Shutterstock

Adakah anda pernah berada di lebih dari satu tempat pada masa yang sama? Sekiranya anda jauh lebih besar daripada atom, jawapannya adalah tidak.

Tetapi atom dan zarah diatur oleh peraturan mekanik kuantum, di mana beberapa situasi yang berbeza dapat wujud bersamaan.

Sistem kuantum dikuasai oleh apa yang disebut "fungsi gelombang": objek matematik yang menerangkan kebarangkalian berlainan kemungkinan situasi ini.

Dan kemungkinan yang berbeza ini dapat wujud dalam fungsi gelombang sebagai apa yang disebut "superposisi" dari keadaan yang berbeza. Sebagai contoh, zarah yang ada di beberapa tempat yang berbeza sekaligus adalah apa yang kita panggil "spasial superposition".

Hanya apabila pengukuran dilakukan, fungsi gelombang "runtuh" ​​dan sistem berakhir dalam satu keadaan yang pasti.

Secara amnya, mekanik kuantum berlaku untuk dunia atom dan zarah kecil. Juri masih belum mengetahui maksudnya untuk objek berskala besar.

Dalam penyelidikan kami, diterbitkan hari ini di Optica, kami mencadangkan percubaan yang dapat menyelesaikan persoalan berduri ini untuk selamanya.

Kucing Erwin Schrödinger

Pada tahun 1930-an, ahli fizik Austria Erwin Schrödinger membuat percubaan pemikirannya yang terkenal mengenai kucing di dalam kotak yang, menurut mekanik kuantum, dapat hidup dan mati pada masa yang sama.

Di dalamnya, kucing diletakkan di dalam kotak tertutup di mana peristiwa kuantum rawak mempunyai peluang 50-50 untuk membunuhnya. Sehingga kotak itu dibuka dan kucing diperhatikan, kucing itu mati and hidup pada masa yang sama.

Dengan kata lain, kucing wujud sebagai fungsi gelombang (dengan pelbagai kemungkinan) sebelum ia diperhatikan. Apabila diperhatikan, ia menjadi objek yang pasti.

{vembed Y = UpGO2kuQyZw}
Apa itu Kucing Schrödinger's?

Setelah banyak perbahasan, masyarakat ilmiah pada masa itu mencapai kata sepakat dengan “Tafsiran Copenhagen" Ini pada dasarnya mengatakan mekanika kuantum hanya dapat berlaku pada atom dan molekul, tetapi tidak dapat menggambarkan objek yang jauh lebih besar.

Ternyata mereka salah.

Dalam dua dekad yang lalu, ahli fizik telah mencipta kuantum menyatakan dalam objek yang diperbuat daripada trilion atom - cukup besar untuk dilihat dengan mata kasar. Walaupun, ini mempunyai belum termasuk superposisi spatial.

Bagaimana fungsi gelombang menjadi nyata?

Tetapi bagaimana fungsi gelombang menjadi objek "nyata"?

Inilah yang disebut oleh ahli fizik sebagai "masalah pengukuran kuantum". Ini telah membingungkan para saintis dan ahli falsafah selama sekitar satu abad.

Sekiranya ada mekanisme yang menghilangkan potensi superposisi kuantum dari objek berskala besar, ia memerlukan "mengganggu" fungsi gelombang - dan ini akan menimbulkan panas.

Sekiranya haba seperti itu dijumpai, ini bermaksud superposisi kuantum berskala besar adalah mustahil. Sekiranya panas seperti itu dikesampingkan, maka kemungkinan alam tidak keberatan "menjadi kuantum" pada ukuran apa pun.

Sekiranya yang terakhir berlaku, dengan teknologi maju kita dapat meletakkan objek besar, mungkin juga makhluk hidup, ke keadaan kuantum.

Ini adalah gambaran mengenai resonator dalam superposisi kuantum. Gelombang merah mewakili fungsi gelombang. Christopher Baker, Pengarang disediakan

Ahli fizik tidak tahu seperti apa mekanisme yang menghalang penampakan kuantum skala besar. Menurut beberapa, ia adalah bidang kosmologi yang tidak diketahui. Lain-lain mengesyaki graviti boleh ada kaitan dengannya.

Pemenang Hadiah Nobel Fizik tahun ini, Roger Penrose, berpendapat bahawa ia boleh menjadi akibatnya kesedaran makhluk hidup.

Mengejar pergerakan miniscule

Selama lebih dari satu dekad yang lalu, ahli fizik dengan cepat mencari sejumlah panas yang akan menunjukkan gangguan dalam fungsi gelombang.

Untuk mengetahuinya, kami memerlukan kaedah yang dapat menekan (sesempurna mungkin) semua sumber haba "berlebihan" lain yang mungkin menghalangi pengukuran yang tepat.

Kita juga perlu memastikan kesan yang disebut "backaction" kuantum, di mana tindakan memerhatikan dirinya sendiri menghasilkan panas.

Dalam penyelidikan kami, kami telah merumuskan eksperimen semacam itu, yang dapat menunjukkan apakah superposisi spasial dapat dilakukan untuk objek berskala besar. Yang terbaik eksperimen setakat ini belum dapat mencapai ini.

Mencari jawapan dengan pancaran kecil yang bergetar

Eksperimen kami akan menggunakan resonator pada frekuensi yang jauh lebih tinggi daripada yang pernah digunakan. Ini akan menghilangkan masalah panas dari peti sejuk itu sendiri.

Seperti yang berlaku dalam eksperimen sebelumnya, kita perlu menggunakan peti sejuk pada suhu 0.01 darjah kelvin di atas sifar mutlak. (Absoloute zero adalah suhu terendah secara teori).

Dengan gabungan suhu yang sangat rendah dan frekuensi yang sangat tinggi, getaran pada resonator mengalami proses yang disebut "Bose condensation".

Anda dapat membayangkannya sebagai resonator menjadi beku dengan kuat sehingga panas dari peti sejuk tidak dapat menggoyangkannya, sedikit pun.

Kami juga akan menggunakan strategi pengukuran yang berbeda yang sama sekali tidak melihat pergerakan resonator, melainkan jumlah tenaga yang dimilikinya. Kaedah ini juga akan menahan panas backaction.

Tetapi bagaimana kita melakukan ini?

Zarah-zarah cahaya tunggal akan memasuki resonator dan melantun bolak-balik beberapa juta kali, menyerap lebihan tenaga. Mereka akhirnya akan meninggalkan resonator, membawa lebihan tenaga.

Dengan mengukur tenaga zarah-zarah cahaya yang keluar, kita dapat menentukan apakah ada panas di resonator.

Sekiranya panas berlaku, ini akan menunjukkan sumber yang tidak diketahui (yang tidak kita kendalikan) telah mengganggu fungsi gelombang. Dan ini bermaksud mustahil superposisi berlaku secara besar-besaran.

Adakah semuanya kuantum?

Percubaan yang kami cadangkan adalah mencabar. Ini bukan perkara yang boleh anda aturkan secara santai pada petang Ahad. Mungkin memerlukan bertahun-tahun pembangunan, berjuta-juta dolar dan sejumlah besar ahli fizik eksperimen mahir.

Walaupun begitu, ia dapat menjawab salah satu soalan paling menarik mengenai realiti kita: adakah semuanya kuantum? Oleh itu, kita pasti menganggap usaha ini wajar.

Untuk meletakkan manusia, atau kucing, ke dalam superposisi kuantum - sebenarnya tidak ada cara bagi kita untuk mengetahui bagaimana ini akan mempengaruhi makhluk itu.

Nasib baik, ini adalah soalan yang tidak perlu kita fikirkan buat masa ini.

Mengenai Penulis

Stefan Forstner, Felo Penyelidik Pasca Doktoral, Universiti Queensland

Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.