Kuantum fizikçileri ötegezegenlerde nasıl yaşam arıyor?

Kuantum fizikçileri ötegezegenlerde nasıl yaşam arıyor?

Kredi: Kuzeydoğu Üniversitesi

Kuantum fizikçilerinin eğitimli bir gözle incelediği dünya, biz bilim adamı olmayanların her gün gezindiği dünyayla aynı. Tek fark, büyütülerek anlaşılmaz bir şekilde küçük ve büyük ölçeklerde büyütülmüş olmasıdır.

Yine de kuantum fiziği, bilimsel açıdan zeki okuyucular için bile büyük ölçüde karanlık bir konu olmaya devam ediyor. News@Northeastern, Northeastern’da bir fizik profesörü olan Gregory Fiete ile, yenilenebilir enerji kaynakları geliştirmek ve daha güçlü bilgisayarlar inşa etmekten, insanlığın güneş sisteminin ötesindeki yaşamı keşfetme arayışını ilerletmeye kadar, kuantum araştırmasının bazı geniş uygulamaları hakkında konuştu. Fiete’nin yorumları kısalık ve netlik için düzenlendi.

Başlamak için, izleyicilerimize, son derece küçüklerin dünyasına bakarak işinizin doğası hakkında biraz fikir verelim. Sizin gibi kuantum fizikçilerinin yaptığı işle ilgili bazı yanlış anlamalar nelerdir ve bu neden önemlidir?

Kuantumdan ve küçüklerin dünyasından bahsettiniz. Çoğu insanın kuantum mekaniğini düşündüklerinde ve hidrojen atomunu ele alan kuantum teorisinin bazı erken temellerinin nasıl geliştiğini ve spektrumlara bakarak deneysel olarak gözlemleyebileceğiniz ayrık enerji seviyelerine sahip olduğunu düşündüklerinde düşündükleri budur. veya örneğin ışığı nasıl emdiği ve yaydığı.

[The hydrogen atom] belirli frekanslarda emer ve yayar ve şimdi bunun atomun kuantum doğası nedeniyle olduğunu anlıyoruz – çekirdeğin etrafında bir elektronun yalnızca belirli izin verilen yörüngeleri var. Bu yüzden kuantum mekaniğini bu çok önemli erken hidrojen atomu örneği açısından düşünmeye meyilliyiz ve bu nedenle kuantumun küçükle ilgili olduğunu düşünmeye eğilimliyiz. Ama aslında mesele hiç de küçük değil.

Örneğin güneşi ele alalım. Güneş çok büyüktür—güneş sistemimizdeki en büyük nesnedir; gezegenlerimiz yerçekimi nedeniyle yörüngelerinde dönüyor.

Güneşin çalışma şekli hidrojen yakmasıdır. Yerçekimi kuvveti o kadar büyüktür ki, hidrojeni helyumla ve sonra helyumu diğer elementlerle birleştiriyor. Atomları birbirine kaynaştırıyor ve bu füzyon süreci bir kuantum fenomeni ve burada Dünya’da üstlenilen, sürekli füzyon olarak bilinen büyük enerji zorluklarından birinin arkasında bu var. Bu sadece hidrojeni alıp helyumla birleştirmek – bunu Dünya’da manyetik bir sınır içinde yapabilirsek, o zaman temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağına sahip olacağız.

Esasen birleştirilebilecek sınırsız miktarda hidrojen vardır ve helyum radyoaktif değildir. Böylece, radyoaktif malzeme şeklinde atık üretmeden, aşağı yukarı sonsuz miktarda bulunan şeylerden çok fazla enerji üretebiliriz. Bu, fizikçilerin üzerinde çalıştığı bir hayal. Dolayısıyla, Hawking radyasyonu olarak bilinen bir kuantum fenomeni yoluyla enerji kaybedebilen süper kütleli kara delikler de dahil olmak üzere, evrendeki en büyük şeylerden bazıları kesinlikle kuantum mekaniğidir.

İkinci nokta, kuantumun çok düşük sıcaklıklarla ilgilendiğini düşünüyor. Yine örnek olarak güneşimizi alırsak – çok sıcak, ama bu kuantum mekaniği. Düşük sıcaklık, kuantum için bir gereklilik olarak hizmet etmez. Bu bir yıldız örneği ve füzyon sürecinin kuantumluğu ve bununla bağlantılı yüksek sıcaklıklar – sadece kuantum mekaniğinin ne olduğuna ve ne kadar yaygın olduğuna dair görüşü genişletmek istiyorum.

Sizin ve meslektaşlarınızın yaptığı iş hakkında yazdığımızda, her zaman gerçek dünya uygulamaları vardır. Kuantum fizikçilerinin kendi alanlarının ötesinde teknolojik gelişmeleri teşvik etme yollarından bahsedebilir misiniz?

En sevdiğim teknolojilerden birkaçını söyleyeceğim. Kuantum fiziği hakkında beni gerçekten heyecanlandıran şeylerden biri, onun “adli tıp” veya isterseniz kuantum adli tıp olarak düşündüğüm şey için kullanılmasıdır.

Atomlar gibi şeyler kendileriyle ilişkili ayrı enerji seviyelerine sahip olduklarından, bunun atomları tanımlamak için kullanılabileceği ortaya çıktı. Hidrojen için izin verilen enerji seviyelerini ve helyum veya başka herhangi bir element için izin verilen enerji seviyelerini karşılaştırırsanız, bunlar farklıdır. Herhangi bir gaza sahip olsaydınız, ışığı nasıl emip yaydığına bakarak gazda hangi atomların olduğunu belirleyebilirdiniz. Bu, bize ait olmayan bir yıldızın etrafında dönen bir gezegen gibi uzaktaki bir şeyle ilgileniyorsanız, büyük pratik değere sahiptir.

Güçlü teleskoplar kullanarak, yıldızlarla Dünyamız arasında hareket eden bu gezegenleri tespit ederek keşfettiğimiz harika bir ötegezegen alanı var. Bazıları uzayda inanılmaz frekans çözünürlüğü ve hassasiyete sahip uydulara bağlı teleskoplarımız o kadar güçlü ki, bu gezegenlerin etrafındaki ince atmosfer tabakasına ve yıldızdan gelen ışığın içinden nasıl geçtiğine bakabiliriz. Sonra spektroskopi tekniğini kullanıyoruz ve arkadaki yıldızdan gelen ışığın, binlerce ışıkyılı uzaklıkta olabilecek bu gezegenin atmosferi tarafından nasıl emildiğini görüyoruz. Böylece atmosferde hangi atomların olduğunu tespit edebiliriz.

Bu oldukça ilginç. Ama daha da ileri gidiyor. Orada hangi moleküllerin olduğunu da tespit edebiliriz. Örneğin, bir oksijen atomuna bağlı iki hidrojen atomu var mı? Başka bir deyişle, atmosferde su var mı? Moleküllerin kendi spektroskopik imzaları vardır. Yani bu gezegenlerin bazılarının atmosferinde su olup olmadığını gerçekten tespit edebiliyoruz ve bu gerçekten heyecan verici.

Ancak bunu bir adım daha ileri götürebiliriz. Sıcaklıklar söz konusu olduğunda, bu spektral çizgiler olarak adlandırılan bu özel frekanslar genişler. Emilimi ve emisyonu gördüğünüz bir tür frekans aralığı var. Ve genişlediği miktar size bir molekülün sıcaklığını, diğer bir deyişle bu gezegenlerin atmosferinin sıcaklığını anlatır.

Bu gezegenlerin atmosferlerinde ne olduğunu belirleyebilmemiz oldukça şaşırtıcı – insanların asla ziyaret etmesi imkansız olan gezegenler. Bu ve yaşamın imzalarını arayabiliriz, örneğin, bu gezegenlerde yüzen yaşamla ilişkilendirdiğimiz moleküller var mı, en azından Dünya benzeri bir yaşamsa; o zaman, orada, hiçbir insanın asla ziyaret edemeyeceği bir gezegenin yaşam barındırdığını büyük bir olasılıkla belirleyebiliriz. Ya da belki başka aday yaşam formlarını keşfedebiliriz. Bu oldukça ilham verici bir örnek ve nihayetinde kuantum fiziğine ve spektroskopi tekniğine dayanıyor.

Benim de ilgimi çeken bir diğer örnek de kuantum fiziğinin güneş enerjisinin erişemeyeceği enerji kaynakları üretmesidir. Yani güneş sistemimizin dış gezegenlerine bakmak için bir derin uzay sondası gönderdiğinizde, diyelim ki Plüton (teknik olarak artık bir gezegen olarak kabul edilmiyor). Plüton’a bakmak istiyorsanız, bir derin uzay sondası gönderirsiniz – oraya ulaşmak yıllar alır. Gördüğümüz güzel resimleri geri gönderebilmek için bu sondadaki bilgisayarlar için ne tür bir güç kaynağınız olabilir diye sorabilirsiniz. Oraya bir pil koyabilirsin. Oraya ulaşmak yıllar alacak, uzayda çok fazla radyasyon var ve piller zarar görebilir; atmosferden çıkan tüm ısı değişimleri ve uzayın soğuğu vb. ile fırlatıldıklarında düzgün çalışmayabilirler. Bu pek pratik değil. Bilgisayar sistemlerini çalıştırmak ve görüntüleri geri göndermek için güneş panelleri ile toplayabileceğiniz güneşten yeterli ışık yoktur.

Peki bu derin uzay sondalarındaki bilgisayarları nasıl çalıştırıyorlar? Kullandıkları şey radyasyondur. Radyoaktif bir malzeme kullanırlar ve radyoaktivite yine ağır elementlerin daha hafif elementlere dönüştüğü başka bir kuantum sürecidir; yaptıklarında, çekirdeklerinin parçalarını dışarı atarlar. Ancak çekirdeğin bu atılan kısımları, yakalanabilecek enerjiyi taşır.

Bazıları üzerinde çalıştığım şeylere çok yakın olan, termoelektrik malzemeler denen malzemeler var. Yüksek sıcaklık bölgelerini alırlar ve bunları düşük sıcaklık bölgeleriyle ilişkilendirirler, bu yüksek-düşük sıcaklık farkını bir voltaja dönüştürürler, bu da daha sonra bir pil gibi davranır. Bir elektrik sisteminde bir voltaja sahip olduğunuzda, artık akımları hareket ettirebilir ve bir bilgisayarı veya elektrik devrelerini aşağı yukarı normal şekilde çalıştırabilirsiniz.

Hepsi çok ilginç. Kuantum fiziği, diğer teknolojilerin yanı sıra enerji altyapımızı dönüştürmeye giden temel çalışma gibi görünüyor. Bunu düşünmenin doğru yolu bu mu?

Evet bu doğru. Bu harika bir nokta – iklim değişikliği ve yenilenebilir enerjiler ve ayrıca çevremizi kirletmeyen teknolojiler hakkında düşünmek.

Yeşil bir teknoloji olan füzyon örneğini tartıştığımızda olduğu gibi, enerjiyi bir an için düşünürsek – onu çalıştırabileceğimizi varsayarsak. Füzyondan uzaklaşırsak, şu anda yürürlükte olan yeşil olan başka teknolojiler var. Rüzgar türbinleri. Rüzgar türbinlerinin kuantum fiziği ile ne ilgisi var? Rüzgar türbinlerinin çalışma şekli, rüzgar onları döndürürken pervanelere bağlı bir mıknatıs bulundurmalarıdır ve bir mıknatısı döndürmek bir elektrik akımı üretir. İşte böyle elektrik üretirsiniz: Bir tel bobini içinde bir mıknatısı bükersiniz.

Ama soru şu: Hangi mıknatısı kullanmalısınız? İşte bu noktada temel araştırma -aslında bir dereceye kadar Northeastern’da dahil olduğum araştırmalar- devreye giriyor: rüzgar türbinleri gibi uygulamalar için arzu edilen özelliklere sahip olacak manyetik sistemler hakkında düşünmek.

Yüksek sıcaklıklarda hayatta kalması gereken, yani oda sıcaklığının çok üzerinde olması gereken çok sağlam bir mıknatısa sahip olmanız gerekir, çünkü üzerinde güneş parlarken orada ısınabilir. Ayrıca, bu türbin sisteminde bükülürken herhangi bir gerinme ve gerilime dayanacak kadar sağlam özelliklere sahip olmalıdır. Bunlar sözde sert mıknatıslar. Peki daha iyi mıknatısları nasıl geliştirirsiniz? Bu bir kuantum sorusu.

Son bir düşünce olarak, araştırmanız ve alan için büyük umutlarınızın neler olduğunu merak ediyorum. Yaşamınız boyunca ne olduğunu görmek istersiniz ve eşiğinde olduğumuz herhangi bir gelişme var mı?

Bu, alandaki herkesin sorduğu zor bir soru: Gerçekten eşiğinde olduğumuz gelişmeler neler? İyi anılan bir örnek kuantum hesaplamadır. Kuantum bir bilgisayara sahip olmak, herkesin hayal edebileceği her bilgisayar problemini çözmeyecek. Kuantum bilgisayarların, “kuantum avantajı” denilen şeyi sağlayabildikleri belirli problem sınıflarında özellikle usta oldukları ortaya çıktı. Kuantum bilgisayarların daha kullanışlı olduğu bazı özel problemler vardır; ancak diğer problemler geleneksel süper bilgisayarlar tarafından daha iyi çözülebilir.

Bu nedenle, alandaki sorulardan biri, kuantum bilgisayarların bize yardımcı olacağı belirli sorunların neler olduğu konusunda biraz daha keskin bir çözüm sağlamaya çalışmaktır. Bu, bir kuantum bilgisayar için gerçek niş problemin ne olduğu gibi, gelişen bir alandır. Sanırım bu alanda çalışan hepimiz, kuantum bilgisayarların gerçekten her şeyden daha iyi performans gösterdiği bazı özel uygulamalar olacağını hissediyoruz – ve herkes buna dahil olmak istiyor; herkes her gelişmiş ulus anlamına gelir. Herkes, sadece kuantum mekaniğini yeni bir bilim olarak geliştirmekle kalmayıp, kuantum mekaniğini çok geniş uygulamalara dönüştürmekle ilgili olan bu sonraki kuantum devriminin bir parçası olmak istiyor. Ve bilgi işlem, ön planda olan alanlardan yalnızca biridir.


Kuantum bilgisayar sıfırdan ve birden fazla ile çalışır


Northeastern Üniversitesi tarafından sağlanan

Alıntı: Kuantum fizikçileri ötegezegenlerde yaşamı nasıl arıyorlar (2022, 16 Eylül), 22 Eylül 2022’de https://phys.org/news/2022-09-quantum-physicists-life-exoplanets.html adresinden alındı.

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amaçlı herhangi bir adil işlem dışında, yazılı izin alınmadan hiçbir kısmı çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgi amaçlı verilmiştir.