Πώς λειτουργεί η κβαντική απαγωγή

Ορισμένα βίντεο στο διαδίκτυο εμφανίζουν κάτι που ονομάζεται "κβαντική διδασκαλία". Τι είναι αυτό? Πώς λειτουργεί; Θα μπορέσουμε να πετάξουμε αυτοκίνητα;

Η κβαντική αδελφότητα, όπως λέγεται, είναι μια διαδικασία όπου οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τις ιδιότητες του κβαντική φυσική να αφηγηθεί ένα αντικείμενο (συγκεκριμένα, a υπεραγωγός) πάνω απο μαγνητική πηγή (ειδικά μια κβαντική τροχιά διεύθυνσης που σχεδιάστηκε για το σκοπό αυτό).

Ο λόγος που αυτό λειτουργεί είναι κάτι που ονομάζεται Meissner αποτέλεσμα και μαγνητική ροή. Το φαινόμενο Meissner υπαγορεύει ότι ένας υπεραγωγός σε ένα μαγνητικό πεδίο θα εκδιώξει πάντα το μαγνητικό πεδίο μέσα σε αυτό και έτσι θα κάμψει το μαγνητικό πεδίο γύρω του. Το πρόβλημα είναι θέμα ισορροπίας. Εάν τοποθετήσατε ακριβώς έναν υπεραγωγό επάνω σε έναν μαγνήτη, τότε ο υπεραγωγός απλώς θα έμενε μακριά ο μαγνήτης, σαν να προσπαθείς να εξισορροπήσεις δυο νότιους μαγνητικούς πόλους των μαγνητών ράβδων εναντίον ο καθένας άλλα.

Η διαδικασία της κβαντικής διεύρυνσης καθίσταται πολύ πιο ενδιαφέρουσα μέσω της διαδικασίας δέσμευσης ροής ή κβαντικού κλειδώματος, όπως περιγράφεται από την ομάδα υπεραγωγών του Πανεπιστημίου του Τελ Αβίβ με αυτόν τον τρόπο:

Η υπεραγωγιμότητα και το μαγνητικό πεδίο [sic] δεν αρέσουν το ένα το άλλο. Όταν είναι δυνατόν, ο υπεραγωγός θα εκδιώξει όλο το μαγνητικό πεδίο από μέσα. Αυτό είναι το αποτέλεσμα του Meissner. Στην περίπτωσή μας, δεδομένου ότι ο υπεραγωγός είναι εξαιρετικά λεπτός, το μαγνητικό πεδίο DOES διεισδύει. Ωστόσο, το κάνει σε διακριτές ποσότητες (αυτό είναι κβαντική φυσική παρά όλα αυτά! ) που καλούνται σωλήνες ροής. Μέσα σε κάθε σωλήνα μαγνητικής ροής καταστέλλεται τοπικά η υπεραγωγιμότητα. Ο υπεραγωγός θα προσπαθήσει να κρατήσει τους μαγνητικούς σωλήνες καρφωμένους σε αδύναμες περιοχές (π.χ. όρια κόκκων). Οποιαδήποτε χωρική κίνηση του υπεραγωγού θα προκαλέσει την κίνηση των σωλήνων ροής. Προκειμένου να αποφευχθεί το γεγονός ότι ο υπεραγωγός παραμένει "παγιδευμένος" στον αέρα. Οι όροι «κβαντική διεύρυνση» και «κβαντικό κλείδωμα» σχεδιάστηκαν για αυτή τη διαδικασία από τον καθηγητή Guy Deutscher του Πανεπιστημίου του Tel Aviv, έναν από τους κορυφαίους ερευνητές στον τομέα αυτό.

Ας σκεφτούμε τι είναι πραγματικά ένα υπεραγωγός: είναι ένα υλικό στο οποίο τα ηλεκτρόνια μπορούν να ρέουν πολύ εύκολα. Τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω υπεραγωγών χωρίς αντίσταση, έτσι ώστε όταν τα μαγνητικά πεδία να πλησιάζουν το α υπεραγώγιμο υλικό, ο υπεραγωγός σχηματίζει μικρά ρεύματα στην επιφάνεια του, ακυρώνοντας τις εισερχόμενες μαγνητικό πεδίο. Το αποτέλεσμα είναι ότι η ένταση του μαγνητικού πεδίου στην επιφάνεια του υπεραγωγού είναι ακριβώς μηδέν. Εάν χαρτογραφήσατε τις καθαρές γραμμές μαγνητικού πεδίου, θα έδειχνε ότι κάμπτονται γύρω από το αντικείμενο.

Αλλά πώς αυτό το κάνει να αφηγείται;

Όταν ένας υπεραγωγός τοποθετείται σε μια μαγνητική τροχιά, το αποτέλεσμα είναι ότι ο υπεραγωγός παραμένει πάνω από την τροχιά, ουσιαστικά που ωθείται μακριά από το ισχυρό μαγνητικό πεδίο ακριβώς στο κομμάτι του επιφάνεια. Υπάρχει ένα όριο στο πόσο πολύ πάνω από το κομμάτι μπορεί να ωθηθεί, βέβαια, αφού η δύναμη της μαγνητικής απωθήσεως πρέπει να αντισταθμίσει τη δύναμη βαρύτητα.

Ένας δίσκος υπεραγωγού τύπου Ι θα αποδείξει το αποτέλεσμα Meissner στην πιο ακραία του έκδοση, που ονομάζεται "τέλειος διαμαγνητισμός", και δεν θα περιέχει μαγνητικά πεδία μέσα στο υλικό. Θα αφηγηθεί, καθώς προσπαθεί να αποφύγει οποιαδήποτε επαφή με το μαγνητικό πεδίο. Το πρόβλημα με αυτό είναι ότι η αφαίρεση δεν είναι σταθερή. Το αντικείμενο που αιωρείται δεν θα παραμείνει κανονικά στη θέση του. (Αυτή η ίδια διαδικασία κατάφερε να οδηγήσει τους υπεραγωγούς μέσα σε έναν κοίλο κύλινδρο μαγνήτη σε σχήμα λεκάνης, στον οποίο ο μαγνητισμός ωθείται εξίσου σε όλες τις πλευρές.)

Για να είναι χρήσιμη, η αίσθηση πρέπει να είναι λίγο πιο σταθερή. Εκεί μπαίνει στο παιχνίδι το κβαντικό κλείδωμα.

Ένα από τα βασικά στοιχεία της διαδικασίας κβαντικής ασφάλισης είναι η ύπαρξη αυτών των σωλήνων ροής, που ονομάζεται "δίνη". Εάν ένας υπεραγωγός είναι πολύ λεπτός ή εάν ο υπεραγωγός είναι υπεραγωγός τύπου II, κοστίζει το υπεραγωγό λιγότερη ενέργεια για να επιτρέψει σε κάποιο μαγνητικό πεδίο να διεισδύσει στον υπεραγωγό. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο σχηματίζονται οι στροβίλες, σε περιοχές όπου το μαγνητικό πεδίο είναι σε θέση να «γλιστρήσει» μέσω του υπεραγωγού.

Στην περίπτωση που περιγράφει η ομάδα του Τελ Αβίβ παραπάνω, ήταν σε θέση να αναπτύξουν μια ειδική λεπτή κεραμική μεμβράνη πάνω από την επιφάνεια ενός δίσκου. Όταν ψύχεται, αυτό το κεραμικό υλικό είναι υπεραγωγός τύπου ΙΙ. Επειδή είναι τόσο λεπτό, ο διαμαγνητισμός που εκτίθεται δεν είναι τέλειος... επιτρέποντας τη δημιουργία αυτών των δονήσεων ροής που περνούν μέσα από το υλικό.

Οι στρόβιλοι ροής μπορούν επίσης να σχηματιστούν σε υπεραγωγούς τύπου II, ακόμη και αν το υλικό υπεραγωγού δεν είναι τόσο λεπτό. Ο υπεραγωγός τύπου II μπορεί να σχεδιαστεί για να ενισχύσει αυτό το φαινόμενο, το οποίο ονομάζεται "ενισχυμένη κατεύθυνση ροής".

Όταν το πεδίο διεισδύει στο υπεραγωγό με τη μορφή ενός σωλήνα ροής, απενεργοποιεί ουσιαστικά τον υπεραγωγό σε αυτή τη στενή περιοχή. Εικόνα κάθε σωλήνα ως μια μικρή μη υπεραγωγική περιοχή μέσα στη μέση του υπεραγωγού. Εάν ο υπεραγωγός κινείται, οι στροβίλες ροής θα κινηθούν. Θυμηθείτε όμως δύο πράγματα:

1. οι δίνες ροής είναι μαγνητικά πεδία
2. ο υπεραγωγός θα δημιουργήσει ρεύματα για την αντιμετώπιση μαγνητικών πεδίων (δηλ. το φαινόμενο Meissner)

Το ίδιο το υλικό υπεραγωγού θα δημιουργήσει μια δύναμη για να εμποδίσει κάθε είδους κίνηση σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο. Εάν γυρίσετε τον υπεραγωγό, για παράδειγμα, θα "κλειδώσετε" ή "παγώσετε" τη θέση σε αυτή τη θέση. Θα πάει γύρω από ένα ολόκληρο κομμάτι με την ίδια γωνία κλίσης. Αυτή η διαδικασία κλείνοντας τον υπεραγωγό στη θέση του από το ύψος και τον προσανατολισμό μειώνει κάθε ανεπιθύμητη ταλάντευση (και είναι επίσης εντυπωσιακά οπτικά, όπως δείχνει το πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ.)

Είστε σε θέση να επαναπροσδιορίσετε το υπεραγωγό μέσα στο μαγνητικό πεδίο επειδή το χέρι σας μπορεί να εφαρμόσει πολύ περισσότερη δύναμη και ενέργεια από αυτό που ασκεί το πεδίο.

Η διαδικασία της κβαντικής αδελφότητας που περιγράφηκε παραπάνω βασίζεται στη μαγνητική απόρριψη, αλλά υπάρχουν και άλλες μέθοδοι κβαντικής αφαίρεσης που έχουν προταθεί, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων που βασίζονται στο φαινόμενο Casimir. Και πάλι, αυτό συνεπάγεται κάποιο περίεργο χειρισμό των ηλεκτρομαγνητικών ιδιοτήτων του υλικού, έτσι παραμένει να δούμε πόσο πρακτικό είναι αυτό.

Δυστυχώς, η τρέχουσα ένταση αυτού του αποτελέσματος είναι τέτοια που δεν θα έχουμε να πετάξουμε αυτοκίνητα εδώ και αρκετό καιρό. Επίσης, λειτουργεί μόνο πάνω από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, που σημαίνει ότι θα χρειαζόταν να χτίσουμε νέους μαγνητικούς δρόμους. Ωστόσο, υπάρχουν ήδη αμαξοστοιχίες μαγνητικής αδράνειας στην Ασία που χρησιμοποιούν αυτή τη διαδικασία, εκτός από τις πιο παραδοσιακές αμαξοστοιχίες ηλεκτρομαγνητικής αμαξώματος (maglev).

Μια άλλη χρήσιμη εφαρμογή είναι η δημιουργία πραγματικά τριβικών τριβέων. Το έδρανο θα μπορούσε να περιστραφεί, αλλά θα αναστελλόταν χωρίς άμεση φυσική επαφή με το περιβάλλον περίβλημα, έτσι ώστε να μην υπάρχει καμία τριβή. Θα υπάρχουν σίγουρα ορισμένες βιομηχανικές εφαρμογές γι 'αυτό, και θα κρατήσουμε τα μάτια ανοιχτά για όταν χτυπήσουν τα νέα.

Ενώ το αρχικό βίντεο του YouTube πήρε πολλά από την τηλεόραση, μια από τις πρώτες δημοφιλείς πολιτιστικές εμφανίσεις της πραγματικής κβαντικής διεύθυνσης ήταν το επεισόδιο του Stephen Colbert στις 9 Νοεμβρίου Η έκθεση Colbert, μια κομεντί κεντρική σατιρική πολιτική επίδειξη. Colbert έφερε επιστήμονα Δρ. Matthew C. Σουλιβάν από το Τμήμα Φυσικής του Κολλεγίου της Ιθάκης. Ο Colbert εξήγησε στο ακροατήριό του την επιστήμη πίσω από την κβαντική διδασκαλία με τον εξής τρόπο:

Όπως είμαι βέβαιος ότι γνωρίζετε, η κβαντική διεύρυνση αναφέρεται στο φαινόμενο με το οποίο οι γραμμές μαγνητικής ροής τα οποία ρέουν μέσω ενός υπεραγωγού τύπου ΙΙ, είναι στερεωμένα στη θέση τους παρά τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που ενεργούν σε αυτούς. Το έμαθα αυτό από το εσωτερικό ενός καλύμματος Snapple. Στη συνέχεια προχώρησε να αφηγηθεί ένα μίνι φλυτζάνι της γεύσης παγωτού του αμερικάνικου ονείρου του Stephen Colbert. Ήταν σε θέση να το κάνει αυτό επειδή είχαν τοποθετήσει έναν δίσκο υπεραγωγού στο κάτω μέρος του κυπέλλου παγωτού. (Συγγνώμη για να εγκαταλείψω το φάντασμα, Colbert. Χάρη στον Δρ. Sullivan για να μιλήσει μαζί μας για την επιστήμη πίσω από αυτό το άρθρο!)