Shutterstock
האם היית פעם ביותר ממקום אחד בו זמנית? אם אתה גדול בהרבה מאטום, התשובה תהיה לא.
אך אטומים וחלקיקים נשלטים על ידי כללי מכניקת הקוונטים, בהם כמה מצבים אפשריים שונים יכולים להתקיים במקביל.
מערכות קוונטיות נשלטות על ידי מה שמכונה "פונקציית גל": אובייקט מתמטי המתאר את ההסתברות למצבים אפשריים שונים אלה.
ואפשרויות שונות אלה יכולות להתקיים במקביל בתפקוד הגל כמה שמכונה "סופרפוזיציה" של מצבים שונים. לדוגמא, חלקיק הקיים בכמה מקומות שונים בבת אחת הוא מה שאנו מכנים "סופרפוזיציה מרחבית".
רק כאשר מתבצעת מדידה, פונקציית הגל "קורסת" והמערכת מסתיימת במצב מוגדר אחד.
ככלל, מכניקת הקוונטים חלה על העולם הזעיר של אטומים וחלקיקים. חבר המושבעים עדיין לא יודע מה המשמעות של עצמים בקנה מידה גדול.
במחקר שלנו, פורסם היום באופטיקהאנו מציעים ניסוי שעשוי לפתור את השאלה הקוצנית הזו אחת ולתמיד.
החתול של ארווין שרדינגר
בשנות השלושים העלה הפיזיקאי האוסטרי ארווין שרדינגר את ניסוי המחשבה המפורסם שלו על חתול בקופסה שעל פי מכניקת הקוונטים עלולה להיות חיה ומתה בעת ובעונה אחת.
בו, חתול ממוקם בתוך קופסה אטומה שבה לאירוע קוונטי אקראי יש סיכוי של 50–50 להרוג אותו. עד לפתיחת הארגז והצפייה בחתול, החתול מת ו חי באותו הזמן.
במילים אחרות, החתול קיים כפונקציית גל (עם אפשרויות רבות) לפני שהוא נצפה. כאשר הוא נצפה, הוא הופך לאובייקט מוגדר.
{vembed Y = UpGO2kuQyZw}
מהו החתול של שרדינגר?
לאחר ויכוח רב, הקהילה המדעית באותה תקופה הגיעה להסכמה עם "פרשנות קופנהגן”. זה בעצם אומר שמכניקת הקוונטים יכולה לחול רק על אטומים ומולקולות, אך לא יכולה לתאר עצמים גדולים בהרבה.
מסתבר שהם טעו.
בשני העשורים האחרונים פיסיקאים יצרו מצבים קוונטיים ב חפצים עשויים טריליוני אטומים - גדול מספיק כדי להיראות בעין בלתי מזוינת. אמנם, זה היה טרם כלל סופרפוזיציה מרחבית.
כיצד פונקציית גל הופכת לאמיתית?
אך כיצד הופכת פונקציית הגל לאובייקט "אמיתי"?
זה מה שפיזיקאים מכנים "בעיית מדידת הקוונטים". זה תמה את המדענים והפילוסופים במשך כמאה שנה.
אם יש מנגנון שמסיר את הפוטנציאל לסופרפוזיציה קוונטית מאובייקטים בקנה מידה גדול, זה ידרוש איכשהו "להפריע" לפונקציית הגל - וזה ייצור חום.
אם נמצא חום כזה, הדבר מרמז על סופרפוזיציה קוונטית בקנה מידה גדול שהיא בלתי אפשרית. אם נשלל חום כזה, סביר להניח שטבע לא מפריע "להיות קוונטי" בשום גודל.
אם זה המקרה האחרון, בטכנולוגיה מתקדמת נוכל לשים חפצים גדולים, אולי אפילו ישויות חיוניות, למצבים קוונטיים.
זהו המחשה של מהדהד בסופרפוזיציה קוונטית. הגל האדום מייצג את פונקציית הגל. כריסטופר בייקר, מחבר מסופק
פיזיקאים אינם יודעים כיצד ייראה מנגנון המונע סופרפוזיציות קוונטיות בקנה מידה גדול. לטענת חלקם, זהו שדה קוסמולוגי לא ידוע. אחרים חושדים בכוח המשיכה יכול להיות משהו לעשות עם זה.
חתן פרס נובל לפיזיקה השנה, רוג'ר פנרוז, חושב שזה יכול להיות תוצאה של תודעתם של יצורים חיים.
רודף אחר תנועות זעירות
בעשור האחרון לערך, פיסיקאים חיפשו בקדחתנות כמות חום קטנה שתצביע על הפרעה בתפקוד הגל.
כדי לברר זאת, נצטרך שיטה שתדכא (באופן מושלם ככל האפשר) את כל שאר מקורות החום "העודפים" שעשויים להפריע למדידה מדויקת.
עלינו גם לשמור על אפקט המכונה "פעולת גב" קוונטית, ובו פעולת ההתבוננות עצמה יוצרת חום.
במחקר שלנו גיבשנו ניסוי שכזה, שיכול לחשוף אם סופרפוזיציה מרחבית אפשרית לאובייקטים בקנה מידה גדול. הכי טוב ניסויים עד כה לא הצליחו להשיג זאת.
מציאת התשובה עם קורות זעירות הרוטטות
הניסוי שלנו ישתמש בתהודה בתדרים גבוהים בהרבה ממה שהיה בשימוש. זה יסיר את נושא כל החום מהמקרר עצמו.
כמו שהיה בניסויים קודמים, נצטרך להשתמש במקרר ב 0.01 מעלות קלווין מעל האפס המוחלט. (אפס מוחלט הוא הטמפרטורה הנמוכה ביותר שאפשר תיאורטית).
עם שילוב זה של טמפרטורות נמוכות מאוד ותדרים גבוהים מאוד, התנודות בתהודה עוברות תהליך הנקרא "עיבוי בוס".
אתה יכול לדמיין את זה כשהמהוד קפוא כל כך עד שהחום מהמקרר לא יכול להתנועע בו, אפילו לא קצת.
היינו משתמשים גם באסטרטגיית מדידה שונה שכלל לא מסתכלת על תנועת המהוד, אלא על כמות האנרגיה שיש לה. שיטה זו תדכא בחום גם את חום פעולת הגב.
אבל איך היינו עושים זאת?
חלקיקי אור בודדים היו נכנסים למהוד וקופצים הלוך ושוב כמה מיליוני פעמים, סופגים כל עודף אנרגיה. בסופו של דבר הם יעזבו את המהוד, תוך שהם נושאים את עודפי האנרגיה.
על ידי מדידת האנרגיה של חלקיקי האור שיוצאים החוצה, נוכל לקבוע אם יש חום בתהודה.
אם היה קיים חום, הדבר מעיד על מקור לא ידוע (עליו לא שלטנו) הפר את תפקוד הגל. וזה אומר שזה בלתי אפשרי שסופרפוזיציה תתרחש בקנה מידה גדול.
האם הכל קוונטי?
הניסוי שאנו מציעים הוא מאתגר. זה לא מסוג הדברים שאתה יכול להקים כלאחר יד ביום ראשון אחר הצהריים. זה עשוי לקחת שנים של פיתוח, מיליוני דולרים וחבורה שלמה של פיזיקאים ניסיוניים מיומנים.
עם זאת, זה יכול לענות על אחת השאלות המרתקות ביותר לגבי המציאות שלנו: האם הכל קוונטי? וכך, אנו בהחלט חושבים שכדאי להתאמץ.
באשר להכניס בן אדם, או חתול, לסופרפוזיציה קוונטית - אין באמת דרך לדעת איך זה ישפיע על ההוויה הזו.
למרבה המזל, זו שאלה שאנחנו לא צריכים לחשוב עליה בינתיים.
על המחבר
סטפן פורסטנר, עמית מחקר פוסט-דוקטורט, אוניברסיטת קווינסלנד
מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.
