Sie verstehen vielleicht nichts in der Physik, aber Sie sollten von Schrödingers Gedankenexperiment gehört haben, bei dem die Katze in eine Kiste mit einem radioaktiven Element gestellt wird und sowohl lebendig als auch tot sein kann. Dies ist ein merkwürdiges Phänomen, das durch die Quantenmechanik hervorgerufen wird.
Kürzlich entdeckten Physiker der Universität von Exeter (England), dass eine ähnliche Ähnlichkeit bei den Temperaturen zu beobachten ist: Objekte können auf der Quantenebene zwei Temperaturen haben. Dieses merkwürdige Quantenparadoxon ist das erste völlig neue Verhältnis der Quantenunsicherheit, das über Jahrzehnte formuliert wird.
Ein weiteres Heisenberg-Prinzip
1927 stellte der deutsche Physiker Werner Heisenberg ein Postulat auf: Je genauer Sie die Position eines Quantenteilchens messen, desto weniger genau verstehen Sie dessen Impuls und umgekehrt. Diese Regel wird nun als Heisenberg-Ungewissheitsprinzip bezeichnet.
Die neue Quantenunsicherheit, bei der man die Temperatur umso genauer kennt, je weniger man über Energie sagen kann und umgekehrt, hat weitaus größere Auswirkungen auf die Nanowissenschaft, wenn man unglaublich kleine Objekte (kleiner als Nanometer) untersucht. Dieses Prinzip wird die Art und Weise verändern, wie Wissenschaftler die Temperatur von extrem kleinen Dingen wie Quantenpunkten messen. In den 1930er Jahren. Heisenberg und Niels Bor haben einen Zusammenhang zwischen der Unsicherheit zwischen Energie und Temperatur in nicht quantifiziertem Maßstab hergestellt. Die Idee war, dass, wenn Sie die genaue Temperatur des Objekts wissen möchten, es besser ist, es in einen „Tank“ (Bad mit Wasser oder Kammer mit Luft) mit bekannter Temperatur zu tauchen, damit der Körper langsam mit dieser Temperatur gesättigt wird. Dies nennt man thermisches Gleichgewicht.
Dieses thermische Gleichgewicht wird vom Objekt aufrechterhalten, während das Reservoir ständig Energie austauscht. Infolgedessen bewegt sich die Energie im Objekt in unendlich kleinen Mengen auf und ab, was eine genaue Bestimmung unmöglich macht. Wenn Sie die genaue Energie im Objekt wissen möchten, müssen Sie es isolieren, damit es mit nichts in Kontakt kommen kann. Die Isolierung erlaubt es jedoch nicht, die Temperatur unter Verwendung des Tanks genau zu berechnen. Diese Einschränkungen machen die Temperatur unsicher, und wenn man sich einer Quantenskala nähert, werden die Farben noch dicker.
Neues Unsicherheitsverhältnis
Selbst wenn ein typisches Thermometer Energie hat, die leicht ansteigt und abfällt, ist es dennoch in einem kleinen Bereich nachweisbar. Dies funktioniert jedoch nicht auf der Quantenebene, wo alles zur berühmten Schrödinger-Katze zurückkehrt. Dieses Gedankenexperiment schlug vor, die Katze in eine Giftbox zu schliessen, die durch den Zerfall eines radioaktiven Partikels aktiviert wurde. Gemäß den Gesetzen der Quantenmechanik kann sich ein Teilchen gleichzeitig zersetzen oder nicht kollabieren. Das heißt, bis Sie die Schachtel öffnen, ist die Katze gleichzeitig lebendig und tot. Dies ist ein Überlagerungsphänomen. Die Forscher verwendeten Mathematik und Theorie, um genau vorherzusagen, wie sich die Überlagerung auf die Temperaturberechnung von Quantenobjekten auswirkt. Es stellt sich heraus, dass sich ein Quantenthermometer gleichzeitig in der Überlagerung von Energiezuständen befindet, was zu einer Temperaturunsicherheit führt.
In unserer Welt kann ein Thermometer anzeigen, dass sich ein Objekt zwischen 31 und 32 Grad Fahrenheit befindet. Im Quantenfall sagt das Thermometer, dass das Objekt gleichzeitig mit beiden Temperaturen ausgestattet ist. Kontakte zwischen Objekten in einer Quantenskala können Überlagerungen und Energie erzeugen. Die alte Unschärferelation ignorierte diese Effekte, da sie für Nichtquantenobjekte unwichtig waren. Jetzt ist es wichtig, den Temperaturindex eines Quantenpunkts zu bestimmen.
