О существовании кота Шрёдингера и экспериментах.

Находились ли вы когда-нибудь в нескольких местах одновременно? Если речь идет не о двойниках, а вы намного больше атома, ответ будет однозначен: нет.

Но атомы и частицы подчиняются правилам квантовой механики, и могут находиться сразу в нескольких различных вероятных ситуациях.

Квантовыми системами управляет так называемая «волновая функция» — математический объект, описывающий вероятности этих различных возможных ситуаций.

При чем эти различные возможности могут сосуществовать в волновой функции неким образом, называемым «суперпозицией» различных состояний. Например, если частица существует сразу в нескольких разных местах, это называется «пространственной суперпозицией». И только тогда, когда произведено изменение, волновая функция «рушится» и система оказывается в одном определенном состоянии.

Вообще квантовая механика применима к микромиру атомов и частиц. Какой эффект она производит для крупномасштабных объектов, еще не выяснено. В исследованиях, опубликованных в Optica, предлагается эксперимент, который может решить этот сложный вопрос раз и навсегда.

Кот Эрвина Шрёдингера.

В 1930-х годах австрийский физик Эрвин Шрёдингер придумал свой знаменитый мыслительный эксперимент о коте в ящике, который, согласно квантовой механике, мог быть одновременно живым и мертвым.

Суть эксперимента заключается в том, что кот помещается в запечатанный ящик, в котором случайное квантовое событие с вероятностью 50/50 имеет шанс убить его. До тех пор, пока коробка не будет открыта, а состояние кота не будет «измерено», кот одновременно и мертв, и жив.

Другими словами, кот существует как волновая функция (с множественными вероятностями) до того, как будет совершено наблюдение. Когда за ним наблюдают, он становится определенным объектом.

После долгих дебатов научное сообщество в то время пришло к консенсусу с «копенгагенской интерпретацией». Ее суть заключается в том, что квантовая механика может применяться только к атомам и молекулам, но не может описывать гораздо более крупные объекты.

Оказалось, что они ошибались. За последние два десятилетия или около того, физики создали квантовые состояния в объектах, сделанных из триллионов атомов, достаточно больших, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. В прочем, о пространственной суперпозиции речь пока не шла.

Как волновая функция становится реальным объектом?

Физики называют это «проблемой квантовых измерений». Она озадачивает ученых и философов уже около века.

Если бы существовал механизм, отделяющий потенциал квантового суперпозиционирования от крупномасштабных объектов, то для этого требовалось бы как-то «нарушить» волновую функцию — и это создало бы тепло.

Если же такое тепло будет найдено, то можно будет сделать вывод, что крупномасштабное квантовое наложение невозможно. В противном случае можно сделать вывод, что, скорее всего, природа не против «быть квантовой» в любом размере.

Если это так, то с помощью прогрессивных технологий мы можем перевести в квантовые состояния крупные объекты, и, может быть, даже живых существ.

Физики не знают, как выглядит механизм, препятствующий крупномасштабным квантовым наложениям. По мнению некоторых, это неизвестное космологическое поле. Другие подозревают, что гравитация может иметь к этому какое-то отношение.

Лауреат Нобелевской премии по физике этого года, Роджер Пенроуз, считает, что это может быть следствием сознания живых существ.

За последнее десятилетие или около того, физики лихорадочно искали следы тепла, которые указывали бы на нарушение волновой функции.

Чтобы обнаружить это, нам понадобился бы метод, способный подавить (насколько это возможно) все другие источники «избыточного» тепла, которые могли бы помешать точному измерению. Кроме того, нужно было бы держать под контролем эффект, называемый квантовой «обратной связью», при котором сам по себе объект наблюдения создает тепло.

В представленных недавно исследованиях ученые сформулировали такой эксперимент, который мог бы показать, возможно ли пространственное суперпозиционирование крупномасштабных объектов. Лучшие эксперименты до сих пор не смогли этого достичь.

В этом эксперименте резонаторы использовались бы на гораздо более высоких частотах, чем раньше. Это устранило бы проблему поступление любого тепла из самого холодильника.

Как и в предыдущих экспериментах, ученым пришлось бы использовать холодильник при температуре 0,01 градуса по Кельвину выше абсолютного нуля. (Абсолютный ноль — теоретически самая низкая температура, не достижимая в природе).

При такой комбинации очень низких температур и очень высоких частот колебания в резонаторах происходит процесс, называемый «конденсацией бозе». Представьте себе резонатор, настолько охлажденный, что тепло, передаваемое от холодильника, не может колебаться.

Также предлагается использовать другую стратегию измерения, которая не отслеживает движение резонатора в целом, но количество энергии, которое он имеет. Этот метод будет также неплохо подавил бы тепло от квантовой обратной связи.

И все-таки, как должен проводиться эксперимент?

Одиночные частицы света попадали бы в резонатор и отскакивали бы назад и вперед несколько миллионов раз, поглощая любую избыточную энергию. В конце концов, они покидали резонатор, унося избыточную энергию.

Измеряя энергию выходящих световых частиц, мы могли бы определить, есть ли тепло в резонаторе.

Если бы тепло присутствовало, это указывало бы на то, что неизвестный источник (который мы не контролировали) нарушил волновую функцию. А это означало бы невозможность крупномасштабной суперпозиции.

Все ли квантовое?

Предлагаемый эксперимент является сложным. Это не та вещь, которую можно случайно организовать воскресным днем. Это может потребовать годы развития, миллионы долларов и целую кучу квалифицированных физиков-экспериментаторов.

Тем не менее, он может дать ответ на один из самых увлекательных вопросов о нашей реальности: все ли квантовое? И поэтому мы, безусловно, считаем, что это стоит того, чтобы приложить усилия.

Что касается помещения человека, или кошки, в квантовое суперпозиционирование, то для нас действительно нет никакого способа узнать, как это повлияет на это существо.

К счастью, это вопрос, о котором нам пока не нужно думать.

Квантовые системы — это действительно сложно. А вот приобрести домен .systems можно легко и без проблем, и, что приятно, мгновенно.