Shutterstock

Har du noen gang vært på mer enn ett sted samtidig? Hvis du er mye større enn et atom, vil svaret være nei.

Men atomer og partikler styres av kvantemekanikkens regler, der flere forskjellige mulige situasjoner kan eksistere samtidig.

Kvantesystemer styres av det som kalles en “bølgefunksjon”: et matematisk objekt som beskriver sannsynligheten for disse forskjellige mulige situasjonene.

Og disse forskjellige mulighetene kan eksistere sammen i bølgefunksjonen som det som kalles en "superposisjon" av forskjellige tilstander. For eksempel er en partikkel som eksisterer flere forskjellige steder samtidig det vi kaller "romlig superposisjon".

Det er først når en måling utføres at bølgefunksjonen "kollapser" og systemet ender i en bestemt tilstand.

Generelt gjelder kvantemekanikk for den lille verden av atomer og partikler. Juryen er fortsatt ute på hva det betyr for store objekter.

I vår forskning, publisert i dag i Optica, foreslår vi et eksperiment som kan løse dette vanskelige spørsmålet en gang for alle.

Erwin Schrödingers katt

På 1930-tallet kom den østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger med sitt berømte tankeeksperiment om en katt i en boks som ifølge kvantemekanikken kunne være i live og død samtidig.

I den plasseres en katt i en forseglet boks der en tilfeldig kvantehendelse har 50–50 sjanse til å drepe den. Inntil boksen åpnes og katten blir observert, er katten begge død og i live på samme tid.

Med andre ord eksisterer katten som en bølgefunksjon (med flere muligheter) før den observeres. Når det observeres, blir det et bestemt objekt.

{vembed Y = UpGO2kuQyZw}
Hva er Schrödingers katt?

Etter mye debatt nådde det vitenskapelige samfunnet på den tiden enighet med "København-tolkning”. Dette sier i utgangspunktet kvantemekanikk bare kan gjelde atomer og molekyler, men kan ikke beskrive mye større objekter.

Det viser seg at de tok feil.

I løpet av de siste to tiårene, fysikere har laget kvantetilstander i gjenstander laget av billioner av atomer - stor nok til å sees med det blotte øye. Selv om dette har ennå ikke inkludert romlig superposisjon.

Hvordan blir en bølgefunksjon ekte?

Men hvordan blir bølgefunksjonen et “ekte” objekt?

Dette er hva fysikere kaller "kvantemålingsproblemet". Det har forundret forskere og filosofer i omtrent et århundre.

Hvis det er en mekanisme som fjerner potensialet for kvantesuperposisjon fra objekter i stor skala, vil det på en eller annen måte kreve å "forstyrre" bølgefunksjonen - og dette vil skape varme.

Hvis man finner en slik varme, antyder dette at det er umulig å oppfylle kvantestorting i stor skala. Hvis slik varme er utelukket, er det sannsynlig at naturen ikke har noe imot å "være kvante" i noen størrelse.

Hvis sistnevnte er tilfelle, med fremskridende teknologi kan vi sette store gjenstander, kanskje til og med sansende vesener, inn i kvantetilstander.

Dette er en illustrasjon av en resonator i kvantesuperposisjon. Den røde bølgen representerer bølgefunksjonen. Christopher Baker, Forfatter gitt

Fysikere vet ikke hvordan en mekanisme som forhindrer store kvantesuperposisjoner ville se ut. Ifølge noen er det en ukjent kosmologisk felt. andre mistenker tyngdekraften kunne ha noe med det å gjøre.

Årets Nobelprisvinner for fysikk, Roger Penrose, tror det kan være en konsekvens av levende vesener sin bevissthet.

Jager småbevegelser

I løpet av det siste tiåret har fysikere søkt feberaktig en spormengde av varme som ville indikere en forstyrrelse i bølgefunksjonen.

For å finne ut av dette, trenger vi en metode som kan undertrykke (så perfekt som mulig) alle andre kilder til "overflødig" varme som kan komme i veien for en nøyaktig måling.

Vi trenger også å holde en effekt kalt quantum “backaction” i sjakk, hvor handlingen med å observere seg selv skaper varme.

I vår forskning har vi formulert et slikt eksperiment, som kan avsløre om romlig superposisjon er mulig for store objekter. Den beste eksperimenter så langt har ikke klart å oppnå dette.

Å finne svaret med små bjelker som vibrerer

Eksperimentet vårt ville bruke resonatorer ved mye høyere frekvenser enn det som har blitt brukt. Dette vil fjerne problemet med varme fra selve kjøleskapet.

Som det var tilfelle i tidligere eksperimenter, ville vi trenge å bruke et kjøleskap på 0.01 kelvin over absolutt null. (Absoloute zero er den laveste temperaturen teoretisk mulig).

Med denne kombinasjonen av svært lave temperaturer og svært høye frekvenser gjennomgår vibrasjoner i resonatorene en prosess som kalles "Bose-kondens".

Du kan se for deg at resonatoren blir så solid frossen at varmen fra kjøleskapet ikke kan vri den, ikke en gang litt.

Vi vil også bruke en annen målestrategi som ikke ser på resonatorens bevegelse i det hele tatt, men heller mengden energi den har. Denne metoden vil også undertrykke tilbakeslagsvarmen sterkt.

Men hvordan skulle vi gjøre dette?

Enkeltpartikler av lys ville komme inn i resonatoren og sprette frem og tilbake noen millioner ganger og absorbere overflødig energi. De ville til slutt forlate resonatoren og bære overflødig energi bort.

Ved å måle energien til lyspartiklene som kommer ut, kunne vi bestemme om det var varme i resonatoren.

Hvis det var varme tilstede, ville dette indikere at en ukjent kilde (som vi ikke kontrollerte for) hadde forstyrret bølgefunksjonen. Og dette vil bety at det er umulig for superposisjon å skje i stor skala.

Er alt kvantum?

Eksperimentet vi foreslår er utfordrende. Det er ikke den typen ting du kan stille opp på en søndag ettermiddag. Det kan ta år med utvikling, millioner av dollar og en hel haug med dyktige eksperimentelle fysikere.

Likevel kan det svare på et av de mest fascinerende spørsmålene om vår virkelighet: er alt kvantum? Og så, vi synes absolutt det er verdt innsatsen.

Når det gjelder å sette et menneske eller en katt i kvanteoverstilling - det er egentlig ingen måte for oss å vite hvordan dette vil påvirke det vesenet.

Heldigvis er dette et spørsmål vi ikke trenger å tenke på, foreløpig.

om forfatteren

Stefan Forstner, postdoktor, Universitetet i Queensland

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.