Квантовая природа больших объектов
Группа ученых из Великобритании и Индии под руководством Университетского колледжа Лондона (ULC), планирует выполнить эксперимент, который может помочь проверить, есть ли квантовая природа у больших объектов. Другими словами, работают ли принципы квантовой механики в масштабе намного большем, чем размер атомов.
Принципы и явления квантовой механики, применимые к объектам размером в несколько нанометров, ни разу не наблюдались у объектов, которые массивнее одной квинтиллионной доли грамма.
Новый эксперимент, описанный в статье опубликованной в Physical Review Letters с участием исследователей из Университетского колледжа Лондона, Университета Саутгемптона и Института Бозе в Калькутте, Индия, может проверить квантовость объекта независимо от его массы или энергии.
Предлагаемый эксперимент использует принцип квантовой механики, согласно которому действие наблюдения (измерения) объекта может изменить его природу. (Термин «измерение» охватывает любое взаимодействие объекта — например, если на него падает свет или он излучает свет или тепло).
В качестве объекта, планируется использовать устройство похожее на маятник, колеблющийся, как мяч на веревке. Суть эксперимента состоит в следующем, первая вспышка света освещает половину маятника, раскрывая информацию о его местоположении (т. е. если рассеянный и отраженный свет не наблюдается, то можно сделать вывод, что объекта нет в данной области пространства). Вторая вспышка света, показывает местоположение объекта, переместившегося дальше в следствии его качающегося движения.
Если объект является квантовым, первое измерение (первая вспышка света) нарушит его траекторию движения (из-за изменения, вызванного измерением свойств, присущего квантовой механике), изменяя вероятность того, где он окажется во время второй вспышки. В отличии от классической теории, где действие наблюдения не будет иметь никакого значения для наблюдаемого объекта. После этого исследователи проведут второй эксперимент, где будет происходит только вторая вспышка света, без первой. Далее они сравнят эти сценарии, чтобы увидеть, есть ли разница в окончательной траектории движения объекта.
Ведущий автор эксперимента доктор Дебарши Дас сказал:
«Согласно классической теории толпа на футбольном матче не может повлиять на результат игры, просто пристально наблюдая за ней. Но в квантовой механике действие наблюдения или измерения само по себе изменяет систему. Предлагаемый нами эксперимент может проверить, является ли объект классическим или квантовым, просто выяснив, может ли действие наблюдения привести к изменению его движения».
Это предположение, по словам исследователей, может быть реализовано с помощью современных технологий с использованием нанокристаллов или с использованием зеркал в LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в США.
Старший автор профессор Сугато Бозе сказал:
«Наша схема имеет широкие концептуальные последствия. Она может проверить, обладают ли большие объекты определенными свойствами, то есть их свойства реальны, даже когда мы их не измеряем. Эта может расширить область квантовой механики и выяснить, справедлива ли фундаментальная квартовая теория природы только в малых масштабах или она справедлива и для больших масс. Если мы не столкнемся с пределом массы в квантовой механике, это сделает еще более острой проблему примирения квантовой теории с реальностью, какой мы ее знаем»
Как квантовая природа влияет на наш мир
В квантовом мире объекты не обладают определенными свойствами до тех пор, пока их не наблюдают или они не взаимодействуют с окружающей средой. До наблюдения они не существуют в каком-то определенном месте, а могут находиться одновременно в двух местах (состояние суперпозиции).
Это привело к известному вопросу Эйнштейна:
Существует ли Луна, когда на нее никто не смотрит?
Квантовая природа может показаться противоречащей нашему восприятию реальности, но ее идеи помогли развитию компьютеров, смартфонов, широкополосной связи, GPS и магнитно-резонансной томографии.
Большинство физиков считают, что квантовая механика справедлива и в более крупных масштабах, но ее просто труднее наблюдать из-за изоляции, необходимой для сохранения квантового состояния. Чтобы обнаружить квантовое поведение объекта, его температуру или вибрации необходимо снизить до минимально возможного уровня (основного состояния), и он должен находиться в вакууме, чтобы с ним почти не взаимодействовали атомы. Это происходит потому, что квантовое состояние разрушается (процесс, называемый декогеренцией), если объект взаимодействует со своим окружением.
Новый эксперимент является развитием более раннего теста, разработанного профессором Бозе и его коллегами в 2018 году. Проект по проведению эксперимента с использованием этой методологии, который проверит квантовую природу нанокристалла, насчитывающего миллиард атомов, уже реализуется, под руководством Университетом Саутгемптона.
Этот проект уже нацелен на скачок в массе исследуемого объекта, поскольку предыдущие попытки проверить квантовую природу макроскопического объекта, были ограниченны сотнями тысяч атомов. Между тем, недавно опубликованная схема может быть реализована с помощью современных технологий с использованием нанокристаллов с триллионами атомов.