Shutterstock

Ai fost vreodată în mai multe locuri în același timp? Dacă ești mult mai mare decât un atom, răspunsul va fi nu.

Dar atomii și particulele sunt guvernate de regulile mecanicii cuantice, în care mai multe situații posibile diferite pot coexista simultan.

Sistemele cuantice sunt guvernate de ceea ce se numește o „funcție de undă”: un obiect matematic care descrie probabilitățile acestor diferite situații posibile.

Și aceste posibilități diferite pot coexista în funcția de undă ca ceea ce se numește o „suprapunere” a diferitelor stări. De exemplu, o particulă existentă în mai multe locuri diferite simultan este ceea ce numim „suprapunere spațială”.

Abia atunci când se efectuează o măsurare, funcția de undă „se prăbușește” și sistemul ajunge într-o stare definită.

În general, mecanica cuantică se aplică lumii minuscule a atomilor și particulelor. Juriul este încă în legătură cu ceea ce înseamnă pentru obiectele la scară largă.

În cercetarea noastră, publicat astăzi în Optica, propunem un experiment care poate rezolva această întrebare spinoasă odată pentru totdeauna.

Pisica lui Erwin Schrödinger

În anii 1930, fizicianul austriac Erwin Schrödinger a venit cu celebrul său experiment de gândire despre o pisică într-o cutie care, conform mecanicii cuantice, ar putea fi în viață și moartă în același timp.

În ea, o pisică este plasată într-o cutie sigilată în care un eveniment cuantic aleatoriu are 50-50 de șanse să o omoare. Până când se deschide cutia și se observă pisica, pisica este amândoi moartă și viu în același timp.

Cu alte cuvinte, pisica există ca funcție de undă (cu multiple posibilități) înainte de a fi observată. Când este observat, devine un obiect definit.

{vembed Y = UpGO2kuQyZw}
Ce este Pisica lui Schrödinger?

După multe dezbateri, comunitatea științifică din acel moment a ajuns la un consens cu „Interpretarea de la Copenhaga”. Acest lucru spune practic că mecanica cuantică se poate aplica numai atomilor și moleculelor, dar nu poate descrie obiecte mult mai mari.

Se pare că s-au înșelat.

În ultimele două decenii sau ceva, fizicieni a creat stări cuantice în obiecte formate din trilioane de atomi - suficient de mare pentru a fi văzut cu ochiul liber. Deși, acest lucru are nu a fost încă a inclus suprapunere spațială.

Cum devine reală o funcție de undă?

Dar cum devine funcția de undă un obiect „real”?

Aceasta este ceea ce fizicienii numesc „problema măsurării cuantice”. A nedumerit oamenii de știință și filosofii timp de aproximativ un secol.

Dacă există un mecanism care elimină potențialul de suprapunere cuantică de la obiecte la scară largă, ar necesita cumva „deranjarea” funcției de undă - și acest lucru ar crea căldură.

Dacă se găsește o astfel de căldură, aceasta implică imposibilitatea suprapunerii cuantice pe scară largă. Dacă o astfel de căldură este exclusă, atunci probabil că naturii nu-i deranjează „a fi cuantică” la orice dimensiune.

Dacă acesta din urmă este cazul, cu tehnologia avansată am putea pune obiecte mari, poate chiar ființe simțitoare, în stări cuantice.

Aceasta este o ilustrare a unui rezonator în suprapunere cuantică. Unda roșie reprezintă funcția de undă. Christopher Baker, Autorul a oferit

Fizicienii nu știu cum ar arăta un mecanism care împiedică suprapunerile cuantice la scară largă. După unii, este un câmp cosmologic necunoscut. Alții suspectează gravitația ar putea avea ceva de-a face cu asta.

Premiul Nobel pentru fizică din acest an, Roger Penrose, crede că ar putea fi o consecință a acestuia conștiința ființelor vii.

Urmărind mișcări minuscule

În ultimul deceniu, fizicienii au căutat febril o cantitate mică de căldură care ar indica o perturbare a funcției undei.

Pentru a afla acest lucru, am avea nevoie de o metodă care să suprime (cât mai perfect posibil) toate celelalte surse de căldură „în exces” care ar putea împiedica o măsurare precisă.

De asemenea, ar trebui să ținem sub control un efect numit „backaction” cuantic, în care actul de a se observa în sine creează căldură.

În cercetarea noastră, am formulat un astfel de experiment, care ar putea dezvălui dacă suprapunerea spațială este posibilă pentru obiectele la scară largă. Cel mai bun experimentează până acum nu au reușit să realizeze acest lucru.

Găsirea răspunsului cu grinzi mici care vibrează

Experimentul nostru ar folosi rezonatoare la frecvențe mult mai mari decât cele utilizate. Acest lucru ar elimina problema oricărei călduri din frigider.

Așa cum a fost cazul în experimentele anterioare, ar trebui să folosim un frigider la 0.01 grade kelvin peste zero absolut. (Absoluta zero este cea mai scăzută temperatură teoretic posibilă).

Cu această combinație de temperaturi foarte scăzute și frecvențe foarte ridicate, vibrațiile din rezonatoare suferă un proces numit „condensare Bose”.

Vă puteți imagina că rezonatorul devine atât de solid înghețat încât căldura de la frigider nu o poate bate, nici măcar un pic.

De asemenea, am folosi o altă strategie de măsurare care nu privește deloc mișcarea rezonatorului, ci mai degrabă cantitatea de energie pe care o are. Această metodă ar suprima puternic și căldura de reacție.

Dar cum am face asta?

Particulele de lumină unice ar pătrunde în rezonator și vor sări înainte și înapoi de câteva milioane de ori, absorbind orice exces de energie. În cele din urmă vor părăsi rezonatorul, ducând excesul de energie.

Măsurând energia particulelor de lumină care ies, am putea determina dacă a existat căldură în rezonator.

Dacă ar fi prezentă căldură, acest lucru ar indica o sursă necunoscută (pe care nu am controlat-o) care a perturbat funcția de undă. Și asta ar însemna că este imposibil ca suprapunerea să se întâmple la scară largă.

Totul este cuantic?

Experimentul pe care îl propunem este provocator. Nu este genul de lucruri pe care să le poți pune la cale într-o duminică după-amiază. Poate dura ani de dezvoltare, milioane de dolari și o grămadă de fizicieni experimentali calificați.

Cu toate acestea, ar putea răspunde la una dintre cele mai fascinante întrebări despre realitatea noastră: este totul cuantic? Și deci, cu siguranță credem că merită efortul.

În ceea ce privește punerea unui om sau a unei pisici în suprapunere cuantică - nu avem nicio modalitate de a ști cum ar afecta acest lucru ființa.

Din fericire, deocamdată este o întrebare la care nu trebuie să ne gândim.

Despre autor

Stefan Forstner, cercetător postdoctoral, Universitatea din Queensland

Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.