Shutterstock

Czy byłeś kiedyś w więcej niż jednym miejscu w tym samym czasie? Jeśli jesteś znacznie większy niż atom, odpowiedź będzie brzmiała nie.

Ale atomy i cząstki rządzą się prawami mechaniki kwantowej, w której jednocześnie może współistnieć kilka różnych możliwych sytuacji.

Systemami kwantowymi rządzi tak zwana „funkcja falowa”: obiekt matematyczny opisujący prawdopodobieństwa tych różnych możliwych sytuacji.

Te różne możliwości mogą współistnieć w funkcji falowej jako tak zwana „superpozycja” różnych stanów. Na przykład cząstka istniejąca w kilku różnych miejscach jednocześnie jest tym, co nazywamy „superpozycją przestrzenną”.

Dopiero podczas pomiaru funkcja falowa „zapada” i układ znajduje się w jednym określonym stanie.

Ogólnie mechanika kwantowa odnosi się do małego świata atomów i cząstek. Jury wciąż nie zastanawia się, co to oznacza dla obiektów wielkoformatowych.

W naszych badaniach opublikowany dzisiaj w Optica, proponujemy eksperyment, który może raz na zawsze rozwiązać to drażliwe pytanie.

Kot Erwina Schrödingera

W latach 1930. XX wieku austriacki fizyk Erwin Schrödinger wymyślił swój słynny eksperyment myślowy o kocie w pudełku, który zgodnie z mechaniką kwantową może być jednocześnie żywy i martwy.

W nim kot jest umieszczany w zapieczętowanym pudełku, w którym losowe zdarzenie kwantowe ma 50–50 szans na zabicie go. Dopóki pudełko nie zostanie otwarte i kot nie zostanie zauważony, kot jest martwy i żyje w tym samym czasie.

Innymi słowy, kot istnieje jako funkcja falowa (z wieloma możliwościami), zanim zostanie zauważony. Kiedy jest obserwowane, staje się określonym obiektem.

{vembed Y=UpGO2kuQyZw}
Czym jest kot Schrödingera?

Po długiej debacie społeczność naukowa w tym czasie osiągnęła konsensus z „Interpretacja kopenhaska”. To zasadniczo mówi, że mechanika kwantowa może mieć zastosowanie tylko do atomów i cząsteczek, ale nie może opisywać znacznie większych obiektów.

Okazuje się, że się mylili.

W ciągu ostatnich dwóch dekad fizycy stworzyłeś stany kwantowe w obiekty wykonane z bilionów atomów — wystarczająco duży, by można go było zobaczyć gołym okiem. Chociaż ma to jeszcze nie uwzględniono superpozycję przestrzenną.

Jak funkcja falowa staje się rzeczywista?

Ale w jaki sposób funkcja falowa staje się „prawdziwym” obiektem?

To właśnie fizycy nazywają „problemem pomiaru kwantowego”. Od około stulecia intryguje naukowców i filozofów.

Jeśli istnieje mechanizm, który usuwa potencjał superpozycji kwantowej z obiektów wielkoskalowych, wymagałoby to w jakiś sposób „zakłócenia” funkcji falowej – a to wytworzyłoby ciepło.

Jeśli takie ciepło zostanie znalezione, oznacza to, że superpozycja kwantowa na dużą skalę jest niemożliwa. Jeśli takie ciepło zostanie wykluczone, prawdopodobnie natura nie będzie miała nic przeciwko „byciu kwantem” w dowolnym rozmiarze.

W tym drugim przypadku, dzięki zaawansowanej technologii moglibyśmy umieszczać duże obiekty, może nawet czujące istoty, na stany kwantowe.

To jest ilustracja rezonatora w superpozycji kwantowej. Czerwona fala reprezentuje funkcję falową. Krzysztof Baker, Autor pod warunkiem

Fizycy nie wiedzą, jak wyglądałby mechanizm zapobiegający wielkoskalowym superpozycjom kwantowym. Według niektórych jest to… nieznane pole kosmologiczne. Inni podejrzana grawitacja może mieć z tym coś wspólnego.

Tegoroczny laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, Roger Penrose, uważa, że ​​może to być konsekwencją: świadomość żywych istot.

Goniąc drobne ruchy

Przez ostatnią dekadę fizycy gorączkowo poszukiwali śladowych ilości ciepła, które wskazywałyby na zakłócenie funkcji falowej.

Aby się tego dowiedzieć, potrzebowalibyśmy metody, która może stłumić (tak doskonale, jak to możliwe) wszystkie inne źródła „nadmiaru” ciepła, które mogą przeszkadzać w dokładnym pomiarze.

Musielibyśmy również trzymać w ryzach efekt zwany „reakcją wsteczną” kwantową, w którym akt obserwacji sam w sobie wytwarza ciepło.

W naszych badaniach sformułowaliśmy taki eksperyment, który może ujawnić, czy superpozycja przestrzenna jest możliwa dla obiektów wielkoskalowych. Najlepsze dotychczasowe eksperymenty nie udało się tego osiągnąć.

Znajdowanie odpowiedzi dzięki maleńkim wiązkom, które wibrują

W naszym eksperymencie zastosowano rezonatory o znacznie wyższych częstotliwościach niż te, które były używane. To usunęłoby problem ciepła z samej lodówki.

Tak jak w poprzednich eksperymentach, musielibyśmy użyć lodówki w temperaturze 0.01 stopnia Kelvina powyżej zera absolutnego. (Absolutne zero to teoretycznie najniższa możliwa temperatura).

Dzięki tej kombinacji bardzo niskich temperatur i bardzo wysokich częstotliwości drgania w rezonatorach przechodzą proces zwany „kondensacją Bosego”.

Można to sobie wyobrazić jako rezonator zamarzający tak mocno, że ciepło z lodówki nie może nim poruszyć, nawet odrobinę.

Użylibyśmy również innej strategii pomiarowej, która w ogóle nie bierze pod uwagę ruchu rezonatora, ale raczej ilość energii, jaką ma. Ta metoda również silnie tłumiłaby ciepło reakcji wstecznej.

Ale jak mielibyśmy to zrobić?

Pojedyncze cząstki światła wchodziłyby do rezonatora i odbijały się tam i z powrotem kilka milionów razy, pochłaniając nadmiar energii. W końcu opuściliby rezonator, odprowadzając nadmiar energii.

Mierząc energię wychodzących cząstek światła, mogliśmy określić, czy w rezonatorze jest ciepło.

Jeśli obecne było ciepło, oznaczałoby to, że nieznane źródło (którego nie kontrolowaliśmy) zakłóciło funkcję falową. A to oznaczałoby, że superpozycja nie może zajść na dużą skalę.

Czy wszystko jest kwantowe?

Proponowany przez nas eksperyment jest trudny. Nie jest to coś, co można od niechcenia urządzić w niedzielne popołudnie. Może to zająć lata rozwoju, miliony dolarów i całą masę wykwalifikowanych fizyków eksperymentalnych.

Niemniej może odpowiedzieć na jedno z najbardziej fascynujących pytań dotyczących naszej rzeczywistości: czy wszystko jest kwantowe? A więc z pewnością uważamy, że jest to warte wysiłku.

Jeśli chodzi o umieszczenie człowieka lub kota w kwantowej superpozycji — tak naprawdę nie ma sposobu, abyśmy się zorientowali, jak to wpłynie na tę istotę.

Na szczęście jest to pytanie, nad którym na razie nie musimy się zastanawiać.

O autorze

Stefan Forstner, staż podoktorski, Uniwersytet w Queensland

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.