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.
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.
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.
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.
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.
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.
Математика, которую Альберт Эйнштейн разработал для описания гравитационного механизма физической Вселенной в начале 20 века,…
В последние годы астрономы разработали методы измерения содержания металлов в звездах с чрезвычайной точностью. Обладая…
Какими бы эффективными ни были электронные системы хранения данных, они не имеют ничего общего с…
В 1896 году немецкий химик Эмиль Фишер заметил нечто очень странное в молекуле под названием…
Если вам посчастливилось наблюдать полное затмение, вы наверняка помните ореол яркого света вокруг Луны во…
В ранней Вселенной, задолго до того, как они успели вырасти, астрономы обнаружили то, что они…
Просмотреть комментарии
Человек бессмертен! Он энергетическое существо в состоянии квантовой суперпозиции и квантовой запутанности в фазе корпускулы. А в фазе волны он энергетический импульс. Создан он из воды и микроэлементов и является частью всего энергетического мироздания и находится внутри него. У человека в силу его энергетических особенностей есть возможность получать информацию из параллельных миров прошлого, настоящего и будущего. Этой возможностью пользуются все, но только некоторые пользуются ею осознанно, а остальные только на уровне подсознания.
Всё просто. Квантовая суперпозиция - это когда элементарные частицы-кванты (электрон, нейтрон, протон, фотон и т.д.) находятся в состоянии волны сразу во всём пространстве одновременно до того момента пока мы не наблюдаем их. Как только мы обратили на них наше внимание они сразу же (быстрее скорости света) становятся частицами и именно в той точке пространства, в которой мы подсознательно предполагали их обнаружить. То есть они являются и волной и частицей одновременно пока мы их не наблюдаем. Это наглядно описывает мысленный опыт с котом Шредингера, когда кот в ящике и жив и мёртв одновременно до тех пор, пока мы не откроем ящик и не увидим его состояние. Это сложно принять к осознанию, но это именно так и есть. То есть пространство, которое мы не наблюдаем, к примеру, за нашей спиной, находится в состоянии волновой структуры... там нет ни домов, ни деревьев нет ничего кроме квантовых волн... Как только мы поворачиваем голову, волновые кванты мгновенно становятся частицами и, выстраиваясь в дисковые многогранники, образуют атомы, молекулы, привычную, нам материю и становятся домами и деревьями именно так, как мы подсознательно ожидаем это увидеть. Энергия нашего сознания структурирует пространство.
Корпускулярно-волновой дуализм и принцип суперпозиции предполагает, что это возможно. Тут только вопрос уровней, на котором находится материя.
Говоря проще наш мир - это энергетический туман или шаровая молния, если на него будет смотреть сторонний наблюдатель. И только после его наблюдения волновая структура меняется на корпускулярную, но его же возможности не безграничны, следовательно, он не увидит больше того, что позволяет ему его контрольно-измерительная аппаратура.
Ночью я сплю и путешествую во сне: взбирался на горы, срывался, объяснялся в любви, видел друзей, спускался в шахту, находил потрясающие минералы, плавал, видел удивительный закат, попадал в тупик туннеля, не мог ответить на вопрос декана.
В яви: когда меня обнимал Зав отделением техникума в столовой, или любимая соглашалась на всю жизнь быть со мной, когда я первоклассник нес домой первую награду, или я сидел в шахте г. Берёзовского и видел, что я техник маркшейдер решил задачу, на которой споткнулись не менее пяти горных инженеров. Я всегда был на седьмом небе.