Может ли кот Шредингера существовать в реальной жизни? Скоро физики узнают это

Вы когда-нибудь были в более чем одном месте одновременно? Если вы намного больше атома, ответ будет отрицательным.

Но атомы и частицы подчиняются правилам квантовой механики, в которой одновременно могут сосуществовать несколько различных возможных ситуаций.

Квантовыми системами управляет так называемая «волновая функция»: математический объект, который описывает вероятности различных возможных ситуаций.

И различные возможности могут сосуществовать в волновой функции как так называемая «суперпозиция» различных состояний. Например, частица, существующая одновременно в нескольких разных местах, называется «пространственной суперпозицией».

Только при проведении измерения волновая функция «схлопывается», и система оказывается в одном определенном состоянии.

В нашем исследовании, опубликованном на этой неделе в Optica, мы предлагаем эксперимент, который может дать ответ на  этот острый вопрос раз и навсегда.

Кот Эрвина Шредингера.

В 1930-х годах австрийский физик Эрвин Шрёдингер провел свой знаменитый мысленный эксперимент с котом в коробке, который, согласно квантовой механике, мог быть живым и мертвым одновременно.

В нем кот помещается в запечатанный ящик, в котором случайное квантовое событие имеет 50–50 шансов убить его. Пока ящик не будет открыт и за котом не наблюдают, кот одновременно мертв и жив.

Другими словами, кот существует как волновая функция (с множеством возможностей) до того, как ее заметят. Когда его наблюдают, он становится определенным объектом.

После долгих дебатов научное сообщество в то время пришло к консенсусу с «копенгагенской интерпретацией». По сути, это говорит о том, что квантовая механика применима только к атомам и молекулам, но не может описывать гораздо более крупные объекты.

Оказывается, они ошибались.

Примерно за последние два десятилетия физики создали квантовые состояния в объектах, состоящих из триллионов атомов — достаточно больших, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Хотя это еще не включало пространственную суперпозицию.

Как волновая функция становится реальной?

Но как волновая функция становится «реальным» объектом?

Это то, что физики называют «проблемой квантового измерения». Это озадачивает ученых и философов около века.

Если существует механизм, который устраняет возможность квантовой суперпозиции из крупномасштабных объектов, он потребует как-то «нарушить» волновую функцию — и это приведет к возникновению тепла.

Если такое тепло обнаружено, это означает, что крупномасштабная квантовая суперпозиция невозможна. Если такое тепло исключено, то, вероятно, природа не против «быть квантовой» при любом размере.

В последнем случае с развитием технологий мы могли бы переводить большие объекты, возможно, даже живых существ, в квантовые состояния.

Физики не знают, как мог бы выглядеть механизм, предотвращающий крупномасштабные квантовые суперпозиции. По некоторым данным, это неизвестное космологическое поле. Другие подозревают, что гравитация может иметь какое-то отношение к этому.

Погоня за крохотными движениями.

В течение последнего десятилетия физики лихорадочно искали следы тепла, которые указывали бы на нарушение волновой функции.

Чтобы выяснить это, нам понадобится метод, который может подавить (насколько это возможно) все другие источники «избыточного» тепла, мешающие точному измерению.

Нам также нужно будет контролировать эффект, называемый квантовым «обратным действием», в котором акт наблюдения создает тепло.

В нашем исследовании мы сформулировали такой эксперимент, который мог бы показать, возможна ли пространственная суперпозиция для крупномасштабных объектов. Лучшие эксперименты до сих пор не смогли добиться этого.

Поиск ответа с помощью крошечных вибрирующих лучей.

В нашем эксперименте будут использоваться резонаторы на гораздо более высоких частотах, чем раньше. Это устранит проблему перегрева.

Как и в предыдущих экспериментах, нам нужно будет использовать холодильник при температуре 0,01 градуса Кельвина выше абсолютного нуля. (Абсолютный ноль — это теоретически возможная самая низкая температура).

При таком сочетании очень низких температур и очень высоких частот колебания в резонаторах претерпевают процесс, называемый «бозе-конденсацией».

Вы можете представить это как замораживание резонатора настолько сильно, что тепло от холодильника не может его пошевелить, даже немного.

Мы также могли бы использовать другую стратегию измерения, которая вообще не учитывает движение резонатора, а скорее количество энергии, которое он имеет. Этот метод также сильно подавляет тепло обратного действия.

Но как нам это сделать?

Одиночные частицы света попадают в резонатор и отскакивают назад и вперед несколько миллионов раз, поглощая любую избыточную энергию. В конечном итоге они покидали резонатор, унося лишнюю энергию.

Измеряя энергию исходящих легких частиц, мы могли определить, есть ли тепло в резонаторе.

Если тепло присутствовало, это означало бы, что неизвестный источник (который мы не контролировали) нарушил волновую функцию. А это означало бы, что суперпозиция невозможна в больших масштабах.

Все квантово?

Предлагаемый нами эксперимент сложен. Могут потребоваться годы разработки, миллионы долларов и куча физиков-экспериментаторов.

Тем не менее, он может ответить на один из самых интересных вопросов о нашей реальности: все ли квантово? И поэтому мы, безусловно, думаем, что это того стоит.

Что касается помещения человека или кошки в квантовую суперпозицию — у нас действительно нет способа узнать, как это повлияет на это существо.

К счастью, это вопрос, о котором нам пока не нужно думать.

Стефан Форстнер, научный сотрудник, докторская степень, Квинслендский университет.

Статья опубликована в The Conversation.