แมวของชโรดิงเงอร์มีอยู่ในชีวิตจริงหรือไม่?
Shutterstock

คุณเคยไปมากกว่าหนึ่งแห่งในเวลาเดียวกันหรือไม่? ถ้าคุณใหญ่กว่าอะตอมมาก คำตอบก็คือไม่

แต่อะตอมและอนุภาคถูกควบคุมโดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งสถานการณ์ที่เป็นไปได้ที่แตกต่างกันหลายประการสามารถอยู่ร่วมกันได้ในคราวเดียว

ระบบควอนตัมถูกปกครองโดยสิ่งที่เรียกว่า "ฟังก์ชันคลื่น" ซึ่งเป็นวัตถุทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายความน่าจะเป็นของสถานการณ์ที่เป็นไปได้ต่างๆ เหล่านี้

และความเป็นไปได้ที่แตกต่างกันเหล่านี้สามารถอยู่ร่วมกันในฟังก์ชันคลื่นได้เหมือนกับที่เรียกว่า "การซ้อน" ของสถานะต่างๆ ตัวอย่างเช่น อนุภาคที่มีอยู่ในสถานที่ต่างๆ หลายแห่งพร้อมกันคือสิ่งที่เราเรียกว่า "การซ้อนทับเชิงพื้นที่"

เฉพาะเมื่อมีการดำเนินการวัดเท่านั้นที่ฟังก์ชันคลื่น "ยุบ" และระบบจะสิ้นสุดลงในสถานะที่แน่นอน


กราฟิกสมัครสมาชิกภายในตัวเอง


โดยทั่วไป กลศาสตร์ควอนตัมใช้กับโลกเล็ก ๆ ของอะตอมและอนุภาค คณะลูกขุนยังคงไม่เห็นด้วยกับความหมายของวัตถุขนาดใหญ่

ในการวิจัยของเรา เผยแพร่วันนี้ใน Opticaเราขอเสนอการทดลองที่อาจแก้ปัญหาที่ยุ่งยากนี้ได้ในคราวเดียว

แมวของเออร์วิน ชโรดิงเงอร์

ในช่วงทศวรรษที่ 1930 นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย Erwin Schrödinger ได้คิดค้นการทดลองทางความคิดอันโด่งดังของเขาเกี่ยวกับแมวในกล่อง ซึ่งตามกลศาสตร์ควอนตัม อาจมีชีวิตและตายไปพร้อม ๆ กัน

ในนั้น แมวถูกวางไว้ในกล่องปิดผนึกซึ่งเหตุการณ์ควอนตัมแบบสุ่มมีโอกาส 50-50 ที่จะฆ่ามัน กว่าจะแกะกล่องเจอแมวก็ตายทั้งคู่ และ มีชีวิตอยู่ในเวลาเดียวกัน

กล่าวอีกนัยหนึ่ง แมวดำรงอยู่เป็นฟังก์ชันคลื่น (มีความเป็นไปได้หลายอย่าง) ก่อนที่จะถูกสังเกต เมื่อสังเกตแล้วจะกลายเป็นวัตถุที่แน่นอน

{ชื่อ Y=UpGO2kuQyZw}
แมวของชโรดิงเงอร์คืออะไร?

หลังจากการถกเถียงกันมาก ชุมชนวิทยาศาสตร์ในขณะนั้นก็บรรลุฉันทามติกับ “การตีความโคเปนเฮเกน” โดยพื้นฐานแล้วกลศาสตร์ควอนตัมสามารถใช้ได้กับอะตอมและโมเลกุลเท่านั้น แต่ไม่สามารถอธิบายวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าได้มากนัก

ปรากฎว่าพวกเขาคิดผิด

ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ ได้สร้าง สถานะควอนตัมใน วัตถุที่สร้างจากอะตอมหลายล้านล้านอะตอม - ใหญ่จนมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า แม้ว่าสิ่งนี้จะมี ยังไม่ได้ รวมถึงการซ้อนทับเชิงพื้นที่

ฟังก์ชันคลื่นกลายเป็นของจริงได้อย่างไร

แต่ฟังก์ชันคลื่นจะกลายเป็นวัตถุ "ของจริง" ได้อย่างไร?

นี่คือสิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่า "ปัญหาการวัดควอนตัม" มันทำให้นักวิทยาศาสตร์และนักปรัชญางงงวยมาเป็นเวลาประมาณหนึ่งศตวรรษ

หากมีกลไกที่ขจัดศักยภาพของการซ้อนทับควอนตัมออกจากวัตถุขนาดใหญ่ จะต้องมี "การรบกวน" ฟังก์ชันคลื่น และสิ่งนี้จะทำให้เกิดความร้อน

หากพบความร้อนดังกล่าว แสดงว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะมีการวางซ้อนควอนตัมขนาดใหญ่ หากตัดความร้อนดังกล่าวออกไป ก็เป็นไปได้ที่ธรรมชาติจะไม่สนใจ "การเป็นควอนตัม" ในทุกขนาด

หากเป็นกรณีหลัง ด้วยเทคโนโลยีขั้นสูง เราสามารถใส่วัตถุขนาดใหญ่ หรือแม้แต่สิ่งมีชีวิตเข้าสู่สถานะควอนตัม

นี่คือภาพประกอบของเรโซเนเตอร์ในการซ้อนทับควอนตัม คลื่นสีแดงแสดงถึงฟังก์ชันคลื่น
นี่คือภาพประกอบของเรโซเนเตอร์ในการซ้อนทับควอนตัม คลื่นสีแดงแสดงถึงฟังก์ชันคลื่น
คริสโตเฟอร์ เบเกอร์, ผู้เขียนให้ไว้

นักฟิสิกส์ไม่ทราบว่ากลไกที่ป้องกันการซ้อนทับควอนตัมขนาดใหญ่จะมีลักษณะอย่างไร บางคนบอกว่ามันคือ สนามจักรวาลวิทยาที่ไม่รู้จัก. คนอื่น ๆ สงสัยแรงโน้มถ่วง อาจมีอะไรเกี่ยวข้องกับมัน

โรเจอร์ เพนโรส เจ้าของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีนี้ คิดว่าอาจเป็นผลมาจาก จิตสำนึกของสิ่งมีชีวิต.

ไล่ตามการเคลื่อนไหวที่เล็กที่สุด

ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ได้พยายามค้นหาปริมาณความร้อนที่บ่งชี้ว่ามีความผิดปกติในการทำงานของคลื่น

เพื่อหาสิ่งนี้ เราจำเป็นต้องมีวิธีการที่สามารถระงับ (อย่างสมบูรณ์ที่สุด) แหล่งความร้อน "ส่วนเกิน" อื่นๆ ที่อาจขัดขวางการวัดที่แม่นยำ

นอกจากนี้เรายังต้องรักษาผลกระทบที่เรียกว่า "การย้อนกลับ" ของควอนตัมซึ่งการสังเกตตัวเองจะสร้างความร้อน

ในการวิจัยของเรา เราได้กำหนดการทดลองดังกล่าว ซึ่งสามารถเปิดเผยได้ว่าการวางซ้อนเชิงพื้นที่เป็นไปได้สำหรับวัตถุขนาดใหญ่หรือไม่ ที่สุด การทดลองป่านนี้ ไม่สามารถบรรลุเป้าหมายนี้ได้

หาคำตอบด้วยลำแสงเล็กๆ ที่สั่นสะเทือน

การทดลองของเราจะใช้เครื่องสะท้อนเสียงที่ความถี่สูงกว่าที่เคยใช้มาก วิธีนี้จะช่วยขจัดปัญหาเรื่องความร้อนออกจากตู้เย็นได้

เช่นเดียวกับกรณีในการทดลองครั้งก่อน เราจำเป็นต้องใช้ตู้เย็นที่อุณหภูมิ 0.01 องศาเคลวินเหนือศูนย์สัมบูรณ์ (ศูนย์สัมบูรณ์คืออุณหภูมิต่ำสุดที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎี)

ด้วยการผสมผสานระหว่างอุณหภูมิต่ำมากและความถี่สูงมาก การสั่นสะเทือนในเรโซเนเตอร์จึงผ่านกระบวนการที่เรียกว่า "การควบแน่นของโบส"

คุณสามารถนึกภาพสิ่งนี้ได้ในขณะที่เรโซเนเตอร์กลายเป็นน้ำแข็งอย่างแน่นหนาจนความร้อนจากตู้เย็นไม่สามารถกระดิกได้แม้แต่น้อย

นอกจากนี้ เรายังจะใช้กลยุทธ์การวัดอื่นที่ไม่ได้พิจารณาถึงการเคลื่อนที่ของเรโซเนเตอร์เลย แต่จะพิจารณาถึงปริมาณพลังงานที่มี วิธีนี้จะยับยั้งความร้อนจากปฏิกิริยาตอบสนองอย่างรุนแรงเช่นกัน

แต่เราจะทำเช่นนี้ได้อย่างไร

อนุภาคของแสงเดี่ยวจะเข้าสู่ตัวสะท้อนและสะท้อนกลับไปกลับมาหลายล้านครั้ง ดูดซับพลังงานส่วนเกิน ในที่สุดพวกเขาจะออกจากเครื่องสะท้อนเสียงและนำพลังงานส่วนเกินออกไป

โดยการวัดพลังงานของอนุภาคแสงที่ออกมา เราสามารถระบุได้ว่ามีความร้อนอยู่ในตัวสะท้อน

หากมีความร้อน แสดงว่ามีแหล่งที่ไม่รู้จัก (ซึ่งเราไม่ได้ควบคุม) ได้รบกวนการทำงานของคลื่น และนี่หมายความว่าเป็นไปไม่ได้ที่การซ้อนทับจะเกิดขึ้นในวงกว้าง

ทุกอย่างเป็นควอนตัมหรือไม่?

การทดลองที่เรานำเสนอนั้นท้าทาย ไม่ใช่สิ่งที่คุณจะทำได้ในบ่ายวันอาทิตย์ อาจต้องใช้เวลาหลายปีในการพัฒนา เงินหลายล้านดอลลาร์และนักฟิสิกส์ทดลองที่มีทักษะจำนวนมาก

อย่างไรก็ตาม มันสามารถตอบคำถามที่น่าสนใจที่สุดข้อหนึ่งเกี่ยวกับความเป็นจริงของเรา: ทุกอย่างเป็นควอนตัมหรือไม่? ดังนั้นเราจึงคิดว่ามันคุ้มค่ากับความพยายามอย่างแน่นอน

สำหรับการใส่มนุษย์หรือแมวลงในควอนตัมซ้อนทับ - ไม่มีทางที่เราจะรู้ว่าสิ่งนี้จะส่งผลต่อสิ่งนั้นอย่างไร

โชคดีที่นี่เป็นคำถามที่เราไม่ต้องคิดในตอนนี้สนทนา

เกี่ยวกับผู้เขียน

Stefan Forstner นักวิจัยหลังปริญญาเอก มหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.