Shutterstock

Har du någonsin varit på mer än en plats samtidigt? Om du är mycket större än en atom kommer svaret att vara nej.

Men atomer och partiklar styrs av kvantmekanikens regler, där flera olika möjliga situationer kan samexistera på en gång.

Kvantasystem styrs av vad som kallas en “vågfunktion”: ett matematiskt objekt som beskriver sannolikheten för dessa olika möjliga situationer.

Och dessa olika möjligheter kan samexistera i vågfunktionen som det som kallas en "superposition" av olika tillstånd. Till exempel är en partikel som finns på flera olika platser samtidigt det vi kallar ”rumslig superposition”.

Det är först när en mätning utförs som vågfunktionen "kollapsar" och systemet hamnar i ett bestämt tillstånd.

Generellt gäller kvantmekanik för den lilla världen av atomer och partiklar. Juryn är fortfarande ute på vad det betyder för storskaliga objekt.

I vår forskning, publicerad idag i Optica, föreslår vi ett experiment som kan lösa den här taggiga frågan en gång för alla.

Erwin Schrödingers katt

På 1930-talet kom den österrikiska fysikern Erwin Schrödinger med sitt berömda tankeexperiment om en katt i en låda som enligt kvantmekaniken kunde vara levande och död samtidigt.

I den placeras en katt i en förseglad låda där en slumpmässig kvantehändelse har 50–50 chans att döda den. Tills lådan öppnas och katten observeras är katten båda döda och levande samtidigt.

Med andra ord existerar katten som en vågfunktion (med flera möjligheter) innan den observeras. När det observeras blir det ett bestämt objekt.

{vembed Y=UpGO2kuQyZw}
Vad är Schrödingers katt?

Efter mycket debatt nådde det vetenskapliga samfundet vid den tiden enighet med ”Köpenhamn tolkning”. Detta säger i grunden att kvantmekanik bara kan tillämpas på atomer och molekyler, men kan inte beskriva mycket större objekt.

Visar sig att de hade fel.

Under de senaste två decennierna eller så, fysiker har skapat kvanttillstånd i föremål gjorda av biljoner atomer - tillräckligt stor för att ses med blotta ögat. Även om detta har inte ännu inkluderade rumslig superposition.

Hur blir en vågfunktion verklig?

Men hur blir vågfunktionen ett ”riktigt” objekt?

Detta är vad fysiker kallar ”kvantmätningsproblemet”. Det har förbryllat forskare och filosofer i ungefär ett sekel.

Om det finns en mekanism som tar bort potentialen för kvantöverlagring från storskaliga objekt skulle det på något sätt kräva att "störa" vågfunktionen - och detta skulle skapa värme.

Om sådan värme hittas innebär detta att storskalig kvantöverlagring är omöjlig. Om sådan värme utesluts är det troligt att naturen inte har något att "vara kvant" i någon storlek.

Om det senare är fallet, med avancerad teknik kan vi lägga stora föremål, kanske till och med kännande varelser, i kvanttillstånd.

Detta är en illustration av en resonator i kvantöverlagring. Den röda vågen representerar vågfunktionen. Christopher Baker, författaren förutsatt

Fysiker vet inte hur en mekanism som förhindrar storskaliga kvantsuperpositioner skulle se ut. Enligt vissa är det en okänt kosmologiskt fält. Andra misstänker allvar kan ha något att göra med det.

Årets Nobelprisvinnare för fysik, Roger Penrose, tror att det kan vara en följd av levande varelser medvetande.

Jagar små rörelser

Under det senaste decenniet eller så har fysiker sökt feberiskt efter en spårmängd värme som skulle indikera en störning i vågfunktionen.

För att ta reda på detta behöver vi en metod som (så perfekt som möjligt) kan undertrycka alla andra källor till "överflödig" värme som kan komma i vägen för en noggrann mätning.

Vi skulle också behöva hålla en effekt som kallas kvant "backaction", där handlingen att observera sig skapar värme.

I vår forskning har vi formulerat ett sådant experiment som kan avslöja om rumslig superposition är möjlig för storskaliga objekt. Det bästa experiment hittills inte har kunnat uppnå detta.

Hitta svaret med små strålar som vibrerar

Vårt experiment skulle använda resonatorer vid mycket högre frekvenser än vad som har använts. Detta skulle ta bort frågan om eventuell värme från själva kylen.

Som det var fallet i tidigare experiment skulle vi behöva använda ett kylskåp på 0.01 grader kelvin över absolut noll. (Absolut noll är den lägsta temperatur som teoretiskt är möjlig).

Med denna kombination av mycket låga temperaturer och mycket höga frekvenser genomgår vibrationer i resonatorerna en process som kallas "Bose-kondens".

Du kan föreställa dig detta när resonatorn blir så fast frusen att värmen från kylskåpet inte kan vinkla, inte ens lite.

Vi skulle också använda en annan mätstrategi som inte alls ser på resonatorns rörelse utan snarare hur mycket energi den har. Denna metod skulle också kraftigt undertrycka värmeväxling.

Men hur skulle vi göra det?

Enstaka ljuspartiklar skulle komma in i resonatorn och studsa fram och tillbaka några miljoner gånger och absorbera överflödig energi. De skulle så småningom lämna resonatorn och bära bort överflödig energi.

Genom att mäta energin hos de ljuspartiklar som kommer ut kunde vi avgöra om det fanns värme i resonatorn.

Om värme var närvarande skulle detta indikera att en okänd källa (som vi inte kontrollerade för) hade stört vågfunktionen. Och detta skulle innebära att det är omöjligt för superposition att ske i stor skala.

Är allt kvant?

Experimentet vi föreslår är utmanande. Det är inte den typ av saker som du kan ställa in på en söndag eftermiddag. Det kan ta år av utveckling, miljoner dollar och en hel massa skickliga experimentella fysiker.

Ändå kan det svara på en av de mest fascinerande frågorna om vår verklighet: är allt kvant? Och så tycker vi verkligen att det är värt ansträngningen.

När det gäller att sätta en människa eller katt i kvantöverlagring - det finns verkligen inget sätt för oss att veta hur detta skulle påverka den varelsen.

Lyckligtvis är det här en fråga vi inte behöver tänka på, för nu.

Om författaren

Stefan Forstner, postdoktor, University of Queensland

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.