Hvordan kvantefysikere leter etter liv på eksoplaneter

Verden som kvantefysikere studerer med et trent øye, er den samme verdenen som vi ikke-forskere navigerer i hver dag. Den eneste forskjellen er at den har blitt forstørret til ubegripelig liten og stor skala.

Likevel forblir kvantefysikk stort sett et grumsete emne – selv for vitenskapelig skarpsindige lesere. [email protected] snakket med Gregory Fiete, en fysikkprofessor ved Northeastern, om noen av de brede anvendelsene av kvanteforskning, fra utvikling fornybare energikilder og bygge kraftigere datamaskiner, for å fremme menneskehetens søken etter å oppdage livet utenfor solsystemet. Fietes kommentarer er redigert for korthet og klarhet.

For å begynne med, la oss gi publikum litt innsikt i arbeidet ditt, og se ned i verden til de uendelig små. Hva er noen misoppfatninger om arbeidet kvantefysikere som deg selv er engasjert i – og hvorfor er det viktig?

Du nevnte kvante og de smås verden. Det er det folk flest tenker på når de tenker på kvantemekanikk og måten noen av de tidlige grunnlagene for kvanteteori utviklet seg på, som vurderte hydrogenatomet og hvordan det har diskrete energinivåer, som du kan observere eksperimentelt ved å se på spektrene, eller hvordan den absorberer og sender ut lys, for eksempel.

[The hydrogen atom] absorberer og sender ut ved bestemte frekvenser, og vi forstår nå at det er på grunn av atomets kvantenatur – hvordan det bare er spesifikke tillatte baner for et elektron rundt kjernen. Så vi har en tendens til å tenke på kvantemekanikk i form av dette svært viktige tidlige eksemplet på et hydrogenatom, og derfor er vi forutinntatte til å tro at kvante handler om det lille. Men faktisk handler det slett ikke om det lille.

Ta sola, for eksempel. Solen er veldig stor – den er den største gjenstanden i vårt solsystem; planetene våre roterer rundt den i baner på grunn av dens gravitasjonskraft.

Måten solen fungerer på er at den brenner hydrogen. Dens gravitasjonskraft er så stor at den kombinerer hydrogen til helium, og deretter helium til andre grunnstoffer. Det smelter atomer sammen, og den fusjonsprosessen er et kvantefenomen, og den ligger bak en av de store energiutfordringene som blir utført her på jorden, kjent som vedvarende fusjon. Det er bare å ta hydrogen og kombinere det til helium – hvis vi kan gjøre det på jorden innenfor en magnetisk innesperring, vil vi ha en ren og fornybar energikilde.

Det er i hovedsak ubegrensede mengder hydrogen som kan kombineres, og helium er ikke radioaktivt. Så vi kunne produsere mye energi fra ting som er mer eller mindre uendelig rikelig uten å produsere avfall i form av radioaktivt materiale. Dette er en drøm som fysikere jobber mot. Så, noen av de største tingene i universet er absolutt kvantemekaniske, inkludert supermassive sorte hull som kan miste energi gjennom et kvantefenomen kjent som Hawking-stråling.

Det andre punktet er at man ofte tror kvante handler med svært lave temperaturer. Igjen, for å ta solen vår som et eksempel – det er veldig varmt, men det er kvantemekanisk. Lav temperatur tjener ikke som et krav til kvante. Dette eksemplet på en stjerne og kvanteiteten til fusjonsprosessen og de høye temperaturene forbundet med det – jeg vil bare utvide synet på hva kvantemekanikk er og hvor allestedsnærværende den er.

Når vi skriver om arbeidet du og kollegene dine gjør, er det alltid applikasjoner fra den virkelige verden. Kan du snakke om noen av måtene kvantefysikere ansporer til teknologiske fremskritt utenfor sitt felt?

Jeg skal nevne noen av favorittteknologiene mine. En av tingene som virkelig begeistrer meg med kvantefysikk er bruken av det jeg tenker på som “rettsmedisin”, eller kvanteetterforskning, om du vil.

Fordi ting som atomer har diskrete energinivåer knyttet til seg, viser det seg at det kan brukes til å identifisere atomer. Hvis du sammenligner energinivåene som er tillatt for hydrogen og energinivåene tillatt for helium, eller et hvilket som helst annet element, er de forskjellige. Hvis du hadde en gass av noe, så kunne du bestemme hvilke atomer som er i gassen ved å se på hvordan den absorberer og sender ut lys. Dette er av stor praktisk verdi hvis du er interessert i noe langt unna, for eksempel en planet som kretser rundt en stjerne som ikke er vår egen.

Det er et fantastisk felt av eksoplaneter vi oppdager ved å bruke kraftige teleskoper, som oppdager disse planetene som beveger seg mellom stjerner og jorden vår. Teleskopene våre – noen av dem er i verdensrommet knyttet til satellitter med utrolig frekvensoppløsning og følsomhet – er så kraftige at vi kan se på det tynne laget av atmosfæren rundt disse planetene, og hvordan lyset fra stjernen passerer gjennom det. Så bruker vi teknikken spektroskopi og ser hvordan lyset fra stjernen bak blir absorbert av atmosfæren til denne planeten, som kan være tusenvis av lysår unna. Så vi kan oppdage hvilke atomer som er i atmosfæren.

Det er ganske interessant. Men det går lenger. Vi kan oppdage hvilke molekyler som er der også. For eksempel, er det to hydrogenatomer knyttet til ett oksygenatom? Med andre ord, er det vann i atmosfæren? Molekyler har sin egen spektroskopiske signatur. Så vi kan faktisk oppdage om det er vann i atmosfæren til noen av disse planetene, og det er veldig spennende.

Likevel kan vi ta det et skritt videre. Når det er temperaturer involvert, blir disse spektrallinjene, som de kalles, disse spesifikke frekvensene utvidet. Det er litt som en rekke frekvenser der du ser absorpsjonen og emisjonen. Og mengden den er utvidet forteller deg om et molekyls temperatur – med andre ord temperaturen i atmosfæren til disse planetene.

Det er ganske utrolig at vi kan finne ut hva som er i disse planetenes atmosfærer – planeter som det ville være umulig for mennesker å besøke. Det, og vi kan se etter signaturer på liv, er det molekyler som vi forbinder med liv som flyter rundt på disse planetene, i det minste hvis det er jordlignende liv; da kan vi kanskje med en viss sannsynlighet fastslå at en planet langt der ute som ingen mennesker noen gang kan besøke, har liv. Eller kanskje vi kunne oppdage andre kandidater for livsformer. Det er et eksempel som er ganske inspirerende, og det er til syvende og sist avhengig av kvantefysikk og spektroskopiteknikken.

Et annet eksempel som jeg tror også er av stor interesse, er at kvantefysikk produserer energikilder som er utenfor rekkevidden til solenergi. Så når du sender en dyp romsonde for å se på de ytre planetene i solsystemet vårt, la oss si Pluto (teknisk sett ikke lenger betraktet som en planet). Hvis du vil se på Pluto, sender du en dyp romsonde – det tar år å komme dit. Du spør kanskje, hva slags strømkilde kan du ha for datamaskinene på denne sonden, slik at du kan sende tilbake de vakre bildene vi ser? Vel, du kan sette et batteri på der. Det kommer til å ta år å komme dit, verdensrommet har mye stråling og batteriene kan bli skadet; de fungerer kanskje ikke som de skal når de blir lansert gjennom alle varmevariasjonene som kommer ut av atmosfæren, og kulden i rommet osv. Det er ikke særlig praktisk. Det er ikke nok lys fra solen du kan samle med solcellepaneler til å kjøre datasystemene og sende bilder tilbake.

Så hvordan driver de datamaskinene på disse dype romsondene? Det de bruker er stråling. De bruker et radioaktivt materiale, og radioaktivitet er igjen en annen kvanteprosess, hvor tunge grunnstoffer forfaller til lettere grunnstoffer; når de gjør det, kaster de ut deler av kjernen deres. Men disse utkastede delene av kjernen bærer energi som kan fanges.

Det er materialer, noen av dem er veldig nær ting som jeg jobber med, som kalles termoelektriske materialer. De tar høytemperaturområder og kobler dem sammen med lavtemperaturområder, og konverterer denne høy-lave temperaturforskjellen til en spenning, som deretter fungerer som et batteri. Når du først har en spenning i et elektrisk system, kan du nå flytte strømmer rundt og betjene en datamaskin eller elektriske kretser på mer eller mindre vanlig måte.

Det hele er veldig interessant. Det høres ut som kvantefysikk virkelig er det grunnleggende arbeidet som går til å transformere energiinfrastrukturen vår, blant andre teknologier. Er det riktig måte å tenke på det?

Ja, det er riktig. Det er et godt poeng – å tenke på klimaendringer og fornybar energi og også teknologier som ikke forurenser miljøet vårt.

Hvis vi bare tenker på energi et øyeblikk, som da vi diskuterte eksemplet med fusjon, som er en grønn teknologi – forutsatt at vi kan få det til å fungere. Hvis vi går bort fra fusjon, er det andre teknologier på plass akkurat nå som er grønne. Ta vindturbiner. Hva har vindturbiner med å gjøre kvantefysikk? Måten vindturbiner fungerer på er at de har en magnet i seg festet til propellene når vinden snur dem, og å snu en magnet genererer en elektrisk strøm. Det er slik du genererer elektrisitet: du vrir en magnet inne i en spole av ledninger.

Men spørsmålet er: hvilken magnet bør du bruke? Så det er her grunnleggende forskning – faktisk forskning som jeg til en viss grad er involvert i ved Northeastern – kommer inn: å tenke på magnetiske systemer som ville ha ønskelige egenskaper for bruksområder som vindturbiner.

Du må ha en veldig robust magnet som må overleve høye temperaturer, altså mye over romtemperatur, fordi det kan bli varmt der oppe med solen som skinner på den. Den må også ha egenskaper som er robuste nok til å tåle alle påkjenninger og påkjenninger som den vrir seg rundt i dette turbinsystemet. Det er såkalte harde magneter. Så hvordan utvikler du bedre magneter? Det er et kvantespørsmål.

Som en siste tanke, lurer jeg på hva dine store forhåpninger er for forskningen din og for feltet. Hva vil du se skje i løpet av livet ditt, og er det noen fremskritt vi er på vei til?

Det er et vanskelig spørsmål som alle i feltet stiller: hva er fremskritt som vi virkelig er på vei til? Et godt sitert eksempel er kvanteberegning. Å ha en kvantedatamaskin vil ikke løse alle dataproblemer som noen kan drømme om. Det viser seg at kvantedatamaskiner er spesielt dyktige i visse klasser av problemer, der de kan gi det som kalles en «kvantefordel». Det er noen spesifikke problemer som kvantedatamaskiner er mer nyttige for; men andre problemer kan løses bedre med konvensjonelle superdatamaskiner.

Så et av spørsmålene i feltet prøver å gi en litt skarpere løsning på hva som er de spesifikke problemene som kvantedatamaskiner vil hjelpe oss med. Det er et område i utvikling, som hva som er det sanne nisjeproblemet for en kvantedatamaskin. Jeg tror alle vi som jobber i feltet føler at det vil være noen spesifikke applikasjoner, der kvantedatamaskiner egentlig bare utkonkurrerer alt annet – og alle ønsker å være med på dette; alle betyr hver utviklet nasjon. Alle ønsker å være en del av denne neste kvanterevolusjonen, som ikke bare handler om å utvikle kvantemekanikk som en ny vitenskap, men å omstille kvantemekanikk til svært brede applikasjoner. Og databehandling er bare ett område i forkant.

---

---