อนุภาคต้านแรงโน้มถ่วง ลอยทวนน้ำ

แรงบันดาลใจจากเส้นทางกลับกันของใบชา นักฟิสิกส์แสดงให้เห็นว่าแรงตึงผิวของน้ำทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่ไม่คาดคิด ใบชาอันธพาลได้นำนักฟิสิกส์ไปสู่การค้นพบปรากฏการณ์ที่ขัดกับสัญชาตญาณ: อนุภาคสามารถลอยทวนน้ำในน้ำที่กำลังเคลื่อนที่

“มันน่าสนใจและเจ๋งมาก” อีวา คันโซ นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนียกล่าว “ฉันจะให้นักเรียนทำการทดลองแบบนี้”

นักพายเรือคายัค ช่างประปา หรือนักฟิสิกส์ทุกคนคงพูดว่าสิ่งต่าง ๆ ไหลไปตามน้ำเสมอ แต่ภูมิปัญญาดั้งเดิมนั้นเริ่มคลี่คลายสำหรับ Sebastian Bianchini ในคืนหนึ่งในปี 2008 เมื่อเขาเตรียมชามาเต ซึ่งเป็นอาหารจานพิเศษของอเมริกาใต้โดยการเทน้ำร้อนลงบนใบชาหนึ่งถ้วย Bianchini ซึ่งตอนนั้นเป็นนักศึกษาระดับปริญญาตรีที่มหาวิทยาลัยฮาวานาในคิวบา สังเกตเห็นว่าเมื่อถึงเวลาที่เขาเติมถ้วย ใบชาจำนวนหนึ่งได้บุกรุกน้ำบริสุทธิ์ในกาต้มน้ำ

เขาอธิบายการสังเกตที่แปลกประหลาดของเขากับนักฟิสิกส์ที่โรงเรียน Ernesto Altshuler และพวกเขาก็ทำการทดลองบางอย่าง แม้ว่าพวกเขาคิดว่าพวกเขาเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้น แต่ Altshuler กล่าวว่าพวกเขาได้รับความสงสัยจากนักฟิสิกส์คนอื่น ๆ และไม่เคยเผยแพร่ผลการวิจัยของพวกเขา

เมื่อปีที่แล้ว Altshuler ได้พบกับ Troy Shinbrot นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Rutgers ในเมือง Piscataway รัฐนิวเจอร์ซีย์ ซึ่งตกลงที่จะทำการทดลองซ้ำ Shinbrot ตั้งแท็งก์สองถังวางคู่กันและยกตัวหนึ่งขึ้น โดยมีน้ำไหลผ่านช่องแคบเพื่อเชื่อมช่องว่างความสูง 1 เซนติเมตร ภายในไม่กี่วินาทีหลังจากเติมชอล์คและชาผสมลงในถังด้านล่าง อนุภาคก็เริ่มปีนขึ้นไปบนช่องเพื่อปนเปื้อนถังด้านบน

การทดลองของ Shinbrot ทำให้เขาสรุปได้ว่าทีมของ Altshuler ไปถึงแล้ว: อนุภาคสามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงและกระแสได้เนื่องจากคุณสมบัติของน้ำที่เรียกว่าแรงตึงผิว การเชื่อมโยงของอะตอมไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำมีแนวโน้มที่จะสร้างพื้นผิวที่ยืดหยุ่นคล้ายแทรมโพลีน แต่อนุภาคขนาดเล็กอย่างใบชารบกวนเครือข่ายนั้น ทำให้พันธะไฮโดรเจนแยกออกจากกันและผลักอนุภาคไปทางน้ำที่บริสุทธิ์กว่าซึ่งมีแรงตึงผิวสูงขึ้น นักฟิสิกส์ทราบมานานแล้วว่าอนุภาคสามารถได้รับแรงผลักดันผ่านกระบวนการนี้ Shinbrot กล่าว แต่พวกเขาไม่เคยพิจารณาถึงพลังที่แข็งแกร่งพอที่จะขับเคลื่อนอนุภาคต้นน้ำ

นักวิจัยอธิบายทฤษฎีแรงตึงผิวและการทดลองในวันที่ 3 กรกฎาคมในProceedings of the Royal Society A

Shinbrot และ Altshuler ยอมรับว่าพวกเขาไม่รู้ว่าการค้นพบของพวกเขามีความหมายนอกการเตรียมชาหรือไม่ แต่ Shinbrot กล่าวว่าเป็นไปได้ที่สารมลพิษสามารถอพยพต้นน้ำในแม่น้ำที่เคลื่อนไหวช้าได้ นอกจากนี้ เขายังแสดงให้เห็นว่าอนุภาคสามารถแอบเข้าไปในส่วนปลายของปิเปต ซึ่งอาจทำให้ตัวอย่างในห้องปฏิบัติการปนเปื้อนได้ หากนำปิเปตกลับมาใช้ใหม่

จะใช้เวลามากกว่า 50 พันล้านปีเพื่อให้นาฬิกาอะตอมใหม่ได้รับหรือสูญเสียวินาที นาฬิกาที่กำหนดเวลาอย่างเป็นทางการของสหรัฐฯ จะเชื่อมโยงระยะเวลาหนึ่งวินาทีกับความถี่ของแสงที่บีบบังคับอิเล็กตรอนของซีเซียมให้กระโดดขึ้นสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น

นักฟิสิกส์ Andrew Ludlow จากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติในโบลเดอร์ รัฐโคโล และทีมของเขาได้เปลี่ยนอะตอมอิตเทอร์เบียมเป็นซีเซียม จากนั้นจึงจับกลุ่มอะตอมด้วยเลเซอร์ เพื่อวัดความถี่นั้นอย่างแม่นยำ Ludlow และเพื่อนร่วมงานแนะนำวันที่ 24 พฤษภาคมที่ arXiv.org ว่าการจับเวลาที่แม่นยำดังกล่าวสามารถปรับปรุงระบบการระบุตำแหน่งทั่วโลกและทดสอบขีดจำกัดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ซึ่งวางตำแหน่งที่นาฬิกาที่ระดับความสูงที่แตกต่างกันไปในอัตราที่แตกต่างกันเล็กน้อย

ตัวอย่างเช่น นักวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัมกำลังสำรวจกลไกเดียวกันที่ช่วยให้อะตอมที่พันกันสามารถวัดเวลาได้ ( SN: 3/10/12, p. 26 ) คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะใช้ประโยชน์จากสถานะทับซ้อนของอะตอมหรือโฟตอน – คิดว่า Monz มี 14 อะตอมก่อนที่จะวัด – เพื่อจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลจำนวนมหาศาล ในขณะที่เซลล์หน่วยความจำ 14 เซลล์ของคอมพิวเตอร์ทั่วไปสามารถเก็บข้อมูลได้ 14 บิต 14 ควอนตัมบิตหรือ qubit จะเก็บ 16,384 บิตพร้อมกัน

ในขณะเดียวกัน การเคลื่อนย้ายข้อมูลที่จำเป็นในการเชื่อมโยงนาฬิกาอาจช่วยสร้างเครือข่ายการสื่อสารควอนตัมที่ปลอดภัย นักฟิสิกส์นึกภาพการสร้างช่องควอนตัมซึ่งผู้ใช้แลกเปลี่ยนข้อมูลที่เข้ารหัสในอะตอมหรือโฟตอนในลักษณะซ้อนทับ เช่นเดียวกับอะตอมในนาฬิกา ผู้ดักฟังที่พยายามฟังการสนทนาจะรบกวนสถานะการวางซ้อนที่เปราะบางนั้น เผยให้เห็นการมีอยู่ของพวกเขา

รายการการใช้งานที่เป็นไปได้สำหรับการพัวพันควอนตัมและการเคลื่อนย้ายทางไกลยังคงมีต่อไป และนักฟิสิกส์จะเกิดแนวคิดใหม่ ๆ เมื่อพวกเขาเล่นกับกลศาสตร์ควอนตัมกล่องเครื่องมืออันน่าทึ่งที่มีให้ “ฟิลด์นี้กำลังรอแอปพลิเคชันนักฆ่ารายใหญ่อยู่” มอนโรกล่าว

ความก้าวหน้าของควอนตัมนั้นอาจมาในรูปแบบของซุปเปอร์คล็อกที่ไม่มีใครเทียบได้ “การสร้างอุปกรณ์ระดับโลกเช่นนี้ถือเป็นความท้าทายครั้งใหญ่” เคสเลอร์กล่าว “แต่สิ่งก่อสร้างทั้งหมดอยู่ที่นั่น”