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동시에 한 곳 이상에 가본 적이 있습니까? 당신이 원자보다 훨씬 크면 대답은 '아니오'가 될 것입니다.

그러나 원자와 입자는 여러 가지 가능한 상황이 동시에 공존 할 수있는 양자 역학의 규칙에 의해 지배됩니다.

양자 시스템은 "파동 함수"라고 불리는 것에 의해 지배됩니다 : 이러한 다양한 가능한 상황의 확률을 설명하는 수학적 객체입니다.

그리고 이러한 다양한 가능성은 서로 다른 상태의 "중첩"이라고 불리는 파동 함수에 공존 할 수 있습니다. 예를 들어, 한 번에 여러 다른 위치에 존재하는 입자를 "공간 중첩"이라고합니다.

측정이 수행 될 때만 파동 기능이 "붕괴"되고 시스템이 하나의 명확한 상태로 끝납니다.

일반적으로 양자 역학은 원자와 입자의 작은 세계에 적용됩니다. 배심원 단은 여전히 ​​대규모 물체에 대한 의미에 대해 의견이 분분합니다.

우리의 연구에서, 오늘 Optica에 게시, 우리는이 까다로운 질문을 단번에 해결할 수있는 실험을 제안합니다.

에르빈 슈뢰딩거의 고양이

1930 년대에 오스트리아의 물리학 자 Erwin Schrödinger는 양자 역학에 따르면 동시에 살아 있고 죽을 수있는 상자 속의 고양이에 대한 그의 유명한 사고 실험을 생각해 냈습니다.

그 안에 고양이는 임의의 양자 사건이 그것을 죽일 확률이 50-50 인 밀폐 된 상자에 넣습니다. 상자를 열고 고양이를 관찰 할 때까지 고양이는 둘 다 죽었습니다 과 동시에 살아 있습니다.

즉, 고양이는 관찰되기 전에 파동 함수로 존재합니다 (여러 가능성이 있음). 관찰하면 명확한 대상이됩니다.

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Schrödinger의 고양이는 무엇입니까?

많은 논쟁 끝에 당시 과학계는“코펜하겐 해석”. 이것은 기본적으로 양자 역학은 원자와 분자에만 적용될 수 있지만 훨씬 더 큰 물체는 설명 할 수 없다고 말합니다.

그들이 틀렸다는 것이 밝혀졌습니다.

지난 XNUMX 년 동안 물리학 자들은 만들었습니다 양자 상태 수조 개의 원자로 만들어진 물체 — 육안으로 볼 수있을만큼 충분히 큽니다. 그러나 이것은 아직 포함 된 공간 중첩.

파동 함수는 어떻게 현실화됩니까?

그러나 파동 함수는 어떻게 "실제"객체가 될까요?

이것이 물리학 자들이“양자 측정 문제”라고 부르는 것입니다. 약 XNUMX 세기 동안 과학자와 철학자들을 당혹스럽게했습니다.

대규모 물체에서 양자 중첩 가능성을 제거하는 메커니즘이 있다면 파동 기능을 "방해"해야하는데 이로 인해 열이 발생합니다.

이러한 열이 발견되면 대규모 양자 중첩이 불가능 함을 의미합니다. 그러한 열이 배제된다면 자연은 어떤 크기로든“양자 적”이되는 것을 신경 쓰지 않을 가능성이 높습니다.

후자의 경우, 진보 된 기술로 우리는 큰 물체를 놓을 수 있습니다. 어쩌면 중생도, 양자 상태로.

이것은 양자 중첩에서 공진기의 그림입니다. 빨간색 물결은 물결 함수를 나타냅니다. 크리스토퍼 베이커, 저자 제공

물리학 자들은 대규모 양자 중첩을 방지하는 메커니즘이 어떻게 생겼는지 모릅니다. 일부에 따르면, 그것은 알려지지 않은 우주 분야. 기타 중력을 의심하다 그것과 관련이있을 수 있습니다.

올해 노벨 물리학상 수상자 인 Roger Penrose는 이것이 다음과 같은 결과 일 수 있다고 생각합니다. 살아있는 존재의 의식.

미세한 움직임을 쫓기

지난 XNUMX 년 동안 물리학 자들은 파동 기능의 교란을 나타내는 미량의 열을 열렬히 찾고 있습니다.

이를 알아 내려면 정확한 측정을 방해 할 수있는 다른 모든 "과잉"열원을 가능한 한 완벽하게 억제 할 수있는 방법이 필요합니다.

우리는 또한 스스로를 관찰하는 행위가 열을 생성하는 양자“백 액션”이라는 효과를 억제해야합니다.

우리의 연구에서 우리는 그러한 실험을 공식화하여 대규모 물체에 공간 중첩이 가능한지 여부를 밝힐 수 있습니다. 최고 지금까지의 실험 이것을 달성 할 수 없었습니다.

진동하는 작은 빔으로 답 찾기

우리의 실험은 사용 된 것보다 훨씬 더 높은 주파수에서 공진기를 사용할 것입니다. 이것은 냉장고 자체의 열 문제를 제거합니다.

이전 실험의 경우처럼 절대 영도보다 0.01도 켈빈 높은 냉장고를 사용해야합니다. (절대 XNUMX은 이론적으로 가능한 가장 낮은 온도입니다).

매우 낮은 온도와 매우 높은 주파수의 조합으로 공진기의 진동은 "보스 응축"이라는 과정을 거칩니다.

공진기가 너무 단단하게 얼어서 냉장고의 열이 조금도 흔들리지 않는 것으로 상상할 수 있습니다.

우리는 또한 공진기의 움직임을 전혀 보지 않고 오히려 에너지의 양을 보는 다른 측정 전략을 사용할 것입니다. 이 방법은 역작용 열도 강력하게 억제합니다.

하지만 우리는 어떻게할까요?

빛의 단일 입자가 공진기에 들어가서 수백만 번 앞뒤로 튀어 나와 과도한 에너지를 흡수합니다. 그들은 결국 공진기를 떠나 과도한 에너지를 멀리 운반합니다.

나오는 빛 입자의 에너지를 측정하여 공진기에 열이 있는지 확인할 수 있습니다.

열이 존재한다면 이것은 알려지지 않은 소스 (우리가 제어하지 않은)가 파동 기능을 방해했음을 나타냅니다. 그리고 이것은 중첩이 대규모로 발생하는 것이 불가능하다는 것을 의미합니다.

모든 것이 양자입니까?

우리가 제안하는 실험은 도전적입니다. 일요일 오후에 자연스럽게 설정할 수있는 것은 아닙니다. 수년간의 개발, 수백만 달러 및 숙련 된 실험 물리학 자들이 필요할 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 우리 현실에 대한 가장 흥미로운 질문 중 하나 인 모든 것이 양자인가? 그래서 우리는 확실히 노력할만한 가치가 있다고 생각합니다.

인간 또는 고양이를 양자 중첩에 넣는 것에 관해서는 이것이 우리가 그 존재에 어떤 영향을 미칠지 알 수있는 방법이 정말 없습니다.

운 좋게도 이것은 우리가 지금 생각할 필요가없는 질문입니다.

저자에 관하여

Stefan Forstner, 박사후 연구원, 퀸즐랜드 대학교

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