Sei mai stato in più di un posto contemporaneamente? Se sei molto più grande di un atomo, la risposta sarà no.

Ma gli atomi e le particelle sono governati dalle regole della meccanica quantistica, in cui possono coesistere più situazioni possibili contemporaneamente.

I sistemi quantistici sono governati da quella che viene chiamata una "funzione d'onda":un oggetto matematico che descrive le probabilità di queste diverse possibili situazioni.

E queste diverse possibilità possono coesistere nella funzione d'onda come quella che viene chiamata una "sovrapposizione" di stati diversi. Per esempio, una particella esistente in più luoghi diversi contemporaneamente è ciò che chiamiamo "sovrapposizione spaziale".

È solo quando viene eseguita una misura che la funzione d'onda "collassa" e il sistema finisce in uno stato definito.

In genere, la meccanica quantistica si applica al minuscolo mondo degli atomi e delle particelle. La giuria è ancora fuori su cosa significhi per oggetti di grandi dimensioni.

Nella nostra ricerca, pubblicato oggi in ottica , proponiamo un esperimento che possa risolvere una volta per tutte questa spinosa questione.

Il gatto di Erwin Schrödinger

Negli anni '30, Il fisico austriaco Erwin Schrödinger ha inventato il suo famoso esperimento mentale su un gatto in una scatola che, secondo la meccanica quantistica, potrebbe essere vivo e morto allo stesso tempo.

Dentro, un gatto viene messo in una scatola sigillata in cui un evento quantistico casuale ha una probabilità del 50-50 di ucciderlo. Fino a quando la scatola non viene aperta e il gatto viene osservato, il gatto è entrambi morto e vivo allo stesso tempo.

In altre parole, il gatto esiste come funzione d'onda (con molteplici possibilità) prima di essere osservato. Quando è osservato, diventa un oggetto definito.

Dopo molte discussioni, la comunità scientifica dell'epoca raggiunse un consenso con l'"interpretazione di Copenhagen". Questo dice fondamentalmente che la meccanica quantistica può applicarsi solo ad atomi e molecole, ma non può descrivere oggetti molto più grandi.

Si è scoperto che si sbagliavano.

Negli ultimi due decenni o giù di lì, i fisici hanno creato stati quantistici in oggetti fatti di trilioni di atomi, abbastanza grandi da essere visti ad occhio nudo. Sebbene, questo ha non ancora inclusa la sovrapposizione spaziale.

Come diventa reale una funzione d'onda?

Ma come fa la funzione d'onda a diventare un oggetto "reale"?

Questo è ciò che i fisici chiamano il "problema della misurazione quantistica". Ha lasciato perplessi scienziati e filosofi per circa un secolo.

Se esiste un meccanismo che rimuove il potenziale di sovrapposizione quantistica da oggetti su larga scala, richiederebbe in qualche modo di "disturbare" la funzione d'onda e questo creerebbe calore.

Se si trova tale calore, ciò implica che la sovrapposizione quantistica su larga scala è impossibile. Se tale calore è escluso, allora è probabile che alla natura non dispiaccia "essere quantici" a qualsiasi dimensione.

Se è il secondo caso, con l'avanzare della tecnologia potremmo mettere oggetti di grandi dimensioni, forse anche esseri senzienti, in stati quantistici.

I fisici non sanno come sarebbe un meccanismo che impedisca le sovrapposizioni quantistiche su larga scala. Secondo alcuni, è un campo cosmologico sconosciuto. Altri sospettano che la gravità possa avere qualcosa a che fare con questo.

Il premio Nobel di quest'anno per la fisica, Roger Penrose, pensa che potrebbe essere una conseguenza della coscienza degli esseri viventi.

Inseguendo movimenti minuscoli

Negli ultimi dieci anni o giù di lì, i fisici hanno cercato febbrilmente una traccia di calore che indichi un disturbo nella funzione d'onda.

Per scoprirlo, avremmo bisogno di un metodo in grado di sopprimere (il più perfettamente possibile) tutte le altre fonti di calore "in eccesso" che possono ostacolare una misurazione accurata.

Dovremmo anche tenere sotto controllo un effetto chiamato "backaction" quantistico, in cui l'atto stesso di osservare crea calore.

Nella nostra ricerca, abbiamo formulato un simile esperimento, che potrebbe rivelare se la sovrapposizione spaziale è possibile per oggetti di grandi dimensioni. I migliori esperimenti finora non sono stati in grado di raggiungere questo obiettivo.

Trovare la risposta con piccoli raggi che vibrano

Il nostro esperimento userebbe risonatori a frequenze molto più alte di quelle usate. Ciò eliminerebbe il problema del calore dal frigorifero stesso.

Come in precedenti esperimenti, avremmo bisogno di usare un frigorifero a 0,01 gradi kelvin sopra lo zero assoluto. (Lo zero assoluto è la temperatura più bassa teoricamente possibile).

Con questa combinazione di temperature molto basse e frequenze molto alte, le vibrazioni nei risonatori subiscono un processo chiamato "condensazione di Bose".

Puoi immaginarlo mentre il risonatore diventa così solidamente congelato che il calore del frigorifero non può muoverlo, nemmeno un po'.

Utilizzeremmo anche una strategia di misurazione diversa che non considera affatto il movimento del risonatore, ma piuttosto la quantità di energia che ha. Questo metodo sopprime fortemente il calore di reazione, pure.

Ma come lo faremmo?

Singole particelle di luce entrerebbero nel risonatore e rimbalzerebbero avanti e indietro alcuni milioni di volte, assorbendo l'energia in eccesso. Alla fine avrebbero lasciato il risonatore, portando via l'energia in eccesso.

Misurando l'energia delle particelle luminose in uscita, potremmo determinare se c'era calore nel risonatore.

Se fosse presente il calore, questo indicherebbe che una fonte sconosciuta (che non abbiamo controllato) aveva disturbato la funzione d'onda. E questo significherebbe che è impossibile che la sovrapposizione avvenga su larga scala.

È tutto quantistico?

L'esperimento che proponiamo è impegnativo. Non è il genere di cosa che puoi organizzare casualmente la domenica pomeriggio. Potrebbero volerci anni di sviluppo, milioni di dollari e un sacco di abili fisici sperimentali.

Ciò nonostante, potrebbe rispondere a una delle domande più affascinanti sulla nostra realtà:è tutto quantistico? E così, pensiamo certamente che valga la pena.

Quanto a mettere un umano, o gatto, nella sovrapposizione quantistica - non c'è davvero modo per noi di sapere come questo avrebbe effetto su quell'essere.

Per fortuna, questa è una domanda a cui non dobbiamo pensare, per adesso.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.