Eksperiment kunne teste kvantenaturen af ​​store masser for første gang

Et eksperiment skitseret af et UCL (University College London)-ledet hold af forskere fra Storbritannien og Indien kunne teste, om relativt store masser har en kvantenatur, hvilket løser spørgsmålet om, hvorvidt kvantemekanisk beskrivelse fungerer i meget større skala end partiklers. og atomer.

Kvanteteori ses typisk som en beskrivelse af naturen i de mindste skalaer, og kvanteeffekter er ikke blevet observeret i et laboratorium for objekter, der er mere massive end omkring en kvintilliontedel af et gram, eller mere præcist 10 ^-20 g.

Det nye eksperiment, beskrevet i et papir offentliggjort i Physical Review Letters og at involvere forskere ved UCL, University of Southampton og Bose Institute i Kolkata, Indien, kunne i princippet teste et objekts kvantegrad uanset dets masse eller energi.

Det foreslåede eksperiment udnytter kvantemekanikkens princip om, at måling af et objekt kan ændre dets natur. (Begrebet måling omfatter enhver interaktion mellem objektet og en sonde – for eksempel hvis lys skinner på det, eller hvis det udsender lys eller varme).

Forsøget fokuserer på et pendullignende objekt, der svinger som en kugle på en snor. Et lys skinner på halvdelen af ​​oscillationsområdet, hvilket afslører information om objektets placering (dvs. hvis spredt lys ikke observeres, kan det konkluderes, at objektet ikke er i den halvdel). Et andet lys skinner, der viser placeringen af ​​objektet længere henne på dens gynge.

Hvis objektet er kvante, vil den første måling (det første lysglimt) forstyrre dets vej (ved måleinduceret kollaps - en egenskab, der er iboende til kvantemekanikken), hvilket ændrer sandsynligheden for, hvor det vil være ved det andet lysglimt, hvorimod hvis det er klassisk, så vil observationshandlingen ikke gøre nogen forskel. Forskere kan derefter sammenligne scenarier, hvor de lyser to gange med et lys, hvor kun det andet lysglimt forekommer for at se, om der er forskel i objektets endelige fordeling.

Hovedforfatter Dr. Debarshi Das (UCL Physics &Astronomy og Royal Society) sagde:"En menneskemængde ved en fodboldkamp kan ikke påvirke spillets resultat blot ved at stirre stærkt. Men med kvantemekanik ændres selve observations- eller målingshandlingen. systemet."

"Vores foreslåede eksperiment kan teste, om et objekt er klassisk eller kvante, ved at se, om en observationshandling kan føre til en ændring i dens bevægelse."

Forslaget, siger forskerne, kunne implementeres med nuværende teknologier ved hjælp af nanokrystaller eller i princippet endda ved hjælp af spejle ved LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) i USA, som har en effektiv masse på 10 kg.

De fire LIGO-spejle, som hver vejer 40 kg, men tilsammen vibrerer, som om de var et enkelt objekt på 10 kg, er allerede blevet afkølet til den minimale energitilstand (en brøkdel over det absolutte nul), som ville være påkrævet i ethvert eksperiment, der søger at detektere kvanteadfærd .

Seniorforfatter Professor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy) sagde:"Vores skema har brede konceptuelle implikationer. Det kunne teste, om relativt store objekter har bestemte egenskaber, dvs. deres egenskaber er reelle, selv når vi ikke måler dem. Det kunne udvide kvantemekanikkens domæne og undersøge, om denne fundamentale naturteori kun er gyldig i bestemte skalaer, eller om den også gælder for større masser.

"Hvis vi ikke støder på en massegrænse for kvantemekanikken, gør dette stadig mere akut problemet med at forsøge at forene kvanteteorien med virkeligheden, som vi oplever den."

I kvantemekanikken har objekter ikke bestemte egenskaber, før de observeres eller interagerer med deres omgivelser. Før observation eksisterer de ikke på et bestemt sted, men kan være to steder på én gang (en tilstand af superposition). Dette førte til Einsteins bemærkning:"Er månen der, når ingen ser på den?"

Kvantemekanik kan virke i modstrid med vores oplevelse af virkeligheden, men dens indsigt har hjulpet udviklingen af ​​computere, smartphones, bredbånd, GPS og magnetisk resonansbilleddannelse.

De fleste fysikere mener, at kvantemekanikken gælder i større skalaer, men at den blot er sværere at observere på grund af den isolation, der kræves for at bevare en kvantetilstand. For at detektere kvanteadfærd i et objekt skal dets temperatur eller vibrationer reduceres til dets lavest mulige niveau (dets grundtilstand), og det skal være i et vakuum, så næsten ingen atomer interagerer med det. Det er fordi en kvantetilstand vil kollapse, en proces kaldet dekohærens, hvis objektet interagerer med dets miljø.

Det nye foreslåede eksperiment er en udvikling af en tidligere kvantetest udtænkt af professor Bose og kolleger i 2018. Et projekt, der skal udføre et eksperiment ved hjælp af denne metode, som vil teste kvantenaturen af ​​en nanokrystal, der tæller en milliard atomer, er allerede i gang, ledet. af University of Southampton.

Det projekt sigter allerede mod et spring i form af masse, med tidligere forsøg på at teste kvantenaturen af ​​et makroskopisk objekt begrænset til hundredtusindvis af atomer. Den nyligt offentliggjorte ordning kunne i mellemtiden opnås med nuværende teknologier ved hjælp af en nanokrystal med billioner af atomer.

Flere oplysninger: Debarshi Das et al., Mass-Independent Scheme to Test Quantumness of a Massive Object, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.030202

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af University College London