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Sei mai stato in più di un posto allo stesso tempo? 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 diverse situazioni possibili possono coesistere 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. Ad 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 generale, la meccanica quantistica si applica al minuscolo mondo di atomi e particelle. La giuria è ancora fuori su cosa significhi per oggetti di grandi dimensioni.

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

Il gatto di Erwin Schrödinger

Negli anni '1930, il fisico austriaco Erwin Schrödinger inventò il suo famoso esperimento mentale su un gatto in una scatola che, secondo la meccanica quantistica, potrebbe essere vivo e morto allo stesso tempo.

In esso, un gatto viene posto in una scatola sigillata in cui un evento quantistico casuale ha una probabilità del 50–50 di ucciderlo. Finché la scatola non viene aperta e il gatto viene osservato, il gatto è morto ed vivo allo stesso tempo.

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

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Cos'è il gatto di Schrödinger?

Dopo molti dibattiti, la comunità scientifica dell'epoca raggiunse un consenso con il "Interpretazione di Copenaghen". Questo fondamentalmente dice che la meccanica quantistica può essere applicata solo ad atomi e molecole, ma non può descrivere oggetti molto più grandi.

Si scopre che si sbagliavano.

Negli ultimi due decenni o giù di lì, i fisici ho creato stati quantistici in oggetti fatti di trilioni di atomi - abbastanza grande da essere visto ad occhio nudo. Anche se 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 di grandi dimensioni, richiederebbe in qualche modo "disturbare" la funzione d'onda - e questo creerebbe calore.

Se viene trovato tale calore, ciò implica che la sovrapposizione quantistica su larga scala è impossibile. Se tale calore viene escluso, è probabile che alla natura non dispiaccia "essere quantistico" a qualsiasi dimensione.

In quest'ultimo caso, con l'avanzare della tecnologia potremmo mettere oggetti di grandi dimensioni, forse anche esseri senzienti, negli stati quantistici.

Questa è un'illustrazione di un risonatore in sovrapposizione quantistica. L'onda rossa rappresenta la funzione d'onda. Christopher Baker, Autore previsto

I fisici non sanno come sarebbe un meccanismo che prevenga le sovrapposizioni quantistiche su larga scala. Secondo alcuni, è un file campo cosmologico sconosciuto. Altrui sospetta gravità potrebbe avere qualcosa a che fare con questo.

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

Inseguendo movimenti minuscoli

Negli ultimi dieci anni circa, i fisici hanno cercato febbrilmente una traccia di calore che indicherebbe 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 potrebbero ostacolare una misurazione accurata.

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

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

Trovare la risposta con minuscoli 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 nel caso degli esperimenti precedenti, 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 '.

Useremmo anche una diversa strategia di misurazione che non guarda affatto al movimento del risonatore, ma piuttosto alla quantità di energia che ha. Questo metodo sopprimerebbe fortemente anche il calore di backaction.

Ma come lo faremo?

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 di luce in uscita, potremmo determinare se c'era calore nel risonatore.

Se fosse presente calore, ciò indicherebbe che una fonte sconosciuta (per la quale non abbiamo controllato) ha 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 cose che puoi organizzare casualmente la domenica pomeriggio. Potrebbero volerci anni di sviluppo, milioni di dollari e un sacco di abili fisici sperimentali.

Tuttavia, potrebbe rispondere a una delle domande più affascinanti sulla nostra realtà: è tutto quantistico? E quindi, pensiamo sicuramente che ne valga la pena.

Per quanto riguarda mettere un essere umano, o un gatto, in sovrapposizione quantistica, non c'è davvero modo per noi di sapere come questo avrebbe effetto su quell'essere.

Fortunatamente, questa è una domanda a cui non dobbiamo pensare, per ora.

L'autore

Stefan Forstner, ricercatore post-dottorato, L'Università del Queensland

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.