(Mario Kinne/EyeEm/Getty Images) Waren Sie schon einmal an mehr als einem Ort gleichzeitig? Wenn Sie viel größer als ein Atom sind, lautet die Antwort „Nein“.
Aber Atome und Teilchen unterliegen den Regeln der Quantenmechanik, in der mehrere verschiedene mögliche Situationen gleichzeitig existieren können.
Quantensysteme werden von einer sogenannten „Wellenfunktion“ beherrscht: einem mathematischen Objekt, das die Wahrscheinlichkeiten dieser verschiedenen möglichen Situationen beschreibt.
Und diese verschiedenen Möglichkeiten können in der Wellenfunktion als eine sogenannte „Überlagerung“ verschiedener Zustände nebeneinander existieren. Wenn beispielsweise ein Teilchen an mehreren verschiedenen Orten gleichzeitig existiert, nennen wir dies „räumliche Überlagerung“.
Erst wenn eine Messung durchgeführt wird, „kollabiert“ die Wellenfunktion und das System gelangt in einen bestimmten Zustand.
Im Allgemeinen gilt die Quantenmechanik für die winzige Welt der Atome und Teilchen. Die Frage, was das für Großobjekte bedeutet, ist noch unklar.
In unserer Forschung, Diese Woche veröffentlicht in Optik , schlagen wir ein Experiment vor, das diese heikle Frage ein für alle Mal lösen könnte.
Erwin Schrödingers Katze
In den 1930er Jahren erfand der österreichische Physiker Erwin Schrödinger sein berühmtes Gedankenexperiment über eine Katze in einer Kiste, die laut Quantenmechanik gleichzeitig lebendig und tot sein könnte.
Darin wird eine Katze in eine versiegelte Kiste gelegt, in der ein zufälliges Quantenereignis eine 50:50-Chance hat, sie zu töten. Bis die Kiste geöffnet und die Katze beobachtet wird, sind beide tot Und gleichzeitig lebendig.
Mit anderen Worten: Die Katze existiert als Wellenfunktion (mit mehreren Möglichkeiten), bevor sie beobachtet wird. Wenn es beobachtet wird, wird es zu einem bestimmten Objekt.
Nach vielen Debatten gelangte die damalige wissenschaftliche Gemeinschaft zu einem Konsens mit der „ Kopenhagener Interpretation '. Dies besagt im Grunde, dass die Quantenmechanik nur auf Atome und Moleküle anwendbar ist, aber keine viel größeren Objekte beschreiben kann.
Es stellte sich heraus, dass sie falsch lagen.
In den letzten zwei Jahrzehnten oder so, Physiker geschaffen haben Quantenzustände in Objekte aus Billionen Atomen – groß genug, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. Obwohl dies der Fall ist Noch nicht inklusive räumlicher Überlagerung.
Wie wird eine Wellenfunktion real?
Doch wie wird aus der Wellenfunktion ein „reales“ Objekt?
Dies nennen Physiker das „Quantenmessproblem“. Es gibt Wissenschaftlern und Philosophen seit etwa einem Jahrhundert Rätsel auf.
Wenn es einen Mechanismus gibt, der das Potenzial für Quantenüberlagerung bei großen Objekten beseitigt, müsste die Wellenfunktion irgendwie „gestört“ werden – und dies würde Wärme erzeugen.
Wenn eine solche Wärme gefunden wird, bedeutet dies, dass eine großräumige Quantenüberlagerung unmöglich ist. Wenn eine solche Hitze ausgeschlossen ist, ist es wahrscheinlich, dass es der Natur nichts ausmacht, in jeder Größe Quanten zu sein.
Wenn Letzteres der Fall ist, könnten wir mit fortschreitender Technologie große Objekte platzieren, vielleicht sogar fühlende Wesen , in Quantenzustände.
Physiker wissen nicht, wie ein Mechanismus aussehen würde, der großräumige Quantenüberlagerungen verhindert. Einigen zufolge ist es ein unbekanntes kosmologisches Feld . Andere vermute die Schwerkraft könnte etwas damit zu tun haben.
Der diesjährige Nobelpreisträger für Physik, Roger Penrose, glaubt, dass dies eine Folge davon sein könnte Bewusstsein der Lebewesen .
Den kleinsten Bewegungen nachjagen
Seit etwa einem Jahrzehnt suchen Physiker fieberhaft nach einer Spur von Wärme, die auf eine Störung der Wellenfunktion hinweisen würde.
Um dies herauszufinden, benötigen wir eine Methode, die alle anderen Quellen „überschüssiger“ Wärme, die einer genauen Messung im Wege stehen könnten, (so perfekt wie möglich) unterdrücken kann.
Wir müssten auch einen Effekt namens Quanten-„Backaction“ in Schach halten, bei dem der Akt der Beobachtung selbst Wärme erzeugt.
In unserer Forschung haben wir ein solches Experiment formuliert, das zeigen könnte, ob eine räumliche Überlagerung für großräumige Objekte möglich ist. Der beste Bisherige Experimente konnten dies nicht erreichen.
Mit winzigen vibrierenden Balken die Antwort finden
Unser Experiment würde Resonatoren mit viel höheren Frequenzen verwenden als bisher. Dadurch entfällt das Problem der Hitzeentwicklung des Kühlschranks selbst.
Wie in früheren Experimenten müssten wir einen Kühlschrank mit einer Temperatur von 0,01 Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt verwenden. (Der absolute Nullpunkt ist die niedrigste theoretisch mögliche Temperatur).
Bei dieser Kombination aus sehr niedrigen Temperaturen und sehr hohen Frequenzen kommt es zu Schwingungen in den Resonatoren, einem Prozess namens „Bose-Kondensation“.
Man kann sich das so vorstellen, dass der Resonator so fest gefroren ist, dass die Hitze aus dem Kühlschrank ihn nicht mehr bewegen kann, nicht einmal ein bisschen.
Wir würden auch eine andere Messstrategie verwenden, die überhaupt nicht die Bewegung des Resonators betrachtet, sondern vielmehr die Menge an Energie, die er hat. Diese Methode würde auch die Rückreaktionswärme stark unterdrücken.
Aber wie würden wir das machen?
Einzelne Lichtteilchen würden in den Resonator eindringen und einige Millionen Mal hin und her springen, wobei sie überschüssige Energie absorbieren würden. Sie würden schließlich den Resonator verlassen und die überschüssige Energie abtransportieren.
Durch die Messung der Energie der austretenden Lichtteilchen konnten wir feststellen, ob im Resonator Wärme vorhanden war.
Wenn Wärme vorhanden wäre, würde dies darauf hinweisen, dass eine unbekannte Quelle (die wir nicht kontrolliert haben) die Wellenfunktion gestört hat. Und das würde bedeuten, dass eine Überlagerung in großem Maßstab unmöglich ist.
Ist alles Quanten?
Das von uns vorgeschlagene Experiment ist eine Herausforderung. So etwas kann man nicht einfach an einem Sonntagnachmittag auf die Beine stellen. Es kann jahrelange Entwicklung, Millionen von Dollar und eine ganze Reihe erfahrener Experimentalphysiker erfordern.
Dennoch könnte es eine der faszinierendsten Fragen zu unserer Realität beantworten: Ist alles Quanten? Daher sind wir der Meinung, dass sich die Mühe lohnt.
Was die Versetzung eines Menschen oder einer Katze in eine Quantenüberlagerung angeht – wir können wirklich nicht wissen, wie sich dies auf dieses Lebewesen auswirken würde.
Glücklicherweise ist dies eine Frage, über die wir im Moment nicht nachdenken müssen. 
Stefan Forstner , Postdoktorand, Die Universität von Queensland .
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Die Unterhaltung . Lies das originaler Artikel .