Kunne Schrödingers kat eksistere i det virkelige liv? Vores forskning kan snart give svaret

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

Men atomer og partikler er styret af kvantemekanikkens regler, hvor flere forskellige mulige situationer kan eksistere samtidig.

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

Og disse forskellige muligheder kan eksistere side om side i bølgefunktionen som det, man kalder en "superposition" af forskellige tilstande. For eksempel, en partikel, der eksisterer flere forskellige steder på én gang, er det, vi kalder "spatial superposition".

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

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

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

Erwin Schrödingers kat

I 1930'erne, Den østrigske fysiker Erwin Schrödinger kom med sit berømte tankeeksperiment om en kat i en æske, som ifølge kvantemekanikken, kunne være levende og død på samme tid.

I det, en kat placeres i en forseglet boks, hvor en tilfældig kvantebegivenhed har 50-50 chancer for at dræbe den. Indtil kassen åbnes og katten observeres, katten er begge døde og levende på samme tid.

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

Efter megen debat, det daværende videnskabelige samfund nåede til konsensus med "Københavnerfortolkningen". Dette siger grundlæggende, at kvantemekanik kun kan gælde for atomer og molekyler, men kan ikke beskrive meget større objekter.

Det viste sig, at de tog fejl.

I de sidste to årtier eller deromkring, fysikere har skabt kvantetilstande i objekter lavet af billioner af atomer - store nok til at kunne ses med det blotte øje. Selvom, dette har ikke endnu inkluderet rumlig superposition.

Hvordan bliver en bølgefunktion virkelig?

Men hvordan bliver bølgefunktionen til et "rigtigt" objekt?

Det er det, fysikere kalder "kvantemålingsproblemet". Det har undret videnskabsmænd og filosoffer i omkring et århundrede.

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

Hvis en sådan varme findes, dette indebærer, at storstilet kvantesuperposition er umulig. Hvis sådan varme udelukkes, så er det sandsynligt, at naturen ikke har noget imod at "være kvante" uanset størrelse.

Hvis det sidste er tilfældet, med avanceret teknologi kunne vi sætte store genstande, måske endda følende væsener, ind i kvantetilstande.

Fysikere ved ikke, hvordan en mekanisme, der forhindrer storskala kvantesuperpositioner, ville se ud. Ifølge nogle, det er et ukendt kosmologisk felt. Andre formoder, at tyngdekraften kan have noget at gøre med det.

Dette års nobelprisvinder i fysik, Roger Penrose, tror det kan være en konsekvens af levende væseners bevidsthed.

Jagter små bevægelser

I løbet af det seneste årti eller deromkring, fysikere har febrilsk ledt efter en spormængde af varme, som tyder på en forstyrrelse i bølgefunktionen.

For at finde ud af dette, vi har brug for en metode, der kan undertrykke (så perfekt som muligt) 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 kvante "tilbageaktion" i skak, hvor handlingen med at observere sig selv skaber varme.

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

At finde svaret med små stråler, der vibrerer

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

Som det var tilfældet i tidligere forsøg, vi skal bruge et køleskab ved 0,01 grader kelvin over det absolutte nulpunkt. (Absolut nul er den lavest teoretisk mulige temperatur).

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

Du kan forestille dig dette som at resonatoren bliver så solidt frossen, at varme fra køleskabet ikke kan vrikke den, ikke engang en smule.

Vi ville også bruge en anden målestrategi, der slet ikke ser på resonatorens bevægelse, men derimod mængden af ​​energi, den har. Denne metode vil kraftigt undertrykke tilbagevirkende varme, også.

Men hvordan ville vi gøre dette?

Enkelte partikler af lys ville trænge ind i resonatoren og hoppe frem og tilbage et par millioner gange, absorberer overskydende energi. De ville til sidst forlade resonatoren, transporterer den overskydende energi væk.

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

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

Er alt kvante?

Eksperimentet, vi foreslår, er udfordrende. Det er ikke sådan noget, man tilfældigt kan sætte op en søndag eftermiddag. Det kan tage år med udvikling, millioner af dollars og en hel flok dygtige eksperimentelle fysikere.

Ikke desto mindre, det kunne besvare et af de mest fascinerende spørgsmål om vores virkelighed:er alt kvante? Også, vi synes bestemt, det er besværet værd.

Med hensyn til at sætte et menneske, eller kat, ind i kvantesuperposition – der er virkelig ingen måde for os at vide, hvordan dette ville påvirke det væsen.

Heldigvis dette er et spørgsmål, vi ikke behøver at tænke på, for nu.

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