Shutterstock

Har du nogensinde været på mere end et sted på samme tid? Hvis du er meget større end et atom, vil svaret være nej.

Men atomer og partikler styres af kvantemekanikens regler, hvor flere forskellige mulige situationer kan eksistere samtidig.

Kvantesystemer styres af det, der kaldes en "bølgefunktion": et matematisk objekt, der beskriver sandsynligheden for disse forskellige mulige situationer.

Og disse forskellige muligheder kan eksistere sammen i bølgefunktionen som det, der kaldes en "superposition" af forskellige tilstande. For eksempel er en partikel, der findes flere forskellige steder på én gang, det, vi kalder "rumlig superposition".

Det er først, når en måling udføres, at bølgefunktionen "kollapser", og systemet ender i en bestemt tilstand.

Generelt gælder kvantemekanik for den lille verden af ​​atomer og partikler. Juryen er stadig ude på, hvad det betyder for store objekter.

I vores forskning offentliggjort i dag i Optica, foreslår vi et eksperiment, der kan løse dette tornede spørgsmål en gang for alle.

Erwin Schrödingers kat

I 1930'erne kom den østrigske fysiker Erwin Schrödinger med sit berømte tankeeksperiment om en kat i en kasse, der ifølge kvantemekanikken kunne være i live og død på samme tid.

I den placeres en kat i en forseglet kasse, hvor en tilfældig kvantebegivenhed har en 50-50 chance for at dræbe den. Indtil kassen åbnes, og katten observeres, er katten begge død , i live på samme tid.

Med andre ord eksisterer katten som en bølgefunktion (med flere muligheder), før den observeres. Når det observeres, bliver det et bestemt objekt.

{vembed Y=UpGO2kuQyZw}
Hvad er Schrödingers kat?

Efter megen debat nåede det videnskabelige samfund på det tidspunkt til enighed med "Københavns fortolkning”. Dette siger grundlæggende kvantemekanik kan kun gælde for atomer og molekyler, men kan ikke beskrive meget større objekter.

Det viser sig, at de tog fejl.

I de sidste to årtier eller deromkring, fysikere har oprettet kvantetilstande i genstande lavet af billioner atomer - stor nok til at blive set med det blotte øje. Selvom dette har endnu inkluderet rumlig superposition.

Hvordan bliver en bølgefunktion reel?

Men hvordan bliver bølgefunktionen til et “rigtigt” objekt?

Dette er hvad fysikere kalder "kvantemålingsproblemet". Det har forundret forskere og filosoffer i omkring et århundrede.

Hvis der er en mekanisme, der fjerner potentialet for kvantesuperposition fra store objekter, ville det på en eller anden måde kræve at "forstyrre" bølgefunktionen - og dette ville skabe varme.

Hvis en sådan varme findes, betyder det, at kvantesuperposition i stor skala er umulig. Hvis sådan varme er udelukket, er det sandsynligt, at naturen ikke har noget imod at være ”kvante” i nogen størrelse.

Hvis sidstnævnte er tilfældet, kan vi med avanceret teknologi lægge store genstande, måske endda væsener, i kvantetilstande.

Dette er en illustration af en resonator i kvanteoverlejring. Den røde bølge repræsenterer bølgefunktionen. Christopher Baker, Forfatter leveret

Fysikere ved ikke, hvordan en mekanisme, der forhindrer store kvantesuperpositioner, ville se ud. Ifølge nogle er det en ukendt kosmologisk felt. Andre mistanke om tyngdekraft kunne have noget at gøre med det.

Årets nobelprisvinder i fysik, Roger Penrose, mener, det kan være en konsekvens af levende væseners bevidsthed.

Jager miniscule bevægelser

I løbet af det sidste årti eller deromkring har fysikere feberisk søgt efter en spormængde af varme, der kan indikere en forstyrrelse i bølgefunktionen.

For at finde ud af dette har vi brug for en metode, der kan (så perfekt som muligt) undertrykke alle andre kilder til "overskydende" varme, der kan komme i vejen for en nøjagtig måling.

Vi bliver også nødt til at holde en effekt kaldet quantum “backaction” i skak, hvor handlingen med at observere sig selv skaber varme.

I vores forskning har vi formuleret et sådant eksperiment, der kunne afsløre, om rumlig superposition er mulig for store objekter. Det bedste eksperimenter hidtil har ikke været i stand til at opnå dette.

Find svaret med små bjælker, der vibrerer

Vores eksperiment ville bruge resonatorer ved meget højere frekvenser, end der er blevet brugt. Dette ville fjerne problemet med al varme fra selve køleskabet.

Som det var tilfældet i tidligere eksperimenter, skulle vi bruge et køleskab ved 0.01 grader kelvin over absolut nul. (Absolut nul er den laveste temperatur teoretisk muligt).

Med denne kombination af meget lave temperaturer og meget høje frekvenser gennemgår vibrationer i resonatorerne en proces kaldet "Bose-kondens".

Du kan forestille dig dette, da resonatoren bliver så solidfrossen, at varmen fra køleskabet ikke kan svinge det, ikke engang en smule.

Vi vil også bruge en anden målestrategi, der slet ikke ser på resonatorens bevægelse, men snarere den mængde energi, den har. Denne metode vil også kraftigt undertrykke backaction-varme.

Men hvordan ville vi gøre dette?

Enkeltpartikler af lys ville komme ind i resonatoren og hoppe frem og tilbage et par millioner gange og absorbere overskydende energi. De ville til sidst forlade resonatoren og bære den overskydende energi væk.

Ved at måle energien af ​​de lyspartikler, der kommer ud, kunne vi bestemme, om der var varme i resonatoren.

Hvis varme var til stede, ville dette indikere, at en ukendt kilde (som vi ikke kontrollerede for) havde forstyrret bølgefunktionen. Og dette ville betyde, at det er umuligt for superposition at ske i stor skala.

Er alt kvante?

Det eksperiment, vi foreslår, er udfordrende. Det er ikke den slags ting, du kan afslappet oprette en søndag eftermiddag. Det kan tage mange års udvikling, millioner af dollars og en hel masse dygtige eksperimentelle fysikere.

Ikke desto mindre kunne det besvare et af de mest fascinerende spørgsmål om vores virkelighed: er alt kvantum? Og så synes vi bestemt det er værd at gøre.

Hvad angår at sætte et menneske eller en kat i kvanteoverlejring - er der virkelig ingen måde for os at vide, hvordan dette ville påvirke det væsen.

Heldigvis er dette et spørgsmål, vi ikke behøver at tænke over, indtil videre.

Om forfatteren

Stefan Forstner, postdoktor, University of Queensland

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.