シュレディンガーの猫は実生活に存在することができますか?

シュレディンガーの猫は実生活に存在することができますか?
シャッターストック

同時に複数の場所に行ったことはありますか? あなたが原子よりもはるかに大きい場合、答えはノーになります。

しかし、原子と粒子は、いくつかの異なる可能性のある状況が同時に共存できる量子力学の規則によって支配されています。

量子システムは、「波動関数」と呼ばれるものによって支配されています。これは、これらのさまざまな可能性のある状況の確率を説明する数学的対象です。

そして、これらの異なる可能性は、異なる状態のいわゆる「重ね合わせ」として波動関数に共存することができます。 たとえば、一度に複数の異なる場所に存在する粒子は、「空間重ね合わせ」と呼ばれるものです。

波動関数が「崩壊」し、システムがXNUMXつの明確な状態になるのは、測定が実行されたときだけです。

一般に、量子力学は原子と粒子の小さな世界に適用されます。 陪審員は、それが大規模なオブジェクトにとって何を意味するのかについてまだ検討中です。

我々の研究では、 Opticaで本日公開、この厄介な問題を完全に解決できる実験を提案します。

エルヴィン・シュレーディンガーの猫

1930年代に、オーストリアの物理学者ErwinSchrödingerは、量子力学によれば、生きていると同時に死んでいる可能性のある箱の中の猫についての彼の有名な思考実験を思いつきました。

その中で、猫は封印された箱に入れられ、ランダムな量子イベントが50〜50の確率で猫を殺します。 箱を開けて猫を観察するまで、猫は両方とも死んでいます 同時に生きています。

言い換えれば、猫は観察される前に波動関数(複数の可能性がある)として存在します。 観察すると明確な対象になります。


シュレーディンガーの猫とは何ですか?

多くの議論の末、当時の科学界は「コペンハーゲン解釈」。 これは基本的に、量子力学は原子と分子にのみ適用できるが、はるかに大きなオブジェクトを記述することはできないと言っています。

彼らは間違っていたことが判明しました。

過去XNUMX年ほどで、物理学者 作成しました の量子状態 数兆個の原子でできたオブジェクト —肉眼で見るのに十分な大きさ。 しかし、これは 空間的な重ね合わせが含まれています。

波動関数はどのようにして現実のものになりますか?

しかし、波動関数はどのようにして「実際の」オブジェクトになるのでしょうか。

これが物理学者が「量子測定問題」と呼んでいるものです。 それは約XNUMX世紀の間科学者と哲学者を困惑させてきました。

大規模な物体から量子重ね合わせの可能性を取り除くメカニズムがあれば、波動関数を何らかの形で「乱す」必要があり、これにより熱が発生します。

そのような熱が見つかった場合、これは大規模な量子重ね合わせが不可能であることを意味します。 そのような熱が排除されれば、自然はどんなサイズでも「量子であること」を気にしないでしょう。

後者の場合、技術の進歩により、大きな物体を置くことができます。 多分衆生さえ、量子状態に。

これは、量子重ね合わせの共振器の図です。 赤い波は波動関数を表しています。
これは、量子重ね合わせの共振器の図です。 赤い波は波動関数を表しています。
クリストファー·ベイカー, 著者提供

物理学者は、大規模な量子重ね合わせを防ぐメカニズムがどのようになるかを知りません。 ある人によると、それは 未知の宇宙論分野。 他人 重力が疑われる それと関係があるかもしれません。

今年のノーベル物理学賞を受賞したロジャー・ペンローズは、それが次の結果である可能性があると考えています。 生物の意識.

小さな動きを追いかける

過去XNUMX年ほどの間、物理学者は波動関数の乱れを示す微量の熱を熱心に求めてきました。

これを見つけるには、正確な測定の邪魔になる可能性のある他のすべての「過剰な」熱源を(可能な限り完全に)抑制することができる方法が必要です。

また、量子「逆作用」と呼ばれる、それ自体を観察する行為が熱を発生させる効果を抑える必要があります。

私たちの研究では、このような実験を考案しました。これにより、大規模なオブジェクトに対して空間的な重ね合わせが可能かどうかを明らかにすることができます。 最高の これまでの実験 これを達成することができていません。

振動する小さなビームで答えを見つける

私たちの実験では、使用されているよりもはるかに高い周波数の共振器を使用します。 これにより、冷蔵庫自体から熱の問題が取り除かれます。

以前の実験の場合と同様に、絶対零度より0.01度ケルビン高い冷蔵庫を使用する必要があります。 (絶対ゼロは理論的に可能な最低温度です)。

この非常に低い温度と非常に高い周波数の組み合わせにより、共振器の振動は「ボーズ凝縮」と呼ばれるプロセスを経ます。

これは、レゾネーターが固く凍り、冷蔵庫からの熱が少しでも揺らぐことができないようになっていることを想像できます。

また、共振器の動きをまったく確認せず、共振器のエネルギー量を確認する別の測定戦略を使用します。 この方法でも逆作用熱を強く抑制します。

しかし、これをどのように行うのでしょうか?

光の単一粒子が共振器に入り、数百万回前後に跳ね返り、余分なエネルギーを吸収します。 それらは最終的に共振器を離れ、余分なエネルギーを運び去ります。

出てくる軽い粒子のエネルギーを測定することで、共振器に熱があったかどうかを判断できました。

熱が存在する場合、これは、未知のソース(制御できなかった)が波動関数を妨害したことを示します。 そして、これは、重ね合わせが大規模に発生することは不可能であることを意味します。

すべてが量子ですか?

私たちが提案する実験は挑戦的です。 日曜日の午後にさりげなくセットアップできるようなものではありません。 それには何年もの開発、数百万ドル、そしてたくさんの熟練した実験物理学者が必要かもしれません。

それにもかかわらず、それは私たちの現実についての最も魅力的な質問のXNUMXつに答えることができます:すべてが量子ですか? ですから、努力する価値は確かにあると思います。

人間または猫を量子重ね合わせに入れることに関しては、これがその存在にどのように影響するかを知る方法は実際にはありません。

幸いなことに、これは今のところ考える必要のない質問です。会話

著者について

Stefan Forstner、ポスドク研究員、 クイーンズランド大学

この記事はから再公開されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で 読む 原著.

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