Aţi fost vreodată în mai multe locuri, în același timp? Pentru orice entitate mult mai mare decât un atom răspunsul este nu.

Atomii și particulele sunt guvernate de legile mecanicii cuantice, în care mai multe situații posibile, diferite, pot coexista simultan.

Sistemele cuantice sunt guvernate de ceea ce se numește ”funcția de undă”: un obiect matematic care descrie probabilitățile acestor diferite situații posibile.

Toate aceste posibilități diferite pot coexista în funcția de undă sub formă a ceea ce se numește o “suprapunere” a diferitelor stări cuantice. De exemplu, o particulă aflată în mai multe locuri diferite, simultan, este descrisă de o superpoziţie cuantică spaţială.

Abia atunci când se efectuează o măsurătoare asupra particulei, funcția de undă a acesteia se “prăbușește” și sistemul ajunge într-o stare definită.

În general, mecanica cuantică se aplică atomilor și particulelor. Deocamdată nu există un consens în rândul fizicienilor privind cum se poate aplica mecanica cuantică în cazul obiectelor mult mai mari decât atomii și particulele.

În cercetarea noastră, care a fost publicată în Optica, am propus un experiment care ar putea rezolva această problemă spinoasă odată pentru totdeauna.

Pisica lui Erwin Schrödinger

În anii 1930, fizicianul austriac Erwin Schrödinger a propus un celebru experiment de gândire despre o pisică aflată într-o cutie care, conform mecanicii cuantice, ar putea fi în viață și moartă în același timp.

În acest experiment imaginar o pisică se află într-o cutie sigilată şi un eveniment cuantic aleatoriu determină o probabilitate de 50% ca pisica să fie atât vie, cât şi moartă, în acelaşi timp. Până când nu se deschide cutia și nu se observă starea pisicii, aceasta este, în același timp, moartă și vie.

Cu alte cuvinte, pisica există ca o funcție de undă (cu multiple posibilități) înainte de a fi observată. Când este observată, ea devine un obiect definit.

Pisica lui Schrodinger

Credit: Shutterstock

După multe dezbateri, comunitatea științifică de atunci a ajuns la un consens privind “interpretarea Copenhaga” a mecanicii cuantice. Practic, aceasta susţine că mecanica cuantică se aplică numai atomilor și moleculelor şi nu poate descrie obiecte mult mai mari.

Se pare că s-au înșelat.

În ultimele două decenii, fizicienii au creat stări cuantice în obiecte formate din trilioane de atomi, suficient de mari pentru a fi văzute cu ochiul liber, fără a include însă superpoziţia cuantică.

Cum devine reală funcția de undă?

Funcția de undă poate deveni un obiect “real”?

Aceasta este ceea ce fizicienii numesc” problema măsurării cuantice”, care i-a nedumerit pe oamenii de știință și filosofi timp de aproximativ un secol.

Dacă există un mecanism care elimină superpoziţia cuantică în cazul obiectelor la o scară dimensională mult mai mare decât cea a atomilor şi moleculelor, atunci acesta ar “perturba” cumva funcția de undă și acest lucru ar crea căldură.

Dacă se constată o astfel de căldură, atunci aceasta implică imposibilitatea superpoziţiei cuantice pe scară largă. Dacă o astfel de căldură este exclusă, atunci probabil că natura acceptă stări cuantice în cazul obiectelor de orice mărime.

Dacă aceasta este într-adevăr situaţia reală, atunci cu o tehnologie avansată am putea face ca obiecte mari, poate chiar ființe, să se afle în diferite stări cuantice.

Funcția de undă în rezonator

Un rezonator in superpoziţie cuantică. Unda roşie reprezintă funcţia de undă. Credit: Christopher Baker

Fizicienii nu știu ce mecanism ar putea împiedica superpoziţiile cuantice la scară mare. După unii fizicieni, acesta ar implica un domeniu cosmologic necunoscut. Alți fizicieni suspectează că gravitația ar putea avea un rol determinant în acest sens.

Câştigătorul premiului Nobel pentru fizică din acest an, Roger Penrose, consideră că acest mecanism ar putea fi o consecință a conștiinței ființelor vii.

Urmărind micile vibraţii

În ultimul deceniu, fizicienii au căutat febril o cantitate mică de căldură care ar indica o perturbare a funcției de undă.

Pentru aceasta avem nevoie de o metodă care să suprime, cât mai perfect posibil, toate celelalte surse de căldură “în exces”, astfel încât să putem efectua o măsurătoare precisă.

De asemenea, ar trebui să ținem sub control un efect prin care însăşi actul de observare creează căldură.

În cercetarea noastră am formulat un astfel de experiment, care ar putea dezvălui dacă suprapunerea spațială a stărilor cuantice este într-adevăr posibilă pentru obiectele la scară mare.

Cele mai bune experimente de până acum nu au reușit să realizeze acest lucru.

Găsirea răspunsului cu ajutorul unor rezonatoare de mici dimensiuni

Experimentul nostru ar utiliza rezonatoare la frecvențe mult mai mari decât cele care au fost utilizate până în prezent.

Precum în experimentele anterioare, avem nevoie de o temperatură de 0,01 K peste zero absolut (O K este cea mai scăzută temperatură teoretic posibilă).

Prin această combinație de temperaturi foarte scăzute și frecvențe foarte ridicate, vibrațiile din rezonatoare ar conduce la formarea unui ”condensat Bose”.

De asemenea, am folosi o altă metodă de măsurare care nu vizează deloc mișcarea rezonatorului, ci mai degrabă cantitatea de energie pe care o are.

Cum am putea face asta?

Particulele radiaţiei electromagnetice ar pătrunde în rezonator și s-ar deplasa înainte și înapoi de câteva milioane de ori, absorbind orice exces de energie. În cele din urmă, vor părăsi rezonatorul eliminând excesul de energie.

Măsurând energia acestor particule care ies am putea determina dacă a existat căldură în rezonator.

Dacă constatăm prezenţa căldurii, atunci acest lucru ar indica o sursă necunoscută care a perturbat funcția de undă şi ar însemna că este imposibil ca superpoziţia cuantică să se manifeste la o scară dimensională mare.

Totul este cuantic?

Experimentul pe care îl propunem este provocator. Realizarea lui poate necesita ani, milioane de dolari și o mulţime de fizicieni experimentați.

Cu toate acestea, el ar putea răspunde la una dintre cele mai fascinante întrebări despre realitate: este totul cuantic?

Credem că merită efortul.

Autor: Stefan Forstner, cercetător la Universitatea din Queensland, Australia.

Traducere după Could Schrödinger’s Cat Exist în Real Life? Physicists May Soon Find Out