเล็กตรอนเล็ก ๆ ฟอง nanometers 3.6 เท่าเส้นผ่านศูนย์กลางตามของฮีเลียมของเหลวภายในถังสีฟ้าได้ งานแนะนำว่า ฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนสามารถจะแบ่งและบางส่วนติดอยู่ในฟองอากาศขนาดเล็ก เครดิต: ไมค์ Cohea น้ำตาลมหาวิทยาลัยวิจัยใหม่ โดย physicists มหาวิทยาลัยสีน้ำตาลทำให้ strangeness ที่ลึกซึ้งของควอนตัมในสั้น — หรือ แม่นยำ ฟองฮีเลียม ทดลองนำ โดยมาริฟรีย์ ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่บราวน์ แนะนำที่สถานะควอนตัมของอิเล็กตรอน — ฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนซึ่งสามารถมลายเป็นชิ้น และชิ้นที่สามารถติดอยู่ในฟองอากาศเล็ก ๆ ของฮีเลียมของเหลว พ้น นักวิจัยจะไม่พูดว่า อิเล็กตรอนที่สามารถถูกแยกห่างกัน อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคประถม indivisible และองค์ แต่สิ่งที่นักวิจัยกำลังพูดอยู่ในบางวิธีที่แปลกประหลาดมาก ในควอนตัม อนุภาคได้ตำแหน่งแตกต่างกันในพื้นที่ แทน พวกเขามีอยู่เป็นฟังก์ชันคลื่น การกระจายความน่าเป็นที่รวมสถานได้ทุกที่ที่อาจค้นพบอนุภาคที่ มาริและเพื่อนร่วมงานของเขาจะแนะนำว่า ส่วนของการกระจายที่สามารถแยก และ cordoned ออกจากกัน มาริกล่าวว่า "เราเป็นตามโอกาสหาอิเล็กตรอน ชิ้นของอิเล็กตรอนไม่ "มันมีน้อยชอบหวย เมื่อขายตั๋วสลากกินแบ่ง ทุกคนที่ซื้อตั๋วได้รับชิ้นส่วนของกระดาษ ดังนั้นคนเหล่านี้จะถือโอกาส และคุณสามารถพิจารณาว่า โอกาสที่จะกระจายไปที่ แต่มีรางวัลเดียว — อิเล็กตรอนหนึ่งตัว และที่จะไปรับรางวัลที่กำหนดในภายหลัง " ถ้าของมาริตีความผลการวิจัยของเขาทดลองถูก เพิ่มคำถามที่ลึกซึ้งเกี่ยวกับการวัดในควอนตัม ในควอนตัม เมื่อวัดอนุภาคการแบ่งแบบดั้งเดิมซึ่งหมายความว่า มันอยู่ในสถานเฉพาะหนึ่ง — ฟังก์ชันคลื่นกล่าวยุบ มาริกล่าวว่า "เราได้ทำการทดลองบ่งชี้ว่า การโต้ตอบเพียงของอิเล็กตรอนที่ มีบางใหญ่ทางกายภาพระบบ เช่นอาบน้ำของฮีเลียมเหลว เป็นการประเมิน "แล้วคำถามคือ: อะไร? " และความจริงที่ว่า ฟังก์ชันคลื่นสามารถแบ่งออกเป็นสอง หรือมากกว่าฟองจะแปลกดี ถ้าจับที่พบอิเล็กตรอนที่ในหนึ่งฟอง เกิดอะไรขึ้นกับฟองอื่น ๆ มาริกล่าวว่า "มันจริง ๆ เพิ่มทุกคำถามที่น่าสนใจ มีการเผยแพร่การวิจัยใหม่ในสมุดรายวันของต่ำอุณหภูมิฟิสิกส์ ฟองอากาศของอิเล็กตรอน นักวิทยาศาสตร์ได้สงสัยว่า ปีเกี่ยวกับพฤติกรรมแปลก ๆ ของอิเล็กตรอนในฮีเลียมเหลวที่ระบายความร้อนด้วยที่ใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ เมื่ออิเล็กตรอนการป้อนของเหลว repels อะตอมฮีเลียมโดยรอบ เป็นฟองใน nanometers ประมาณ 3.6 ของเหลวต่าง ๆ ขนาดของฟองจะถูกกำหนด โดยแรงกดดันของอิเล็กตรอนที่ผลักดันจากแรงตึงผิวของฮีเลียม Strangeness ไร ที่เกิดขึ้นในปี 1960 ไปทดลองดูว่าฟองอากาศย้าย ในการทดลอง ชีพจรของอิเล็กตรอนใส่ด้านบนของหลอดที่เติมฮีเลียม และเครื่องตรวจจับการลงทะเบียนค่าธรรมเนียมไฟฟ้าอิเล็กตรอนฟองมาถึงด้านล่างของท่อส่ง เนื่องจากฟองอากาศมีขนาดกำหนดไว้อย่างดี พวกเขาทั้งหมดกับจำนวนลากเหมือนกันพวกเขาย้าย และควรดังนั้นมาถึงเครื่องตรวจจับในเวลาเดียวกัน แต่ก็ไม่เกิดอะไรขึ้น ทดลองได้ตรวจพบวัตถุไม่สามารถระบุได้ที่ถึงเครื่องตรวจจับก่อนฟองปกติอิเล็กตรอน ปี นักวิทยาศาสตร์มี cataloged วัตถุหมด 14 ขนาดแตกต่างกัน ซึ่งดูเหมือนจะไปได้เร็วขึ้นกว่าฟองมีอิเล็กตรอนจะคาดว่าการย้าย มาริกล่าวว่า "พวกเขาได้รับลึกลับตั้งแต่ครั้งแรกที่พบ "ไม่มีใครมีคำอธิบายที่ดี" ได้รับการเสนอหลายประการ วัตถุไม่รู้จักอาจเป็นสิ่งสกปรกในฮีเลียม — อนุภาค charged โบว์ลิ่งฟรีจากผนังของภาชนะได้ อีกประการหนึ่งคือ วัตถุสามารถเป็นฮีเลียมประจุ – อะตอมฮีเลียมที่ได้รับอย่าง น้อยหนึ่งเพิ่มอิเล็กตรอน ซึ่งผลิตประจุลบในเครื่องตรวจจับ แต่มาริและเพื่อนร่วมงานของเขา รวมทั้งรางวัลโนเบล physicist ลอรีเอตอวอร์ด และน้ำตาลลีออนคูเปอร์ เชื่อว่า คำอธิบายเหล่านั้นวางตัวทำให้ชุดทดลองใหม่ ทดลองใหม่ นักวิจัยดำเนินการชุดการทดลองเคลื่อนไหวฟองอิเล็กตรอน มีมากความไวมากขึ้นกว่าความพยายามก่อนหน้านี้ พวกเขาก็สามารถตรวจพบ 14 ทั้งหมดของวัตถุจากการทำงานก่อนหน้านี้ 4 เพิ่มเติมวัตถุที่ปรากฏบ่อยครั้งในช่วงการทดลอง แต่นอกจากนั้น 18 วัตถุที่พบบ่อย การศึกษาการเปิดเผยวัตถุเพิ่มเติมนับไม่ถ้วนที่ปรากฏขึ้นไม่ค่อย ผล มาริกล่าวว่า มันแล้วไม่ได้มีเพียง 18 วัตถุ แต่มีประสิทธิภาพจำกัดจำนวนของพวกเขา ด้วยการ "อย่างต่อเนื่องกระจายขนาด" ขึ้นอยู่กับขนาดของฟองปกติอิเล็กตรอน มาริกล่าวว่า "ที่ทำให้กริชในความคิดเหล่านี้เป็นสิ่งสกปรกหรือประจุฮีเลียม "มันจะยากที่จะจินตนาการว่า จะมีสิ่งสกปรกให้ หรือประจุฮีเลียมที่ไม่รู้จักก่อนหน้านี้ให้" ทางเดียวที่นักวิจัยสามารถคิดของการอธิบายผลลัพธ์คือผ่าน "ฟิชชัน" ของฟังก์ชันคลื่น ในบางสถานการณ์ นักวิจัยสันนิษฐาน ฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนแยกตามการป้อนของเหลว และชิ้นส่วนของฟังก์ชันคลื่นที่ติดฟองอากาศแยกต่างหาก เนื่องจากฟองอากาศประกอบด้วยน้อยกว่าฟังก์ชันคลื่นเต็ม พวกเขาจะมีขนาดเล็กกว่าปกติอิเล็กตรอนฟอง และจึง ไปได้เร็วขึ้น ในกระดาษของตนใหม่ มาริ และทีมของเขา วางออกกลไกซึ่งฟิชชันสามารถเกิดขึ้นที่ได้รับการสนับสนุน โดยทฤษฎีควอนตัม และเป็นข้อตกลงที่ดีกับผลการทดลอง กลไกที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดในควอนตัมเป็นสะท้อนเหนืออุปสรรค ในกรณีของอิเล็กตรอนและฮีเลียม การทำงานเช่นนี้: เมื่ออิเล็กตรอนฮิตผิวของฮีเลียมเหลว มีบางโอกาสที่มันจะข้ามเข้าไปในของเหลว และบางโอกาสที่มันจะตีกลับปิด และ carom ไป ในควอนตัม โอกาสที่จะแสดงเป็นส่วนหนึ่งของฟังก์ชันคลื่นข้ามอุปสรรค และบางส่วนของการสะท้อน บางทีฟองเล็กอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้น โดยส่วนของฟังก์ชันคลื่นที่ผ่านพื้นผิว ขนาดของฟองขึ้นอยู่กับจำนวนฟังก์ชันคลื่นไปผ่าน ซึ่งจะอธิบายการแจกแจงแบบต่อเนื่องขนาดฟองเล็กอิเล็กตรอนที่ตรวจพบในการทดลอง ความคิดที่ว่า ของฟังก์ชันคลื่นสะท้อนออกมาที่อุปสรรคเป็นควอนตัมมาตรฐาน คูเปอร์กล่าว "ฉันไม่คิดว่า ใครจะทะเลาะกับ เขากล่าวว่า "ส่วนมาตรฐานคือ ชิ้นส่วนของฟังก์ชันคลื่นที่ผ่านสามารถมีลักษณะทางกายภาพ โดยมีอิทธิพลต่อขนาดของฟอง ที่เป็นสิ่งใหม่ก็ที่นี่" เพิ่มเติม นักวิจัยเสนอเกิดอะไรขึ้นหลังจากฟังก์ชันคลื่นเข้าสู่ของเหลว มันเป็นบิตเช่นการวางหยดน้ำมันในบ่อน้ำ กล่าวว่า มาริ "บางครั้งของหยดน้ำมันฟอร์มหนึ่งฟอง "บางครั้ง แบบสอง 100 บางครั้ง" มีองค์ประกอบภายในทฤษฎีควอนตัมที่แนะนำแนวโน้มสำหรับฟังก์ชันคลื่นแบ่งค่าขนาดเฉพาะ โดยการคำนวณของมาริ ขนาดเฉพาะหนึ่งอาจคาดประมาณกับ 18 อิเล็กตรอนขนาดฟองที่เกิดขึ้นบ่อย ๆ มาริกล่าวว่า "เราคิดว่า นี้มีคำอธิบายที่ดีที่สุดสำหรับสิ่งที่เราเห็นในการทดลอง เราได้ร่างกายนี้ข้อมูลที่ไปกลับไป 40 ปี การทดลองไม่ถูกต้อง พวกเขาได้ถูกทำหลายคน เรามีประเพณีที่เรียกว่าโกนอ็อกคัม ซึ่งเราลองมากับคำอธิบายที่ง่ายที่สุด นี้ ตราบใดที่เราสามารถบอก เป็น" แต่จะยกคำถามน่าสนใจที่นั่งบนเส้นขอบของวิทยาศาสตร์และปรัชญา ตัวอย่าง มันจำเป็นต้องสมมติว่า ฮีเลียมจะทำการวัดตำแหน่งของอิเล็กตรอนเกิดขึ้นจริง ถ้ามัน ฟองใด ๆ และไม่ต้องประกอบด้วยอิเล็กตรอนจะ ทฤษฎี ก็หายไป และที่ มาริกล่าวว่า จุดหนึ่งลึกลับที่สุดของทฤษฎีควอนตัม "ไม่มีใครแน่จริงถึงองค์ประกอบของการประเมิน บางที physicists สามารถยอมรับว่า บางคนที่ มีปริญญาที่สวมเสื้อสีขาวนั่งอยู่ในห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยที่มีชื่อเสียงสามารถทำการวัด แต่คนที่จริง ๆ ไม่แน่ใจว่าสิ่งที่พวกเขากำลังทำอะไร มีจิตสำนึกที่ต้องการหรือไม่ เราไม่ทราบจริง ๆ ด้วย"

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

กระป๋องของฮีเลียมเหลวภายในรูปทรงกระบอกสีฟ้าที่ได้รับอนุญาตในการทดสอบนักวิจัยที่มีฟองอากาศเล็ก ๆ อิเล็กตรอนเพียง 3.6 นาโนเมตรในเส้นผ่าศูนย์กลาง งานที่แสดงให้เห็นว่าการทำงานของคลื่นของอิเล็กตรอนสามารถแยกและบางส่วนของมันติดอยู่ในฟองอากาศที่มีขนาดเล็ก เครดิต: ไมค์ Cohea /
มหาวิทยาลัยบราวน์วิจัยใหม่โดยนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยบราวน์ทำให้แปลกลึกซึ้งของกลศาสตร์ควอนตัมสั้นหรือกว่าถูกต้องในฟองก๊าซฮีเลียม. การทดลองนำโดยฮัมฟรีย์ Maris ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่บราวน์ชี้ให้เห็นว่า รัฐควอนตัมของอิเล็กตรอนคลื่นอิเล็กตรอนของฟังก์ชั่นที่สามารถแตกเป็นชิ้นและชิ้นส่วนที่สามารถติดอยู่ในฟองอากาศเล็ก ๆ ของฮีเลียมเหลว ต้องมีความชัดเจนนักวิจัยไม่ได้บอกว่าอิเล็กตรอนสามารถแยกออกจากกัน อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคประถมแบ่งแยกและแตก แต่สิ่งที่นักวิจัยกำลังพูดอยู่ในวิธีการบางอย่างที่แปลกประหลาดมากขึ้น. ในกลศาสตร์ควอนตัอนุภาคไม่ได้มีตำแหน่งที่แตกต่างในพื้นที่ แต่พวกเขาอยู่เป็นฟังก์ชันคลื่นกระจายความน่าจะเป็นที่รวมทุกสถานที่ที่เป็นไปได้ที่อาจจะมีอนุภาคที่พบ สภาวะและเพื่อนร่วมงานของเขาจะบอกว่าบางส่วนของการจัดจำหน่ายที่สามารถแยกออกจากกันและปิดล้อมจากกัน. "เรามีการวางกับดักโอกาสในการหาอิเล็กตรอนไม่ได้ชิ้นส่วนของอิเล็กตรอน" มาริษกล่าวว่า "มันเป็นเรื่องเล็ก ๆ น้อย ๆ เช่นการจับสลาก. เมื่อหวยจะขายทุกคนที่ซื้อตั๋วได้รับชิ้นส่วนของกระดาษ. ดังนั้นคนเหล่านี้จะถือเป็นโอกาสและคุณสามารถพิจารณาว่าโอกาสที่มีการแพร่กระจายไปทั่วทุกสถานที่. แต่มี เพียงคนเดียวที่ได้รับรางวัลหนึ่งอิเล็กตรอนและสถานที่ที่จะไปรับรางวัลจะถูกกำหนดในภายหลัง. "ถ้าตีความสภาวะของผลการทดลองของเขาถูกต้องก็จะก่อให้เกิดคำถามที่ลึกซึ้งเกี่ยวกับขั้นตอนการวัดในกลศาสตร์ควอนตั ในสูตรดั้งเดิมของกลศาสตร์ควอนตัมเมื่ออนุภาคเป็นวัดที่มีความหมายก็พบว่าเป็นหนึ่งในสถานที่เฉพาะที่ฟังก์ชันคลื่นบอกว่าจะยุบ. "การทดลองที่เราได้ดำเนินการแสดงให้เห็นว่าการทำงานร่วมกันเพียงของอิเล็กตรอนกับบางขนาดใหญ่ ระบบทางกายภาพเช่นการอาบน้ำของฮีเลียมเหลวที่ไม่ได้เป็นการวัด "มาริษกล่าวว่า "คำถามก็คืออะไร?" และความจริงที่ว่าฟังก์ชันคลื่นที่สามารถแยกออกเป็นสองหรือมากกว่าฟองแปลกเช่นกัน หากตรวจพบว่าอิเล็กตรอนในหนึ่งฟองเกิดอะไรขึ้นกับฟองอื่น ๆ ? "จริงๆมันยกทุกชนิดของคำถามที่น่าสนใจ" มาริษกล่าวว่า. การวิจัยใหม่ที่มีการตีพิมพ์ในวารสารฟิสิกส์อุณหภูมิต่ำ. อิฟองนักวิทยาศาสตร์ได้สงสัยปีเกี่ยวกับพฤติกรรมที่แปลกประหลาดของอิเล็กตรอนในฮีเลียมเหลวเย็นที่อยู่ใกล้กับศูนย์แน่นอน เมื่ออิเล็กตรอนเข้าสู่ของเหลวก็ไล่รอบอะตอมฮีเลียมสร้างฟองสบู่ในของเหลวประมาณ 3.6 นาโนเมตรข้าม ขนาดของฟองจะถูกกำหนดโดยความดันของอิเล็กตรอนผลักดันแรงตึงผิวของฮีเลียมที่ ความแปลกหน้า แต่เกิดขึ้นในการทดลองย้อนกลับไปในปี 1960 มองว่าย้ายฟอง. ในการทดลองที่ชีพจรของอิเล็กตรอนเข้าสู่ด้านบนของท่อก๊าซฮีเลียมที่เต็มไปด้วยและตรวจจับลงทะเบียนค่าใช้จ่ายไฟฟ้าส่งเมื่อฟองอิเล็กตรอนถึง ด้านล่างของหลอด เพราะฟองอากาศมีขนาดที่ดีที่กำหนดพวกเขาทุกคนควรจะมีประสบการณ์จำนวนเดียวกันของการลากที่พวกเขาย้ายและดังนั้นจึงควรจะมาถึงที่ตรวจจับได้ในเวลาเดียวกัน แต่นั่นไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้น การทดลองตรวจพบวัตถุที่ไม่สามารถระบุที่มาถึงก่อนที่จะตรวจจับอิเล็กตรอนปกติฟอง กว่าปีที่นักวิทยาศาสตร์ได้ 14 รายชื่อวัตถุที่แตกต่างกันขนาดแตกต่างกันซึ่งทั้งหมดดูเหมือนจะไปได้เร็วขึ้นกว่าฟองอิเล็กตรอนจะคาดว่าจะย้ายไป. "พวกเขาได้รับความลึกลับนับตั้งแต่พวกเขาถูกตรวจพบครั้งแรก" มาริษกล่าวว่า "ไม่มีใครมีคำอธิบายที่ดี." เป็นไปได้ที่หลายคนได้รับการเสนอชื่อ วัตถุที่ไม่รู้จักอาจจะเป็นสิ่งสกปรกในอนุภาคฮีเลียมชาร์จเคาะฟรีจากผนังของภาชนะ ความเป็นไปได้ก็คือการที่วัตถุที่อาจเป็นอะตอมฮีเลียมไอออน-ฮีเลียมที่ได้หยิบขึ้นมาหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งอิเล็กตรอนพิเศษซึ่งผลิตประจุลบที่ตรวจจับ. แต่สภาวะและเพื่อนร่วมงานของเขารวมถึงรางวัลโนเบลและบราวน์นักฟิสิกส์ลีอองคูเปอร์เชื่อใหม่ ชุดของการทดลองทำให้คำอธิบายเหล่านั้นไปยังส่วนที่เหลือ. การทดลองใหม่นักวิจัยดำเนินการชุดของฟองอิเล็กตรอนทดลองการเคลื่อนไหวที่มีความไวมากขึ้นกว่าความพยายามก่อนหน้า พวกเขาสามารถที่จะตรวจสอบทั้งหมด 14 ของวัตถุจากการทำงานก่อนหน้านี้บวกสี่วัตถุเพิ่มเติมที่ปรากฏบ่อยครั้งในช่วงของการทดลองที่ แต่นอกเหนือไปจากที่ 18 วัตถุที่มีขึ้นบ่อยศึกษาพบวัตถุเพิ่มเติมที่นับไม่ถ้วนที่ปรากฏอีกครั้ง. ผล Maris กล่าวก็ปรากฏมีไม่ได้เป็นเพียงวัตถุที่ 18 แต่จำนวนอนันต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพของพวกเขาด้วย " การจัดจำหน่ายอย่างต่อเนื่องของขนาด "ขึ้นอยู่กับขนาดของฟองอิเล็กตรอนปกติ." นั่นทำให้กริชในความคิดที่ว่าสิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งสกปรกหรือไอออนฮีเลียม "มาริษกล่าวว่า "มันจะเป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการว่าจะมีสิ่งสกปรกที่จำนวนมากหรือไอออนฮีเลียมที่รู้จักก่อนหน้านี้หลายคน." วิธีเดียวที่นักวิจัยสามารถคิดที่จะอธิบายผลที่ได้ก็คือการ "ฟิวชั่น" การทำงานของคลื่น ในบางสถานการณ์ที่นักวิจัยคาดการณ์ฟังก์ชันคลื่นอิเล็กตรอนสลายเมื่อเข้าของเหลวและชิ้นส่วนของฟังก์ชั่นคลื่นติดอยู่ในฟองแยกต่างหาก เพราะฟองอากาศมีน้อยกว่าฟังก์ชั่นเต็มรูปแบบคลื่นก็จะมีขนาดเล็กกว่าปกติฟองอิเล็กตรอนและดังนั้นจึงย้ายได้เร็วขึ้น. ในกระดาษใหม่ของพวกเขา Maris และทีมของเขาออกวางกลไกที่ฟิชชันที่อาจเกิดขึ้นได้รับการสนับสนุนโดยควอนตัมและทฤษฎีคือ สอดคล้องกับผลการทดลอง กลไกที่เกี่ยวข้องกับแนวความคิดในกลศาสตร์ควอนตัมที่รู้จักกันเป็นภาพสะท้อนดังกล่าวข้างต้นอุปสรรค. ในกรณีของอิเล็กตรอนและฮีเลียมก็ทำงานเช่นนี้เมื่ออิเล็กตรอนชนพื้นผิวของฮีเลียมเหลวที่มีโอกาสที่จะข้ามเข้าไปในของเหลวบางอย่าง และมีโอกาสที่จะกระเด็นและสิ้นฤทธิ์ออกไปบางส่วน ในกลศาสตร์ควอนตัเป็นไปได้เหล่านี้จะแสดงเป็นส่วนหนึ่งของฟังก์ชันคลื่นข้ามอุปสรรคและเป็นส่วนหนึ่งของมันถูกสะท้อนให้เห็นถึง บางทีอาจจะเป็นฟองอากาศขนาดเล็กที่มีอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจากส่วนหนึ่งของฟังก์ชันคลื่นที่จะไปผ่านพื้นผิว ขนาดของฟองขึ้นอยู่กับฟังก์ชันคลื่นเท่าใดผ่านไปซึ่งจะอธิบายการจัดจำหน่ายอย่างต่อเนื่องของขนาดฟองอิเล็กตรอนขนาดเล็กที่พบในการทดลอง. ความคิดที่เป็นส่วนหนึ่งของการทำงานของคลื่นที่จะสะท้อนให้เห็นที่เป็นอุปสรรคคือกลศาสตร์ควอนตัมาตรฐานคูเปอร์กล่าวว่า . "ผมไม่คิดว่าใครจะเถียงกับที่" เขากล่าว "ส่วนที่ไม่ได้มาตรฐานก็คือชิ้นส่วนของฟังก์ชั่นคลื่นที่ผ่านไปจะมีผลทางกายภาพโดยมีอิทธิพลต่อขนาดของฟอง. นั่นคือสิ่งที่เป็นอย่างรุนแรงใหม่ที่นี่." นอกจากนี้นักวิจัยได้นำเสนอสิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากที่ฟังก์ชั่นคลื่น เข้าสู่ของเหลว มันเป็นบิตเช่นการวางหยดของน้ำมันในแอ่งน้ำ "บางครั้งลดลงของน้ำมันรูปแบบหนึ่งฟอง" มาริษกล่าวว่า "บางครั้งมันเป็นสองบางครั้ง 100" มีองค์ประกอบภายในทฤษฎีควอนตัแนะนำว่าแนวโน้มสำหรับการทำงานของคลื่นที่จะเลิกเป็นขนาดที่เฉพาะเจาะจง ตามการคำนวณของสภาวะขนาดที่เฉพาะเจาะจงหนึ่งอาจคาดหวังที่จะเห็นตรงไปประมาณ 18 ที่เกิดขึ้นบ่อยขนาดฟองอิเล็กตรอน. "เราคิดว่านี่มีคำอธิบายที่ดีที่สุดสำหรับสิ่งที่เราเห็นในการทดลองที่" มาริษกล่าวว่า เรามีร่างกายของข้อมูลนี้ที่จะไปกลับ 40 ปี การทดลองไม่ได้ผิด พวกเขาได้รับการดำเนินการโดยคนหลายคน เรามีประเพณีที่เรียกว่าสาธารณรัฐโคลัมเบียที่เราพยายามที่จะมาพร้อมกับคำอธิบายที่ง่ายที่สุด นี้เพื่อให้ไกลที่สุดเท่าที่เราสามารถบอกได้ก็คือ. "แต่จะเพิ่มคำถามบางอย่างที่น่าสนใจที่จะนั่งบนขอบของวิทยาศาสตร์และปรัชญา. ยกตัวอย่างเช่นมันจำเป็นที่จะต้องคิดว่าฮีเลียมไม่ได้ทำให้การวัดค่าที่แท้จริงของ อิเล็กตรอน. ถ้าทำฟองใด ๆ ไม่พบว่าจะมีอิเล็กตรอนจะในทางทฤษฎีก็หายไป. และที่สภาวะกล่าวว่าชี้ไปที่หนึ่งในความลึกลับที่ลึกที่สุดของทฤษฎีควอนตัม. "ไม่มีใครแน่ใจว่าสิ่งที่จริงถือว่าเป็นวัด . บางทีอาจจะเป็นนักฟิสิกส์สามารถตกลงคนที่มีปริญญาเอกที่ สวมเสื้อคลุมสีขาวนั่งอยู่ในห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยที่มีชื่อเสียงสามารถทำให้การวัด แต่สิ่งที่เกี่ยวกับคนที่จริงๆไม่แน่ใจว่าสิ่งที่พวกเขากำลังทำอะไร? สติจะต้อง? เราไม่ทราบจริงๆ. "

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

หลอดฮีเลียมเหลวภายในถังสีฟ้าให้นักวิจัยทดลองกับฟองอากาศเล็ก ๆอิเล็กตรอนเพียง 3.6 นาโนเมตรในเส้นผ่าศูนย์กลาง งานที่แสดงให้เห็นว่าฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนสามารถแยกและชิ้นส่วนมันถูกขังอยู่ในฟองอากาศขนาดเล็ก เครดิต : ไมค์ cohea มหาวิทยาลัย
/ สีน้ำตาลงานวิจัยใหม่โดยนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Brown ใส่ของธรรมดาที่ลึกซึ้งของกลศาสตร์ควอนตัมในรุปหรือกว่าถูกต้องในฮีเลียมฟอง

ทดลองนำโดย ฮัมฟรีย์ มาริส ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่บราวน์ แนะนำว่า สถานะควอนตัมของฟังก์ชันของอิเล็กตรอนอิเล็กตรอนคลื่นสามารถแตกเป็นชิ้นและชิ้นนั้นจะถูกขังอยู่ในฟองอากาศเล็ก ๆของฮีเลียมเหลวให้ชัดเจน นักวิจัยบอกว่า อิเล็กตรอนสามารถแตกแยก อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐาน มิสามารถแบ่งแยกได้ และไม่ได้ แต่สิ่งที่นักวิจัยบอกว่าอยู่ในวิธีการบางอย่างที่แปลกประหลาดมากขึ้น

ในกลศาสตร์ควอนตัมอนุภาคไม่ได้มีตำแหน่งที่แตกต่างกันในพื้นที่ แทน , พวกเขามีอยู่เป็นคลื่นฟังก์ชันการแจกแจงความน่าจะเป็นที่เป็นไปได้ทั้งหมดรวมถึงสถานที่ที่เป็นอนุภาคที่อาจจะพบ มาริสและเพื่อนร่วมงานของเขาจะบอกว่าส่วนที่สามารถแยกและการปิดจราจรจากแต่ละอื่น ๆ .

" เราดักโอกาสพบอิเล็กตรอน ไม่ชิ้นส่วนของอิเล็กตรอน " มาริกล่าว มันก็เหมือนหวย เมื่อหวยขายทุกคนที่ซื้อบัตรจะได้รับชิ้นส่วนของกระดาษ ดังนั้นคนเหล่านี้ทั้งหมดจะถือ โอกาส และคุณสามารถพิจารณาว่ามีโอกาสแพร่กระจายไปทั่ว แต่ยังมีหนึ่งรางวัลเพียงหนึ่งอิเล็กตรอนและที่รางวัลจะกำหนดในภายหลัง . "

ถ้ามาริสก็ตีความของเขาทดลองใช้ที่ถูกต้องมันเพิ่มคำถามที่ลึกซึ้งเกี่ยวกับการวัดกระบวนการในกลศาสตร์ควอนตัม ในตำรับดั้งเดิมของกลศาสตร์ควอนตัม เมื่ออนุภาคคือวัด ความหมายมันอยู่ในหนึ่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งสถานที่ฟังก์ชันคลื่นว่า ยุบ

" เราได้ทำการทดลองพบว่าปฏิสัมพันธ์เพียงของอิเล็กตรอนกับบางขนาดใหญ่ทางกายภาพของระบบเช่นอ่างของฮีเลียมเหลว ไม่ถือเป็นการวัด " มาริกล่าว คำถามแล้ว คือ อะไร ? "

และความจริงที่ว่าฟังก์ชันคลื่นสามารถแบ่งออกเป็นสองหรือมากกว่าฟองแปลกๆเช่นกัน หากตรวจจับพบอิเล็กตรอนในหนึ่งฟองแล้วฟองอื่น ๆ

" จริงๆมันเพิ่มทุกประเภทของคำถามที่น่าสนใจ

" มาริส กล่าวงานวิจัยใหม่ตีพิมพ์ในวารสารฟิสิกส์อุณหภูมิต่ำ

อิเล็กตรอนฟอง

นักวิทยาศาสตร์สงสัยมานานหลายปีเกี่ยวกับพฤติกรรมแปลกๆของอิเล็กตรอนในฮีเลียมเหลวเย็นใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ . เมื่ออิเล็กตรอนเข้าไปในของเหลว มันไล่รอบฮีเลียมอะตอมสร้างฟองในน้ำประมาณ 3.6 นาโนเมตรผ่านขนาดของฟองอากาศจะถูกกำหนดโดยความดันของอิเล็กตรอนให้กับแรงตึงผิวของฮีเลียม เปลี่ยนแปลง แต่เกิดขึ้นในการทดลองย้อนกลับไปในยุค 60 ดูแล้วฟองไป

ในการทดลอง ชีพจรของอิเล็กตรอนเข้าสู่ด้านบนของฮีเลียมเต็มหลอดและเครื่องตรวจจับลงทะเบียนคิดค่าไฟฟ้าส่งเมื่อฟองอิเล็กตรอนไปถึงด้านล่างของหลอด เพราะฟองมีขนาดกำหนด พวกเขาควรจะมีประสบการณ์จำนวนเดียวกันของลากพวกเขาไป ดังนั้นจึงควรมาถึงที่ตรวจจับได้ในเวลาเดียวกัน แต่นั่นไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นการทดลองพบว่าไม่ปรากฏหลักฐานวัตถุที่ถึงเครื่องก่อนที่ฟองอิเล็กตรอนตามปกติ ปี นักวิทยาศาสตร์มี cataloged 14 แตกต่างกันวัตถุขนาดต่าง ๆซึ่งทั้งหมดดูเหมือนจะวิ่งเร็วกว่าอิเล็กตรอนฟองจะคาดว่าจะย้าย

" พวกเขาได้รับลึกลับตั้งแต่พวกเขาครั้งแรกที่ตรวจพบ " มาริกล่าว ใครมีคำอธิบายที่ดี

"หลายประการที่ได้รับการเสนอ วัตถุที่ไม่รู้จักอาจจะปลอมในฮีเลียมประจุเคาะฟรีจากผนังของภาชนะ อีกทางหนึ่งที่เป็นไปได้คือ วัตถุอาจเป็นไอออนของฮีเลียมฮีเลียมอะตอมที่ได้รับหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งอิเล็กตรอนพิเศษซึ่งผลิตประจุลบในเครื่อง

แต่มาริสและเพื่อนร่วมงานของเขารวมถึงได้รับรางวัล โนเบลและสีน้ำตาลนักฟิสิกส์ลีออนคูเปอร์ เชื่อว่าชุดใหม่ของการทดลองทำให้คำอธิบายที่พัก

ใหม่การทดลอง

นักวิจัยดำเนินการชุดของการทดลองที่มีความไวการเคลื่อนที่อิเล็กตรอนฟองมากยิ่งกว่าความพยายามก่อนหน้า พวกเขาสามารถพบทั้งหมด 14 ของวัตถุจากงานก่อนหน้านี้บวกสี่เพิ่มเติมวัตถุที่ปรากฏบ่อยครั้งมากกว่าหลักสูตรของการทดลอง แต่นอกเหนือจากนั้น 18 วัตถุที่โผล่มาบ่อย พบนับไม่ถ้วนเพิ่มเติมวัตถุที่ปรากฏมากน้อย

ผล มาริส บอกว่า จะไม่มีแค่ 18 วัตถุ แต่มีประสิทธิภาพจำนวนอนันต์ของพวกเขากับ " การกระจายอย่างต่อเนื่องของขนาด " ขึ้นอยู่กับขนาดของฟองอิเล็กตรอนปกติ

" ให้กริชในความคิดเหล่านี้เป็นสิ่งสกปรกหรือฮีเลียมไอออน " มาริกล่าว มันอาจจะยากที่จะจินตนาการว่า มีหลายชนิด หรือที่หลายคนที่เคยรู้จัก "

ฮีเลียมไอออนวิธีเดียวที่นักวิจัยสามารถคิดที่จะอธิบายผลลัพธ์เป็น " ของ " ของฟังก์ชันคลื่น ในบางสถานการณ์ นักวิจัยสันนิษฐาน ฟังก์ชันคลื่นอิเล็กตรอนสลายเมื่อป้อนของเหลวและชิ้นส่วนของฟังก์ชันคลื่นที่ถูกจับในฟองอากาศที่แยกต่างหาก เพราะฟองประกอบด้วยน้อยกว่าฟังก์ชันคลื่นเต็มมันมีขนาดเล็กกว่าปกติ และฟองอิเล็กตรอนจึงเคลื่อนไหวได้เร็วขึ้น

ในกระดาษใหม่ มาริสและทีมงานของเขาออกวางกลไกที่แตกอาจเกิดขึ้นที่ได้รับการสนับสนุนโดยทฤษฎีควอนตัมและมีความสอดคล้องกับผลการทดลอง กลไกที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดในควอนตัมที่เรียกว่าสะท้อนเหนืออุปสรรค

ในกรณีของอิเล็กตรอนและฮีเลียมมันทำงานอย่างนี้ เมื่ออิเล็กตรอนกระทบพื้นผิวของฮีเลียมเหลว จะมีโอกาสที่จะข้ามเข้าไปในของเหลวและบางโอกาสที่มันจะกระเด็นและสิ้นฤทธิ์ไป ในกลศาสตร์ควอนตัม ความเป็นไปได้ที่จะแสดงเป็นส่วนหนึ่งของฟังก์ชันคลื่นข้ามสิ่งกีดขวาง และส่วนหนึ่งก็ถูกสะท้อนกลับบางทีฟองอิเล็กตรอนขนาดเล็กขึ้น โดยส่วนของฟังก์ชันคลื่นที่ไปถึงพื้นผิว ขนาดของฟองขึ้นอยู่กับฟังก์ชันคลื่นเท่าไหร่ ต้องผ่าน ซึ่งจะอธิบายการกระจายอย่างต่อเนื่องของขนาดเล็กอิเล็กตรอนฟองขนาดที่พบในการทดลอง

ความคิดว่าส่วนหนึ่งของฟังก์ชันคลื่นสะท้อนที่เป็นอุปสรรคคือกลศาสตร์ควอนตัมมาตรฐาน" คูเปอร์กล่าวว่า ผมไม่คิดว่าจะมีใครเถียงว่า " เขากล่าวว่า . ส่วนที่ไม่ได้มาตรฐาน นั่นคือชิ้นส่วนของฟังก์ชันคลื่นที่ไปถึงได้ผลทางกายภาพโดยมีอิทธิพลต่อขนาดของฟอง นั่นคือทรงใหม่นี่ "

ต่อไป นักวิจัยเสนอสิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากฟังก์ชันคลื่นในของเหลวมันเป็นบิตเช่นการหยดของน้ำมันในแอ่งน้ำของน้ำ . บางของคุณลดลงของน้ำมันรูปแบบหนึ่งฟอง " มาริกล่าวว่า " บางครั้งมันสองรูปแบบ บางครั้ง 100 "

มีองค์ประกอบภายในทฤษฎีควอนตัมที่ชี้ให้เห็นแนวโน้มสำหรับฟังก์ชันคลื่นจะแบ่งเป็นขนาดเฉพาะ โดย Maris ของการคำนวณเฉพาะขนาดหนึ่งอาจคาดหวังที่จะเห็นสอดคล้องประมาณ 18 อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นบ่อยขนาดฟอง

" เราคิดว่านี้มีการอธิบายที่ดีที่สุดสำหรับสิ่งที่เราเห็นในการทดลอง " มาริส กล่าว เราได้ตัวของข้อมูลที่ย้อนกลับไป 40 ปี การทดลองไม่ได้ ผิด พวกเขาได้รับการทำโดยหลาย ๆคน ขณะนี้มีประเพณีที่เรียกว่า Occam ของมีดโกนที่เราพยายามที่จะมากับคำอธิบายที่ง่ายที่สุด นี้ เท่าที่เราสามารถบอกได้ว่า มันคือ "

แต่ว่าจะเพิ่มคำถามที่น่าสนใจบางนั่งอยู่บนขอบของวิทยาศาสตร์และปรัชญา ตัวอย่างเช่น มันจำเป็นที่จะสันนิษฐานว่า ฮีเลียม ไม่ได้ทำให้การวัดตำแหน่งที่แท้จริงของอิเล็กตรอน ถ้ามันมีฟอง ไม่พบว่ามีการบรรจุอิเล็กตรอนจะ , ในทางทฤษฎีก็หายไป และนั่น มาริส กล่าวว่า จุดหนึ่งของความลึกลับที่ลึกที่สุดของทฤษฎีควอนตัม .

" ไม่มีใครแน่ใจว่าจริงๆแล้วถือเป็นการวัด บางทีนักฟิสิกส์สามารถยอมรับว่ามีปริญญาดุษฎีบัณฑิต สวมเสื้อคลุมสีขาวนั่งอยู่ในห้องแล็บของมหาวิทยาลัยชื่อดัง สามารถวัด แต่สิ่งที่เกี่ยวกับคนที่ไม่ได้จริงๆแน่ใจว่าสิ่งที่พวกเขากำลังทำ คือ สติ ต้อง ?เราไม่รู้หรอกว่า "
.