Shutterstock

Aynı anda birden fazla yerde bulundun mu? Bir atomdan çok daha büyükseniz, cevap hayır olacaktır.

Ancak atomlar ve parçacıklar, birkaç farklı olası durumun aynı anda bir arada var olabileceği kuantum mekaniğinin kuralları tarafından yönetilir.

Kuantum sistemleri, "dalga fonksiyonu" denen şey tarafından yönetilir: bu farklı olası durumların olasılıklarını tanımlayan matematiksel bir nesne.

Ve bu farklı olasılıklar, farklı durumların "süperpozisyonu" olarak adlandırılan dalga işlevinde bir arada var olabilir. Örneğin, aynı anda birkaç farklı yerde var olan bir parçacık, "uzamsal süperpozisyon" dediğimiz şeydir.

Sadece bir ölçüm yapıldığında dalga fonksiyonu "çöktü" ve sistem belirli bir durumda sona erer.

Genel olarak kuantum mekaniği, atomların ve parçacıkların küçük dünyasına uygulanır. Jüri, bunun büyük ölçekli nesneler için ne anlama geldiğine hala karar vermiş durumda.

Araştırmamızda bugün Optica'da yayınlandı, bu çetrefilli soruyu kesin olarak çözebilecek bir deney öneriyoruz.

Erwin Schrödinger'in kedisi

1930'larda Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, kuantum mekaniğine göre aynı anda hem canlı hem de ölü olabilecek bir kutudaki kedi hakkındaki ünlü düşünce deneyini yaptı.

İçinde rastgele bir kuantum olayının onu öldürme şansı 50-50 olan kapalı bir kutuya bir kedi yerleştirilir. Kutu açılıp kedi gözlenene kadar kedi hem ölmüştür ve aynı anda yaşıyor.

Başka bir deyişle, kedi gözlemlenmeden önce bir dalga fonksiyonu olarak (birden fazla olasılıkla) var olur. Gözlendiğinde belirli bir nesne haline gelir.

{vembed Y=UpGO2kuQyZw}
Schrödinger'in Kedisi nedir?

Uzun tartışmalardan sonra, o zamanki bilim topluluğu "Kopenhag yorumu”. Bu temelde kuantum mekaniğinin yalnızca atomlara ve moleküllere uygulanabileceğini, ancak çok daha büyük nesneleri tanımlayamayacağını söylüyor.

Yanlış oldukları ortaya çıktı.

Yaklaşık son yirmi yılda, fizikçiler yarattı kuantum durumları trilyonlarca atomdan oluşan nesneler - çıplak gözle görülebilecek kadar büyük. Buna rağmen, Henüz uzaysal süperpozisyon dahil.

Bir dalga fonksiyonu nasıl gerçek olur?

Peki dalga işlevi nasıl "gerçek" bir nesne haline gelir?

Fizikçilerin “kuantum ölçüm problemi” dediği şey budur. Yaklaşık bir asırdır bilim adamlarını ve filozofları şaşırttı.

Büyük ölçekli nesnelerden kuantum süperpozisyon potansiyelini ortadan kaldıran bir mekanizma varsa, bu bir şekilde dalga fonksiyonunu “rahatsız etmeyi” gerektirir ve bu ısı yaratır.

Böyle bir ısı bulunursa, bu büyük ölçekli kuantum süperpozisyonunun imkansız olduğu anlamına gelir. Eğer böyle bir ısı göz ardı edilirse, o zaman doğanın herhangi bir boyutta "kuantum olmayı" umursamaması muhtemeldir.

İkincisi söz konusuysa, gelişen teknolojiyle birlikte büyük nesneler koyabiliriz, hatta belki duyarlı varlıklarkuantum hallerine.

Bu, kuantum süperpozisyonundaki bir rezonatörün bir örneğidir. Kırmızı dalga, dalga işlevini temsil eder. Christopher Baker, Yazar sağlanan

Fizikçiler, büyük ölçekli kuantum üst üste binmelerini engelleyen bir mekanizmanın nasıl görüneceğini bilmiyorlar. Bazılarına göre bu bir bilinmeyen kozmolojik alan. Diğerleri şüpheli yerçekimi bununla bir ilgisi olabilir.

Bu yılın Nobel Fizik Ödülü sahibi Roger Penrose, bunun bir sonucu olabileceğini düşünüyor canlıların bilinci.

Küçük hareketlerin peşinde

Son on yılda, fizikçiler ateşli bir şekilde dalga fonksiyonunda bir bozukluğa işaret edecek az miktarda ısı arıyorlardı.

Bunu bulmak için, doğru bir ölçümün önüne geçebilecek diğer tüm "aşırı" ısı kaynaklarını bastırabilecek (mümkün olduğu kadar mükemmel) bir yönteme ihtiyacımız var.

Kendini gözlemleme eyleminin ısı yarattığı kuantum "geri tepme" denen bir etkiyi de kontrol altında tutmamız gerekir.

Araştırmamızda, büyük ölçekli nesneler için uzamsal üst üste binmenin mümkün olup olmadığını ortaya çıkarabilecek böyle bir deney formüle ettik. En iyisi şimdiye kadarki deneyler bunu başaramadı.

Titreşen minik ışınlarla cevabı bulmak

Deneyimiz, kullanılandan çok daha yüksek frekanslarda rezonatör kullanacaktır. Bu, buzdolabının kendisinden herhangi bir ısı sorununu ortadan kaldıracaktır.

Önceki deneylerde olduğu gibi, mutlak sıfırın üzerinde 0.01 derece kelvin bir buzdolabı kullanmamız gerekecekti. (Mutlak sıfır, teorik olarak mümkün olan en düşük sıcaklıktır).

Çok düşük sıcaklıklar ve çok yüksek frekansların bu kombinasyonu ile, rezonatörlerdeki titreşimler "Bose yoğunlaşması" adı verilen bir işleme tabi tutulur.

Bunu, rezonatörün buzdolabından gelen ısının onu kıpırdatamayacağı kadar sağlam bir şekilde donması olarak hayal edebilirsiniz.

Ayrıca, rezonatörün hareketine hiç bakmayan, daha çok sahip olduğu enerji miktarına bakan farklı bir ölçüm stratejisi kullanırdık. Bu yöntem, geri tepme ısısını da güçlü bir şekilde bastıracaktır.

Ama bunu nasıl yapacağız?

Tek tek ışık parçacıkları rezonatöre girer ve birkaç milyon kez ileri geri sıçrayarak fazla enerjiyi emer. Sonunda fazla enerjiyi taşıyarak rezonatörü terk ederlerdi.

Çıkan ışık parçacıklarının enerjisini ölçerek, rezonatörde ısı olup olmadığını belirleyebildik.

Isı mevcut olsaydı, bu, bilinmeyen bir kaynağın (bizim kontrol etmediğimiz) dalga işlevini bozduğunu gösterirdi. Ve bu, süperpozisyonun büyük ölçekte gerçekleşmesinin imkansız olduğu anlamına gelir.

Her şey kuantum mu?

Önerdiğimiz deney zorlu. Pazar öğleden sonraları rasgele kurabileceğiniz türden bir şey değil. Yıllarca geliştirme, milyonlarca dolar ve bir sürü yetenekli deneysel fizikçi alabilir.

Yine de, gerçekliğimiz hakkındaki en büyüleyici sorulardan birine cevap verebilir: her şey kuantum mu? Ve bu yüzden, kesinlikle çabaya değer olduğunu düşünüyoruz.

Bir insanı veya kediyi kuantum süperpozisyonuna sokmaya gelince - bunun o varlığı nasıl etkileyeceğini bilmemizin gerçekten bir yolu yok.

Neyse ki, bu şimdilik düşünmek zorunda olmadığımız bir soru.

Yazar Hakkında

Stefan Forstner, Doktora Sonrası Araştırma Görevlisi, Queensland Üniversitesi

Bu makale şu adresten yeniden yayınlandı: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Okumak Orijinal makale.