Diese springenden Tröpfchen könnte dazu beitragen, eine 90-jährige Rätsel der Quantenmechanik zu lösen

Die Tropfen Silikon Öl Schaukeln in diesem faszinierenden Video erstelle mehr als ästhetisch befriedigende Wellen über eine glatte Oberfläche. Sie könnten indirekte Beweise für eine alternative Lösung auf eine quälende Frage in der Quantenmechanik werden – eine, die fast ein Jahrhundert zurückreicht.

Das Video ist unter den Gewinnern des diesjährigen Galerie der Flüssigkeit Bewegung, ein jährlicher Wettbewerb für die American Physical Society Division der Fluiddynamik. Es stammt aus einem 2013-Experiment durchgeführt MIT Physiker Daniel Harris und John Bush, die sogenannten "pilot Wellen" ein Spielzeugmodell vorgesehen: hypothetische Wellen in der Raumzeit, die subatomaren Teilchen entlang tragen konnten, wie so viele Bojen Schaukeln auf einer wässrigen Oberfläche.

Auf der 1927 Solvay-Konferenz schlug französischer Physiker Louis de Broglie zuerst die Existenz der pilot Wellen als Alternative zu der beunruhigende Vorstellung einer Wellenfunktion. Sie kennen das; Es ist die Essenz von Schrödingers Katze berühmt Paradox. Alle möglichen Ergebnisse gibt es in einer Überlagerung von Staaten, beschrieben durch eine Gleichung der Wellenfunktion (aka ist die Katze lebendig und tot zur gleichen Zeit) genannt. Wenn eine Messung gemacht wird (wir schauen im Feld), es bewirkt, dass die Wellenfunktion in einen einzigen Staat zusammenbrechen (die Katze ist entweder lebendig oder tot).

In seinem Piloten Wellentheorie de Broglie vorgeschlagen die Wellenfunktion durch zwei Gleichungen zu ersetzen: "eine Beschreibung einer realen, physischen Welle, und eine andere die Flugbahn eines tatsächlichen, konkreten Partikels auf die Variablen in die Wellengleichung zu binden, als ob das Teilchen interagiert mit und wird angetrieben durch die Welle, anstatt von ihr definiert wird" Natalie Wolchover schrieb in Quanten im vergangenen Jahr.

Pilot Wellen nie direkt beobachtet, aber Experimente in den letzten zehn Jahren mit Prellen Öltröpfchen in Fässern mit vibrierenden Flüssigkeit haben Interesse an de Broglie Idee wiederbelebt. Einen Kieselstein in einen Teich werfen und es wird plätschernde Wellen Reisen nach außen.

Das gleiche passiert bei den Tropfen versuchen, mit einem Twist: Wenn die Vibrationen nur die richtige Frequenz abgestimmt sind – d. h., in der Nähe des Tröpfchens natürlichen Resonanzfrequenz — werden eine faszinierende Interferenzeffekt. Nicht nur das Tröpfchen erzeugt Wellen wie es springt, aber es mit den Wellen interagieren kann, und dies seine Flugbahn beeinflusst. Das ist der pilot Welle-Konzept auf den Punkt gebracht: ersetzen Sie einfach das Tröpfchen mit einem subatomaren Teilchen.

Neben den Auswirkungen auf die Quantenmechanik ist dies auch ein sehr cool Fluid Dynamics Experiment. Um ihr Video zu erstellen, Harris und Bush eine flache Schale mit einem kreisförmigen Trog in der Mitte mit Silikonöl gefüllt und auf einem vibrierenden Ständer montiert. Dann Stand auf verschiedenen Frequenzen abgestimmt und sah zu sehen, wie die Tropfen Verhalten um eine bestimmte Schwelle Frequenz verändert. Als ich letztes Jahr schrieb:

Oberhalb der Schwelle stören der aufgewühlten Meer Wellen das Tröpfchen zu Fuß. Darunter bleibt die Oberfläche glatt mit Ausnahme der Wellen durch das Prellen Tröpfchen produziert. Je näher man Melodien die Schwingungen zu dieser Schwelle, desto robuster und langlebiger werden die generierten pilot Wellen.

Wenn der springende Tropfen Wellen erzeugt, diese Wellen prallte gegen die Wände und mischte sich mit einander, hübsche Interferenzmuster erzeugen. Sie wirkte sich auch auf die Flugbahn des Tropfens. Zunächst sah es wie es war zufällig entlang hüpfen, aber im Laufe der Zeit (ca. 20 Minuten), der Tropfen war viel eher in Richtung der Mitte des Kreises zu treiben, und immer weniger wahrscheinlich in den plätschernden Ringen breitet sich aus, dass Center gefunden werden.

Die grundlegenden Versuchsanordnung beinhaltet einen Lautsprecher, ein Smartphone und einen Bildschirm mit einem Streifenmuster. Dann beginnt der Spaß. Wir sehen die ersten ein, zwei, drei und vier springende Tröpfchen, jede Schaffung Wellen in das Silikonöl, gefolgt von einer Reihe von Tropfen in einem wabenartigen Gitter angeordnet. Die Forscher verwendeten als nächstes eine Hochgeschwindigkeitskamera einige raffinierte stroboskopische Effekte: in einer Version scheint das Droplet gleiten über die Oberfläche des Öls; in einem anderen erscheint das Tröpfchen "Hangtime", nur ein kleines bisschen längeren Luft mit jeder Bounce anhalten zu gewinnen.

Sie können die anderen Gewinner in der 2015 Galerie von Fluid Motion hier vorgestellten auschecken.