Shutterstock

Έχετε πάει ποτέ σε περισσότερα από ένα μέρη ταυτόχρονα; Εάν είστε πολύ μεγαλύτεροι από ένα άτομο, η απάντηση θα είναι όχι.

Αλλά τα άτομα και τα σωματίδια διέπονται από τους κανόνες της κβαντομηχανικής, στους οποίους πολλές διαφορετικές πιθανές καταστάσεις μπορούν να συνυπάρχουν ταυτόχρονα.

Τα κβαντικά συστήματα διέπονται από αυτό που ονομάζεται «λειτουργία κύματος»: ένα μαθηματικό αντικείμενο που περιγράφει τις πιθανότητες αυτών των διαφορετικών πιθανών καταστάσεων.

Και αυτές οι διαφορετικές δυνατότητες μπορούν να συνυπάρχουν στη λειτουργία κύματος ως αυτό που ονομάζεται «υπέρθεση» διαφορετικών καταστάσεων. Για παράδειγμα, ένα σωματίδιο που υπάρχει σε πολλά διαφορετικά μέρη ταυτόχρονα είναι αυτό που ονομάζουμε «χωρική υπέρθεση».

Μόνο όταν πραγματοποιείται μια μέτρηση, η συνάρτηση κύματος "καταρρέει" και το σύστημα καταλήγει σε μια συγκεκριμένη κατάσταση.

Γενικά, η κβαντική μηχανική ισχύει για τον μικροσκοπικό κόσμο ατόμων και σωματιδίων. Η κριτική επιτροπή εξακολουθεί να είναι ενήμερη για το τι σημαίνει για αντικείμενα μεγάλης κλίμακας.

Στην έρευνά μας, δημοσιεύθηκε σήμερα στο Optica, προτείνουμε ένα πείραμα που μπορεί να λύσει αυτήν την ακανθώδη ερώτηση για πάντα.

Η γάτα του Erwin Schrödinger

Στη δεκαετία του 1930, ο Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger κατέληξε στο διάσημο πείραμα σκέψης του για μια γάτα σε κουτί που, σύμφωνα με την κβαντομηχανική, θα μπορούσε να είναι ζωντανή και νεκρή ταυτόχρονα.

Σε αυτήν, μια γάτα τοποθετείται σε ένα σφραγισμένο κουτί στο οποίο ένα τυχαίο κβαντικό συμβάν έχει 50-50 πιθανότητες να τη σκοτώσει. Μέχρι να ανοίξει το κουτί και να παρατηρηθεί η γάτα, η γάτα είναι και η δύο νεκρή και ζωντανός ταυτόχρονα.

Με άλλα λόγια, η γάτα υπάρχει ως κυματοσυνάρτηση (με πολλαπλές δυνατότητες) πριν την παρατηρήσει. Όταν παρατηρηθεί, γίνεται ένα συγκεκριμένο αντικείμενο.

{vembed Y=UpGO2kuQyZw}
Τι είναι η γάτα του Schrödinger's;

Μετά από πολλή συζήτηση, η τότε επιστημονική κοινότητα κατέληξε σε συναίνεση με το «Ερμηνεία της Κοπεγχάγης». Αυτό βασικά λέει ότι η κβαντική μηχανική μπορεί να εφαρμοστεί μόνο σε άτομα και μόρια, αλλά δεν μπορεί να περιγράψει πολύ μεγαλύτερα αντικείμενα.

Αποδεικνύεται ότι ήταν λάθος.

Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι φυσικοί έχει δημιουργήσει κβαντικές καταστάσεις σε αντικείμενα από τρισεκατομμύρια άτομα - αρκετά μεγάλο ώστε να φαίνεται με γυμνό μάτι. Ωστόσο, αυτό έχει όχι ακόμη περιελάμβανε χωρική υπέρθεση.

Πώς μια συνάρτηση κύματος γίνεται πραγματική;

Αλλά πώς γίνεται η λειτουργία κυμάτων ένα «πραγματικό» αντικείμενο;

Αυτό ονομάζουν οι φυσικοί το «πρόβλημα κβαντικής μέτρησης». Έχει προβληματίσει τους επιστήμονες και τους φιλόσοφους για περίπου έναν αιώνα.

Εάν υπάρχει ένας μηχανισμός που αφαιρεί την πιθανότητα κβαντικής υπέρθεσης από αντικείμενα μεγάλης κλίμακας, θα απαιτούσε κάπως «διαταραχή» της λειτουργίας κύματος - και αυτό θα δημιουργούσε θερμότητα.

Εάν βρεθεί τέτοια θερμότητα, αυτό σημαίνει ότι η κβαντική υπέρθεση μεγάλης κλίμακας είναι αδύνατη. Εάν αποκλείεται αυτή η θερμότητα, τότε είναι πιθανό η φύση να μην πειράζει να «κβαντικό» σε οποιοδήποτε μέγεθος.

Εάν ισχύει το τελευταίο, με την προηγμένη τεχνολογία θα μπορούσαμε να βάλουμε μεγάλα αντικείμενα, ίσως ακόμη και αισθανόμενα όντα, σε κβαντικές καταστάσεις.

Αυτή είναι μια απεικόνιση ενός αντηχείου στην κβαντική υπέρθεση. Το κόκκινο κύμα αντιπροσωπεύει τη λειτουργία κύματος. Κρίστοφερ Μπέικερ, Συγγραφέας παρέχεται

Οι φυσικοί δεν γνωρίζουν πώς θα μπορούσε να μοιάζει ένας μηχανισμός που αποτρέπει τις κβαντικές υπερθέσεις μεγάλης κλίμακας. Σύμφωνα με ορισμένους, είναι ένα άγνωστο κοσμολογικό πεδίο. Οι υπολοιποι ύποπτος βαρύτητας θα μπορούσε να έχει κάτι να κάνει με αυτό.

Ο φετινός νικητής βραβείου Νόμπελ για τη φυσική, Roger Penrose, πιστεύει ότι θα μπορούσε να είναι συνέπεια του η συνείδηση ​​των ζωντανών όντων.

Κυνηγώντας μικροσκοπικές κινήσεις

Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, οι φυσικοί αναζητούν πυρετωδώς ένα ίχνος θερμότητας που θα έδειχνε μια διαταραχή στη λειτουργία των κυμάτων.

Για να το ανακαλύψουμε αυτό, θα χρειαστούμε μια μέθοδο που μπορεί να καταστείλει (όσο το δυνατόν τέλεια) όλες τις άλλες πηγές «υπερβολικής» θερμότητας που μπορεί να παρεμποδίσουν μια ακριβή μέτρηση.

Θα πρέπει επίσης να διατηρήσουμε ένα φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική «αδράνεια», στο οποίο η πράξη της παρατήρησης δημιουργεί θερμότητα.

Στην έρευνά μας, έχουμε διαμορφώσει ένα τέτοιο πείραμα, το οποίο θα μπορούσε να αποκαλύψει εάν η χωρική υπέρθεση είναι δυνατή για αντικείμενα μεγάλης κλίμακας. Το καλύτερο μέχρι τώρα πειράματα δεν μπόρεσαν να το επιτύχουν αυτό.

Βρίσκοντας την απάντηση με μικροσκοπικά δοκάρια που δονείται

Το πείραμά μας θα χρησιμοποιούσε αντηχεία σε πολύ υψηλότερες συχνότητες από ό, τι είχε χρησιμοποιηθεί. Αυτό θα αφαιρούσε το πρόβλημα της θερμότητας από το ίδιο το ψυγείο.

Όπως συνέβη σε προηγούμενα πειράματα, θα χρειαζόταν να χρησιμοποιήσουμε ψυγείο στους 0.01 βαθμούς kelvin πάνω από το απόλυτο μηδέν. (Το απόλυτο μηδέν είναι η χαμηλότερη θεωρητικά δυνατή θερμοκρασία).

Με αυτόν τον συνδυασμό πολύ χαμηλών θερμοκρασιών και πολύ υψηλών συχνοτήτων, οι δονήσεις στους αντηχείς υφίστανται μια διαδικασία που ονομάζεται «Bose συμπύκνωση».

Μπορείτε να το φανταστείτε ως αντηχείο που παγώνει τόσο σταθερά που η θερμότητα από το ψυγείο δεν μπορεί να το κουνάει, ούτε καν λίγο.

Θα χρησιμοποιούσαμε επίσης μια διαφορετική στρατηγική μέτρησης που δεν εξετάζει καθόλου την κίνηση του αντηχείου, αλλά την ποσότητα ενέργειας που έχει. Αυτή η μέθοδος θα καταστέλλει επίσης έντονα τη θερμότητα της αντίδρασης.

Πώς θα το κάνουμε όμως αυτό;

Μεμονωμένα σωματίδια φωτός θα μπήκαν στον αντηχείο και θα αναπηδήσουν μπρος-πίσω μερικά εκατομμύρια φορές, απορροφώντας τυχόν υπερβολική ενέργεια. Θα φύγουν τελικά από τον αντηχείο, μεταφέροντας την υπερβολική ενέργεια μακριά.

Μετρώντας την ενέργεια των σωματιδίων φωτός που βγαίνουν, μπορούμε να προσδιορίσουμε αν υπήρχε θερμότητα στον αντηχείο.

Εάν υπήρχε θερμότητα, αυτό θα σήμαινε ότι μια άγνωστη πηγή (για την οποία δεν ελέγχαμε) είχε διαταράξει τη λειτουργία των κυμάτων. Και αυτό θα σήμαινε ότι είναι αδύνατο να συμβεί υπέρθεση σε μεγάλη κλίμακα.

Είναι όλα κβαντικά;

Το πείραμα που προτείνουμε είναι προκλητικό. Δεν είναι αυτό που μπορείτε να ρυθμίσετε άνετα την Κυριακή το απόγευμα. Μπορεί να χρειαστούν χρόνια ανάπτυξης, εκατομμύρια δολάρια και μια ολόκληρη δέσμη εξειδικευμένων πειραματικών φυσικών.

Παρ 'όλα αυτά, θα μπορούσε να απαντήσει σε ένα από τα πιο συναρπαστικά ερωτήματα σχετικά με την πραγματικότητά μας: είναι όλα κβαντικά; Και έτσι, σίγουρα πιστεύουμε ότι αξίζει τον κόπο.

Όσον αφορά την τοποθέτηση ενός ανθρώπου, ή μιας γάτας, στην κβαντική υπέρθεση - δεν υπάρχει κανένας τρόπος να μάθουμε πώς αυτό θα επηρεάσει αυτό το ον.

Ευτυχώς, αυτή είναι μια ερώτηση που δεν χρειάζεται να σκεφτούμε, προς το παρόν.

Σχετικά με το Συγγραφέας

Stefan Forstner, μεταδιδακτορικός ερευνητής, Το Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.