Ben je ooit op meer dan één plaats tegelijk geweest? Als je veel groter bent dan een atoom, het antwoord zal nee zijn.

Maar atomen en deeltjes worden beheerst door de regels van de kwantummechanica, waarin verschillende mogelijke situaties tegelijk kunnen bestaan.

Kwantumsystemen worden geregeerd door wat een "golffunctie" wordt genoemd:een wiskundig object dat de waarschijnlijkheden van deze verschillende mogelijke situaties beschrijft.

En deze verschillende mogelijkheden kunnen naast elkaar bestaan ​​in de golffunctie als wat een "superpositie" van verschillende toestanden wordt genoemd. Bijvoorbeeld, een deeltje dat op verschillende plaatsen tegelijk bestaat, is wat we "ruimtelijke superpositie" noemen.

Pas als er een meting wordt uitgevoerd, "stort" de golffunctie in en komt het systeem in één definitieve toestand terecht.

Over het algemeen, kwantummechanica is van toepassing op de kleine wereld van atomen en deeltjes. De jury is er nog niet uit wat het betekent voor grootschalige objecten.

In ons onderzoek, vandaag gepubliceerd in optiek , we stellen een experiment voor dat deze netelige kwestie voor eens en voor altijd kan oplossen.

De kat van Erwin Schrödinger

In de jaren dertig, De Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger bedacht zijn beroemde gedachte-experiment over een kat in een doos die, volgens de kwantummechanica, tegelijk levend en dood kunnen zijn.

In het, een kat wordt in een verzegelde doos geplaatst waarin een willekeurige kwantumgebeurtenis een kans van 50-50 heeft om hem te doden. Totdat de doos wordt geopend en de kat wordt geobserveerd, de kat is allebei dood en tegelijkertijd in leven.

Met andere woorden, de kat bestaat als een golffunctie (met meerdere mogelijkheden) voordat hij wordt waargenomen. Wanneer het wordt waargenomen, het wordt een bepaald object.

Na veel discussie, de wetenschappelijke gemeenschap bereikte destijds een consensus met de "Kopenhagen-interpretatie". Dit zegt in feite dat kwantummechanica alleen van toepassing is op atomen en moleculen, maar kan niet veel grotere objecten beschrijven.

Het bleek dat ze het mis hadden.

In de afgelopen twee decennia of zo, natuurkundigen hebben kwantumtoestanden gecreëerd in objecten gemaakt van biljoenen atomen - groot genoeg om met het blote oog te zien. Hoewel, dit heeft nog niet inclusief ruimtelijke superpositie.

Hoe wordt een golffunctie werkelijkheid?

Maar hoe wordt de golffunctie een "echt" object?

Dit is wat natuurkundigen het "kwantummeetprobleem" noemen. Het houdt wetenschappers en filosofen al ongeveer een eeuw bezig.

Als er een mechanisme is dat het potentieel voor kwantumsuperpositie van grootschalige objecten verwijdert, het zou op de een of andere manier vereisen dat de golffunctie wordt "verstorend" - en dit zou warmte creëren.

Als dergelijke warmte wordt gevonden, dit impliceert dat grootschalige kwantumsuperpositie onmogelijk is. Als dergelijke hitte uitgesloten is, dan is het waarschijnlijk dat de natuur het niet erg vindt om "kwantum" te zijn, ongeacht de grootte.

Als dat laatste het geval is, met voortschrijdende technologie konden we grote objecten plaatsen, misschien zelfs bewuste wezens, in kwantumtoestanden.

Natuurkundigen weten niet hoe een mechanisme dat grootschalige kwantumsuperposities voorkomt eruit zou zien. Volgens sommigen, het is een onbekend kosmologisch veld. Anderen vermoeden dat de zwaartekracht er iets mee te maken kan hebben.

De Nobelprijswinnaar van dit jaar voor natuurkunde, Roger Penrose, denkt dat het een gevolg kan zijn van het bewustzijn van levende wezens.

Op jacht naar minuscule bewegingen

In de afgelopen tien jaar of zo, natuurkundigen hebben koortsachtig gezocht naar een spoor van warmte die zou wijzen op een storing in de golffunctie.

Om dit uit te zoeken, we hebben een methode nodig die (zo perfect mogelijk) alle andere bronnen van "overtollige" warmte kan onderdrukken die een nauwkeurige meting in de weg kunnen staan.

We zouden ook een effect genaamd kwantum "backaction" in toom moeten houden, waarin de handeling van het observeren zelf warmte creëert.

In ons onderzoek, we hebben zo'n experiment geformuleerd, die zou kunnen onthullen of ruimtelijke superpositie mogelijk is voor grootschalige objecten. De beste experimenten tot nu toe hebben dit niet kunnen bereiken.

Het antwoord vinden met kleine stralen die trillen

Ons experiment zou resonatoren gebruiken op veel hogere frequenties dan zijn gebruikt. Dit zou het probleem van eventuele warmte uit de koelkast zelf verwijderen.

Zoals bij eerdere experimenten het geval was, we zouden een koelkast moeten gebruiken op 0,01 graden kelvin boven het absolute nulpunt. (Absoloute nul is de laagst mogelijke temperatuur).

Met deze combinatie van zeer lage temperaturen en zeer hoge frequenties, trillingen in de resonatoren ondergaan een proces dat "Bose-condensatie" wordt genoemd.

Je kunt je dit voorstellen als de resonator zo stevig bevroren wordt dat de hitte van de koelkast hem niet kan wiebelen, niet eens een beetje.

We zouden ook een andere meetstrategie gebruiken die helemaal niet kijkt naar de beweging van de resonator, maar eerder de hoeveelheid energie die het heeft. Deze methode zou de warmte van de terugwerkende kracht sterk onderdrukken, te.

Maar hoe zouden we dit doen?

Enkele lichtdeeltjes zouden de resonator binnendringen en een paar miljoen keer heen en weer stuiteren, het absorberen van overtollige energie. Ze zouden uiteindelijk de resonator verlaten, het afvoeren van overtollige energie.

Door de energie te meten van de lichtdeeltjes die naar buiten komen, we konden bepalen of er warmte in de resonator was.

Als er warmte aanwezig was, dit zou erop wijzen dat een onbekende bron (waarvoor we geen controle hadden) de golffunctie had verstoord. En dit zou betekenen dat superpositie niet op grote schaal kan plaatsvinden.

Is alles kwantum?

Het experiment dat we voorstellen is uitdagend. Het is niet iets wat je zomaar op een zondagmiddag kunt opzetten. Het kan jaren van ontwikkeling vergen, miljoenen dollars en een hele reeks bekwame experimentele natuurkundigen.

Niettemin, het zou een van de meest fascinerende vragen over onze realiteit kunnen beantwoorden:is alles kwantum? En dus, we vinden het zeker de moeite waard.

Wat betreft het plaatsen van een mens, of kat, in kwantumsuperpositie - er is echt geen manier voor ons om te weten hoe dit dat wezen zou beïnvloeden.

Gelukkig, dit is een vraag waar we niet over hoeven na te denken, voor nu.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.