Shutterstock
Voltál már egyszerre több helyen is? Ha sokkal nagyobb vagy, mint egy atom, a válasz nemleges lesz.
De az atomokat és a részecskéket a kvantummechanika szabályai szabályozzák, amelyekben egyszerre több különböző lehetséges szituáció élhet együtt.
A kvantumrendszereket az úgynevezett „hullámfüggvény” vezérli: egy matematikai objektum, amely leírja e lehetséges helyzetek valószínűségét.
És ezek a különböző lehetőségek együtt élhetnek a hullámfüggvényben úgy, ahogyan a különböző állapotok „szuperpozíciójának” nevezik. Például egy részecskét, amely egyszerre több különböző helyen létezik, mi „térbeli szuperpozíciónak” nevezzük.
Csak akkor, ha egy mérést végeznek, a hullámfüggvény „összeomlik”, és a rendszer egy meghatározott állapotba kerül.
Általában a kvantummechanika az atomok és részecskék apró világára vonatkozik. A zsűri még mindig nem tudja, mit jelent a nagy méretű tárgyak számára.
Kutatásunkban ma megjelent az Opticában, javasolunk egy kísérletet, amely egyszer és mindenkorra megoldhatja ezt a nehéz kérdést.
Erwin Schrödinger macskája
Az 1930-as években Erwin Schrödinger osztrák fizikus előállt híres gondolatkísérletével egy macskáról egy dobozban, amely a kvantummechanika szerint egyszerre lehet életben és holtban.
Ebben egy macskát egy lezárt dobozba helyeznek, amelyben egy véletlenszerű kvantumesemény 50-50-es eséllyel megöli. Amíg a dobozt fel nem nyitják és a macskát nem figyelik meg, a macska mindketten halottak és a egyszerre él.
Más szóval, a macska hullámfüggvényként létezik (több lehetőséggel), mielőtt megfigyelik. Ha megfigyeljük, határozott objektummá válik.
{vembed Y = UpGO2kuQyZw}
Mi az a Schrödinger macskája?
Sok vita után az akkori tudományos közösség konszenzusra jutott a „Koppenhágai értelmezés”. Ez alapvetően azt mondja, hogy a kvantummechanika csak atomokra és molekulákra vonatkozhat, de nem írhat le sokkal nagyobb tárgyakat.
Kiderült, hogy tévedtek.
Az elmúlt két évtizedben fizikusok létrehoztak kvantumállapotok ben billió atomból készült tárgy - elég nagy ahhoz, hogy szabad szemmel is látható legyen. Bár ennek van még nem tartalmazza a térbeli szuperpozíciót.
Hogyan válik egy hullámfüggvény valósággá?
De hogyan lesz a hullámfüggvényből „valódi” tárgy?
A fizikusok ezt nevezik „kvantummérési problémának”. Körülbelül egy évszázada zavarba ejtette a tudósokat és a filozófusokat.
Ha van olyan mechanizmus, amely kiküszöböli a kvantum szuperpozíció lehetőségét a nagyméretű tárgyakból, akkor a hullámfüggvény valahogy „megzavarására” lenne szükség - és ez hőt generálna.
Ha ilyen hőt találnak, ez azt jelenti, hogy a nagyméretű kvantum-szuperpozíció lehetetlen. Ha az ilyen forróság kizárt, akkor a természet valószínűleg nem bánja, hogy bármilyen méretben kvantum.
Ha ez utóbbi, akkor a fejlett technológiával nagyméretű tárgyakat helyezhetünk el, talán még érző lények is, kvantum állapotokba.
Ez a kvantum szuperpozíció rezonátorának illusztrációja. A piros hullám a hullámfüggvényt jelöli. Christopher Baker, Szerző biztosított
A fizikusok nem tudják, hogyan nézne ki a nagyméretű kvantum-szuperpozíciókat megakadályozó mechanizmus. Egyesek szerint ez egy ismeretlen kozmológiai mező. Egyéb gyanús gravitáció köze lehet hozzá.
Az idei Nobel-díjas fizika, Roger Penrose úgy véli, ennek a következménye lehet az élőlények tudata.
Minimális mozgások üldözése
Körülbelül az elmúlt évtizedben a fizikusok lázasan keresik a hő nyomát, ami a hullám működésének zavart jelez.
Ennek kiderítésére olyan módszerre van szükségünk, amely elnyomja (a lehető legtökéletesebben) az összes többi „felesleges” hőforrást, amely akadályozhatja a pontos mérést.
Ellenőriznünk kellene a kvantum „visszahatásának” nevezett hatást is, amelyben a megfigyelés önmagában hőt hoz létre.
Kutatásunk során megfogalmaztunk egy ilyen kísérletet, amely feltárhatja, hogy lehetséges-e a térbeli szuperpozíció nagyszabású objektumok esetében. A legjobb eddigi kísérletek nem tudták ezt elérni.
Megtalálni a választ apró, rezgő gerendákkal
Kísérletünk a használt rezonanciákat sokkal magasabb frekvenciákon használná. Ez megszüntetné a hűtésből származó hő problémáját.
A korábbi kísérletekhez hasonlóan 0.01 kelvin fokos hűtőszekrényt kell használnunk az abszolút nulla felett. (Az abszolút nulla az elméletileg lehetséges legalacsonyabb hőmérséklet).
A nagyon alacsony hőmérséklet és a nagyon magas frekvenciák kombinációjával a rezonátorok rezgései egy „Bose kondenzáció” nevű folyamaton mennek keresztül.
Ezt úgy képzelheti el, hogy a rezonátor olyan szilárdan megfagy, hogy a hűtőből származó hő nem tudja megingatni, még egy kicsit sem.
Másfajta mérési stratégiát is alkalmaznánk, amely egyáltalán nem a rezonátor mozgását nézi, hanem sokkal inkább az energiát. Ez a módszer erősen elnyomná a visszahatásos hőt is.
De hogyan tennénk ezt?
A fény egyetlen részecskéje bejutna a rezonátorba, és néhány milliószor össze-vissza ugrálna, elnyelve a felesleges energiát. Végül elhagyták a rezonátort, és elhordták a felesleges energiát.
A kilépő fényrészecskék energiájának mérésével megállapíthattuk, hogy van -e hő a rezonátorban.
Ha hő van jelen, ez azt jelzi, hogy egy ismeretlen forrás (amelyet nem kontrolláltunk) megzavarta a hullámfunkciót. Ez pedig azt jelentené, hogy lehetetlen, hogy a szuperpozíció nagy léptékben történjen.
Minden kvantum?
Az általunk javasolt kísérlet kihívást jelent. Ez nem az a fajta dolog, amit véletlenül beállíthat vasárnap délután. Évekig tartó fejlesztés, dollármilliók és egész képzett kísérleti fizikusok vehetnek igénybe.
Ennek ellenére választ adhat a valóságunk egyik legérdekesebb kérdésére: minden kvantum? És így mindenképpen úgy gondoljuk, hogy megéri az erőfeszítést.
Ami az embert vagy a macskát illeti a kvantum -szuperpozícióba - valójában nincs módunk arra, hogy megtudjuk, hogyan hat ez a lényre.
Szerencsére ez egy olyan kérdés, amire most nem kell gondolnunk.
A szerzőről
Stefan Forstner, posztdoktori kutató, A Queenslandi Egyetem
Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.
