Shutter

Was u al ooit op meer as een plek op dieselfde tyd? As u veel groter is as 'n atoom, sal die antwoord nee wees.

Maar atome en deeltjies word beheer deur die reëls van die kwantummeganika, waarin verskeie verskillende moontlike situasies gelyktydig kan bestaan.

Kwantumsisteme word bepaal deur 'n 'golffunksie': 'n wiskundige voorwerp wat die waarskynlikheid van hierdie verskillende moontlike situasies beskryf.

En hierdie verskillende moontlikhede kan in die golffunksie saamleef as 'n superposisie van verskillende toestande. Byvoorbeeld, 'n deeltjie wat op verskillende plekke gelyktydig bestaan, is wat ons 'ruimtelike superposisie' noem.

Dit is eers wanneer 'n meting uitgevoer word dat die golffunksie 'ineenstort' en die stelsel in 'n definitiewe toestand beland.

Oor die algemeen is kwantummeganika van toepassing op die klein wêreld van atome en deeltjies. Die jurie is nog steeds op soek na wat dit vir grootskaalse voorwerpe beteken.

In ons navorsing, vandag in Optica gepubliseer, stel ons 'n eksperiment voor wat hierdie netelige vraag eens en vir altyd kan oplos.

Erwin Schrödinger se kat

In die dertigerjare het die Oostenrykse fisikus Erwin Schrödinger met sy beroemde gedagte-eksperiment vorendag gekom oor 'n kat in 'n boks wat volgens die kwantummeganika tegelykertyd lewend en dood kon wees.

Daarin word 'n kat in 'n verseëlde boks geplaas waarin 'n ewekansige kwantumgebeurtenis die kans het om dit dood te maak 50–50. Totdat die boks oopgemaak word en die kat waargeneem word, is die kat albei dood en lewendig op dieselfde tyd.

Met ander woorde, die kat bestaan ​​as 'n golffunksie (met verskeie moontlikhede) voordat dit waargeneem word. As dit waargeneem word, word dit 'n besliste voorwerp.

{vembed Y = UpGO2kuQyZw}
Wat is Schrödinger's Cat?

Na veel debat het die wetenskaplike gemeenskap destyds konsensus bereik met die “Kopenhagen interpretasie”. Dit sê basies dat kwantummeganika slegs op atome en molekules van toepassing is, maar dat dit nie veel groter voorwerpe kan beskryf nie.

Dit blyk dat hulle verkeerd was.

In die afgelope twee dekades het fisici geskep het kwantumtoestande in voorwerpe gemaak van triljoene atome - groot genoeg om met die blote oog gesien te word. Alhoewel, dit het nog nie ruimtelike superposisie ingesluit.

Hoe word 'n golffunksie werklik?

Maar hoe word die golffunksie 'n "regte" voorwerp?

Dit is wat fisici die “kwantummetingsprobleem” noem. Dit verbaas wetenskaplikes en filosowe al ongeveer 'n eeu.

As daar 'n meganisme is wat die potensiaal vir kwantumsuperposisie van grootskaalse voorwerpe verwyder, sal die golffunksie op die een of ander manier "versteur" word - en dit sal hitte skep.

As sulke hitte gevind word, impliseer dit dat grootskaalse kwantasuperposisie onmoontlik is. As sulke hitte uitgesluit word, kan die natuur waarskynlik nie 'n kwantum hê nie.

As dit die geval is, kan ons met vooruitstrewende tegnologie groot voorwerpe plaas, miskien selfs lewende wesens, in kwantumtoestande.

Dit is 'n illustrasie van 'n resonator in kwantumsuperposisie. Die rooi golf stel die golffunksie voor. Christopher Baker, skrywer met dien verstande

Natuurkundiges weet nie hoe 'n meganisme wat grootskaalse kwantasuperposisies voorkom, sou lyk nie. Volgens sommige is dit 'n onbekende kosmologiese veld. ander vermoed swaartekrag kan iets daarmee te doen hê.

Vanjaar se Nobelpryswenner vir fisika, Roger Penrose, dink dit kan 'n gevolg wees van lewende wesens se bewussyn.

Miniscule bewegings najaag

Gedurende die afgelope dekade of so het fisici koorsagtig gesoek na 'n klein hoeveelheid hitte wat sou dui op 'n steuring in die golffunksie.

Om dit uit te vind, het ons 'n metode nodig wat alle ander bronne van 'oortollige' hitte wat in die pad van 'n akkurate meting kan voorkom, kan onderdruk (so perfek as moontlik).

Ons moet ook 'n effek genaamd kwantum "backaction" in toom hou waarin die waarneming van homself hitte skep.

In ons navorsing het ons so 'n eksperiment geformuleer wat kan toon of ruimtelike superposisie moontlik is vir grootskaalse voorwerpe. Die beste eksperimente tot dusver kon dit nie bereik nie.

Vind die antwoord met klein balke wat vibreer

Ons eksperiment gebruik resonators met baie hoër frekwensies as wat gebruik is. Dit sal die hitte uit die yskas self verwyder.

Soos in vorige eksperimente die geval was, moet ons 'n yskas van 0.01 grade kelvin bo absolute nul gebruik. (Absolute nul is die laagste temperatuur teoreties moontlik).

Met hierdie kombinasie van baie lae temperature en baie hoë frekwensies, ondergaan vibrasies in die resonators 'n proses genaamd "Bose-kondensasie".

U kan dit voorstel as die resonator so vasgevries raak dat die hitte uit die yskas dit nie kan laat wikkel nie, nie eers 'n bietjie nie.

Ons gebruik ook 'n ander meetstrategie wat glad nie na die resonator se beweging kyk nie, maar eerder na die hoeveelheid energie wat dit het. Hierdie metode sal ook die hitte van die rugaksie sterk onderdruk.

Maar hoe sou ons dit doen?

Enkele deeltjies lig sal die resonator binnedring en 'n paar miljoen keer heen en weer spring en absorbeer enige oortollige energie. Uiteindelik sou hulle die resonator verlaat en die oortollige energie wegneem.

Deur die energie van die ligdeeltjies wat uitkom, te meet, kon ons bepaal of daar hitte in die resonator was.

As daar hitte aanwesig was, sou dit dui op 'n onbekende bron (waarvoor ons nie beheer het nie) die golffunksie versteur het. En dit sou beteken dat die superposisie op groot skaal onmoontlik kan wees.

Is alles kwantum?

Die eksperiment wat ons voorstel, is uitdagend. Dit is nie die soort ding wat u op 'n Sondagmiddag gemaklik kan opstel nie. Dit kan jare se ontwikkeling neem, miljoene dollars en 'n hele klomp bekwame eksperimentele fisici.

Dit kan nietemin een van die mees fassinerende vrae oor ons werklikheid beantwoord: is alles kwantum? En so, ons dink beslis dat dit die moeite werd is.

Wat 'n mens of kat in kwantum-superposisie plaas, is daar geen manier vir ons om te weet hoe dit daardie wese sal beïnvloed nie.

Gelukkig is dit vir eers 'n vraag waaraan ons nie hoef te dink nie.

Oor die skrywer

Stefan Forstner, nadoktorale navorsingsgenoot, Die Universiteit van Queensland

Hierdie artikel is gepubliseer vanaf Die gesprek onder 'n Creative Commons lisensie. Lees die oorspronklike artikel.