Shutterstock

Ви коли-небудь були в декількох місцях одночасно? Якщо ти набагато більший за атом, відповідь буде ні.

Але атоми і частинки регулюються правилами квантової механіки, в яких може співіснувати відразу кілька різних можливих ситуацій.

Квантовими системами керує так звана “хвильова функція”: математичний об’єкт, що описує ймовірності цих різних можливих ситуацій.

І ці різні можливості можуть співіснувати у хвильовій функції як те, що називається «суперпозицією» різних станів. Наприклад, частинка, що існує одночасно у кількох різних місцях, - це те, що ми називаємо «просторовою суперпозицією».

Лише коли проводиться вимірювання, хвильова функція “руйнується”, і система опиняється в одному певному стані.

Як правило, квантова механіка застосовується до крихітного світу атомів і частинок. Журі досі не знає, що це означає для масштабних об’єктів.

У нашому дослідженні опублікований сьогодні в Optica, ми пропонуємо експеримент, який може вирішити це колюче питання раз і назавжди.

Кішка Ервіна Шредінгера

У 1930-х роках австрійський фізик Ервін Шредінгер придумав свій знаменитий мислительський експеримент про кота в коробці, який, згідно з квантовою механікою, міг бути одночасно живим і мертвим.

У ньому кішка поміщена в герметичну коробку, в якій випадкова квантова подія має 50–50 шансів убити її. Поки коробка не відкривається і кішка не спостерігається, кіт обоє мертвий та живий одночасно.

Іншими словами, кішка існує як хвильова функція (з безліччю можливостей) до того, як її спостерігатимуть. Коли його спостерігають, він стає певним об’єктом.

{vembed Y = UpGO2kuQyZw}
Що таке кішка Шредінгера?

Після довгих дебатів тодішня наукова спільнота досягла консенсусу з «Копенгагенська інтерпретація". В основному це говорить про те, що квантова механіка може застосовуватися лише до атомів і молекул, але не може описати набагато більші об'єкти.

Виявилося, що вони помилялися.

За останні два десятиліття або близько того, фізики створили квантові стани в предмети, складені з трильйонів атомів - досить великий, щоб його можна було побачити неозброєним оком. Хоча, це є ще не включена просторова суперпозиція.

Як хвильова функція стає реальною?

Але як хвильова функція стає «реальним» об’єктом?

Це те, що фізики називають "проблемою квантових вимірювань". Це близько століття здивувало вчених і філософів.

Якщо існує механізм, який усуває потенціал квантової суперпозиції з великомасштабних об'єктів, це зажадає якимось чином "порушення" хвильової функції - і це створить тепло.

Якщо таке тепло виявлено, це означає, що масштабна квантова суперпозиція неможлива. Якщо таке тепло виключено, то, швидше за все, природа не проти «бути квантовим» будь-якого розміру.

Якщо це так, то з передовою технологією ми могли б розмістити великі об’єкти, можливо навіть живі істоти, в квантові стани.

Це ілюстрація резонатора в квантовій суперпозиції. Червона хвиля представляє хвильову функцію. Крістофер Бейкер, Автор надано

Фізики не знають, як би виглядав механізм, що перешкоджає масштабним квантовим суперпозиціям. На думку деяких, це невідоме космологічне поле. Інші підозрювати тяжкість може мати до цього щось спільне.

Цьогорічний лауреат Нобелівської премії з фізики Роджер Пенроуз вважає, що це може бути наслідком свідомість живих істот.

Гнання за незначними рухами

Протягом останнього десятиліття або близько того, фізики гарячково шукали незначну кількість тепла, яке вказувало б на порушення в хвильовій функції.

Щоб це з’ясувати, нам потрібен метод, який може придушити (наскільки це можливо) всі інші джерела «надлишку» тепла, які можуть заважати точним вимірюванням.

Нам також потрібно було б тримати на контролі ефект, який називається квантовим «відривом», при якому сам акт спостереження створює тепло.

У нашому дослідженні ми сформулювали такий експеримент, який би міг виявити, чи можлива просторова суперпозиція для масштабних об’єктів. Кращий експерименти не змогли цього досягти.

Пошук відповіді крихітними променями, які вібрують

Наш експеримент використовував би резонатори на набагато вищих частотах, ніж були використані. Це дозволить зняти проблему з нагріванням самого холодильника.

Як це було у попередніх експериментах, нам потрібно було б використовувати холодильник із температурою 0.01 градуса за Кельвіном вище абсолютного нуля. (Абсолютний нуль - це найнижча теоретично можлива температура).

Завдяки такому поєднанню дуже низьких температур і дуже високих частот коливання в резонаторах піддаються процесу, званому “бозе -конденсацією”.

Ви можете уявити це, як резонатор настільки міцно замерзає, що тепло від холодильника не може його хитати, навіть трохи.

Ми також використовували б іншу стратегію вимірювання, яка взагалі не враховує рух резонатора, а скоріше кількість енергії, яку він має. Цей метод також суттєво пригнічував би тепло відведення.

Але як би ми це зробили?

Поодинокі частинки світла потрапляли б в резонатор і відскакували туди-сюди кілька мільйонів разів, поглинаючи зайву енергію. Врешті -решт вони покинуть резонатор, несучи зайву енергію.

Вимірюючи енергію світла, що виходить назовні, ми могли визначити, чи не було в резонаторі тепла.

Якби було тепло, це означало б, що невідоме джерело (яке ми не контролювали) порушило хвильову функцію. І це означало б, що неможливо, щоб суперпозиція відбувалася у великих масштабах.

Чи все квантове?

Експеримент, який ми пропонуємо, є складним. Це не те, що можна випадково налаштувати в неділю вдень. Це може зайняти роки розвитку, мільйони доларів і цілу купу кваліфікованих фізиків-експериментаторів.

Тим не менш, він міг би відповісти на одне з найцікавіших питань про нашу реальність: чи все є квантовим? Отже, ми, звичайно, вважаємо, що варто докласти зусиль.

Що стосується введення людини або кота в квантову суперпозицію - ми насправді не маємо можливості дізнатися, як це вплине на цю істоту.

На щастя, це питання, над яким нам поки не варто думати.

Про автора

Стефан Форстнер, докторант, Університет Квінсленду

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.