Vi liker å tro at ting er der selv når vi ikke ser på dem.
Men den troen kan snart bli overtro, takket være en ny test designet for å fortelle oss om en del av "kvantesærhetene" også er innebygget i større objekter.
Et gammelt filosofisk spørsmål er om for eksempel et tordenbrak lager en lyd dersom ingen hører det? Kvantefysikeren vil si at lyden var der - men du kunne ikke være sikker på om lynet var årsaken.
Kvantemekanikk har lenge flyttet grensene for vår forståelse av virkeligheten på mikronivå. Utallige eksperimenter har vist at partikler sprer seg som bølger, for eksempel, eller ser ut til å være på mer enn ett sted samtidig. I kvanteverdenen kan vi bare vite sannsynligheten for at noe vil dukke opp på ett eller annet sted - inntil vi ser, på hvilket tidspunkt det inntar en bestemt posisjon.
Dette plaget Albert Einstein. "Jeg liker å tro at månen er der selv om jeg ikke ser på den," sa han.
En nye serie med eksperimenter utfordrer Einsteins tanke. Det kan virke som om særhetene i kvantemekanikken inngår i legoklossene som bygger den verden våre sanser observerer rundt oss. Jonathan Halliwell ved Imperial College London sier "Hvis det samme gjelder i ett atom som i to atomer - eller i tusenvis av atomer - noen det noen grunn til at det stopper ved stadig større størrelser?"
Disse eksperimentene undersøker ikke bare om det er en terskel mellom kvanteverdenen og den klassiske verdenen, men undersøker også virkelighetens sanne natur. Hvis arbeidet går som noen teoretikere forventer, kan det bare sparke bena ut under en av våre mest fastholdte oppfatninger, nemlig at ting eksisterer uavhengig av om vi ser på dem.
I 1935 kom Einstein med et tankeeksperiment som skulle avsløre at kvantemekanikk var en ufullstendig teori om virkeligheten, som før eller siden må erstattes av noe bedre. Sammen med kollegene Boris Podolsky og Nathan Rosen forestilte han seg et par partikler som er viklet inn i hverandre slik at det du gjør mot den ene umiddelbart påvirker den andre. Mål for eksempel posisjonen eller hastigheten til en partikkel, og den vil avsløre posisjonen eller hastigheten til den andre uten å måtte måle den. Forestill deg nå å plassere disse partiklene i motsatte ender av universet og utføre den samme målingen. Ved første øyekast ser det ut til at informasjon blir overført mellom partiklene raskere enn lysets hastighet.
Einstein hevdet at denne "skumle handlingen på avstand" var så absurd at utfallet av eventuelle sammenfiltringseksperimenter må være forhåndsbestemt. Fysiker John Bell var også ukomfortabel med kvantemekanikkens unaturlige natur. I 1964 utviklet han en matematisk måte å sette dette paradokset på prøve, kalt Bells ulikhet. Hvis Einstein og kollegene hans hadde rett, ville Bells ulikhet blitt oppfylt.
Igjen og igjen har eksperimenter funnet at Bells ulikhet er krenket. Hvis du insisterer på at virkeligheten oppfører seg klassisk, i motsetning til kvantemekanisk, så for å redegjøre for sammenfiltring og brudd på Bells ulikhet, "må du anta at noe skjer raskere enn lysets hastighet", sier Vlatko Vedral ved universitetet av Oxford. Enten har kvantemekanikken sine iboende særheter, eller informasjon bryter den universelle kosmiske fartsgrensen.
Bells ulikhet utfordrer også lokalitet, altså ideen om at rommet mellom objekter betyr noe for fysikken. Det besvarer ikke spørsmålet om månen er der når du ikke ser. Instinktet vårt vil si at posisjonen, hastigheten, energien og andre egenskaper til partikler kan være rimelig godt definert, men kvantemekanikk utfyller virkeligheten med usikkerhet og superposisjoner, blandinger av mange mulige identiteter som kollapser til én verdi når en måling blir tatt.
Realisme i makroskopiske objekter kalles, du gjettet riktig, makrorealisme. Når du ser på månen eller måler hvor langt unna den er med en laser, endrer du den ikke – i hvert fall ikke i henhold til vårt vanlige syn på verden. "Makrorealisme er det fulleste uttrykket for klassisk virkelighet," sier Halliwell. Og, som Bells ulikhet, er det en test for det.
Leggett-Garg-ulikheten, utviklet i 1985 av Anthony Leggett og Anupam Garg, ser også etter korrelasjoner mellom målinger for å se om kvante- eller klassiske regler blir fulgt. Men i stedet for to partikler atskilt i rommet, som Bells ulikhet, omhandler dette et enkelt objekt over tid. På grunn av dette innså Leggett og Garg at de i teorien kunne teste kvantiteten til veldig store objekter. Med andre ord, deres ulikhet kan fortelle oss om realismen holder til i hverdagens verden.
De siste årene har de første Leggett-Garg-eksperimentene blitt utført på enkle kvantesystemer fra superledende væsker og fotoner til atomkjerner og bittesmå krystaller. Disse har nok en gang demonstrert at den mikroskopiske verden er uvirkelig. Trikset med Leggett-Garg-eksperimenter er å sørge for at de må måle en partikkel på uten å forstyrre den. Det er ikke lett, men det kan gjøres. Og i hvert tilfelle fant forskerne at for hver ikke-forstyrrende måling de kunne gjøre, var systemet i en superposisjon av mulige tilstander.
De største klasene av materie som for tiden er kjent for å oppføre seg på en ikke klassisk måte, ble observert av Markus Arndt og hans kolleger ved Universitetet i Wien, Østerrike, som utførte en annen type eksperiment. I 2020 brukte de et oppsett med dobbel spalte, og førte gjenstander gjennom en spalte én om gangen for å se om de oppfører seg som bølger ved å danne interferensmønstre, for å vise at proteiner adlyder kvanteregler.
Denne tilnærmingen har sine problemer. Når du arbeider med store, komplekse gjenstander, forsvinner kvantiteten raskt som et resultat av interaksjon med omgivelsene – et fenomen som kalles dekoherens. Kvantetilstander er skjøre. De bryter lett sammen under bombardement fra gassmolekyler, streiffotoner av lys, eller elektriske og magnetiske felt. "Ethvert kvanteobjekt kan oppføre seg klassisk hvis du ikke behandler det riktig," sier Chiara Marletto ved University of Oxford. Dette er spesielt plagsomt for eksperimenter med doble spalter fordi det tar lang tid å bygge opp interferensmønsteret med dobbel spalte – tid hvor dekoherens kan løpe opp.
Leggett-Garg-eksperimenter er like vanskelige. De har sine egne kilder til dekoherens, men forskere må også finne måter å måle et system på uten å forstyrre det. Bare ved å gjøre dette kan du si sikkert om objektet er i en kvantesuperposisjon eller ikke. "Du må gjøre målingen på en smart måte," sier Sinha. "Du prøver å måle noe, men på den annen side vil du sikre at målingen ikke etterlater noen spor."
Det er umulig å dra de fleste kvantesystemer – som beveger seg steg for steg – inn i den klassiske verden, hvor bevegelsen er kontinuerlig. Dette gjør det vanskelig å undersøke kvanteobjekter og ting vi vanligvis tenker på som klassiske i det samme eksperimentet. Men Sougato Bose, en teoretiker ved University College London, har en plan. Han foreslår å bruke et eksperimentelt oppsett som kan transcendere den klassiske og kvanteverdenen.
Oppsettet han har i tankene, en enkel harmonisk oscillator, består av et objekt fanget inne i en brønn, som beveger seg frem og tilbake som en svingende pendel. Nøyaktig hvordan den svinger avhenger av om den følger kvante- eller klassiske regler. Og siden det teoretisk sett ikke er noen grense for hvor stor en enkel harmonisk oscillator kan være, håper Bose og hans samarbeidspartnere å bruke den til å ta et sprang inn i den makroskopiske verden – ved å bruke en nanokrystall som er 100 000 ganger mer massiv enn objekter testet av Arndts team.
For å gjøre dette er forskernes idé å lete etter den svingende nanokrystallen når de forventer at den skal være nøyaktig midt i oscillatoren, på grensen mellom venstre og høyre (se «Virkelighet i balansen»). "Vi observerer ikke, og så tar vi plutselig en øyeblikksbildeobservasjon," sier Bose. Men det er avgjørende at detektoren bare vil kunne se den ene halvdelen av oscillatoren. Hvis den ser nanokrystallen, vet forskerne at den er i den siden. Hvis detektoren ikke gjør det, vet de at den er i den andre.
Hvis krystallen oppfører seg på en klassisk måte, bør den være der halvparten av tiden på denne første målingen. Deretter, etter å ha ventet på tiden det tar å fullføre en halv sving og så gå tilbake til midten av systemet, målte forskerne igjen og ville forvente å se det halve tiden. Men hvis partikkelen er kvante, ville handlingen å ikke se den i den ene halvdelen av oscillatoren kollapse dens såkalte bølgefunksjon - den matematiske beskrivelsen av kvantetilstanden. Selv om vi ikke ser nanokrystallen, kjenner vi nå dens posisjon, og på grunn av kvanteusikkerhet injiserer dette partikkelen med momentum og endrer måten den svinger på. Ved å gjenta målinger med faste intervaller håper forskerne å kunne bygge opp korrelasjoner som forteller dem om nanokrystallen oppfører seg kvantemessig eller klassisk. Trikset i alt dette er å kaste ut målingene der nanokrystallen er sett og bare beholde de der den ikke er det, slik at målingene er ikke-invasive.
Siden Bose og hans samarbeidspartnere foreslo eksperimentet i 2018, betyr fremskritt innen fangst og avkjøling av nanokrystaller for å unngå dekoherens, sammen med nye presisjonslasere, at ideen nå kan realiseres. Sammen med Hendrik Ulbricht, en eksperimentell ved University of Southampton, Storbritannia, planlegger Bose å utføre testen på en nanokrystall laget av omtrent en milliard atomer. "Det er et stort hopp," sier Ulbricht.
Først nylig har lasere blitt skarpe nok til å bestemme hvilken side av fellen nanokrystallen oscillerer i. Større partikler beskrives av mindre bølger, og for disse nanokrystallene må laseren være i stand til å løse opp bredder omtrent på størrelse med et vannmolekyl. Ulbricht og Bose forventer å ha resultater innen de neste seks månedene. Hvis eksperimentet bryter Leggett-Garg-ulikhetene, vil det bryte begrepet realisme i makroskopiske objekter.
Likevel, selv om dette er sluttresultatet, vil det være vanskelig å overbevise alle om at kvanteverdenen strekker seg så langt. For det første tester Leggett-Garg-eksperimenter faktisk om et system oppfører seg klassisk; hvis den ikke gjør det, antas det å oppføre seg kvantemekanisk, men det er kanskje ikke virkelig tilfelle. En annen snublestein er utvalget av smutthull som kan føre til at Leggett-Garg-ulikheter blir krenket, selv om systemet oppfører seg klassisk. Selv om målinger skal være ikke-invasive, åpner det praktiske for såkalte klønete smutthull. "Den sta makrorealistiske kynikeren kunne alltid si: 'Aha, selve målingen forstyrret systemet'," sier Halliwell, som drømmer om nye målemetoder for å unngå slike problemer.
Så er det smutthullet for samhandling, der partikler utenfor eksperimentet ditt får det til å se ut som om makrorealismen blir krenket når den ikke er det. Og la oss ikke glemme deteksjonssmutthullet, der en detektors manglende evne til å registrere hver partikkel som kommer i veien kan forvrenge resultatet.
Forskere som Sinha er opptatt med å tette alle mulige smutthull i Leggett-Garg-eksperimenter. Tidligere i år utførte laboratoriet hennes den mest vanntette testen av makrorealisme til nå, ifølge Halliwell, i et system laget av fotoner. «Vi har lukket de resterende smutthullene foreløpig, men du kan aldri påstå at det er helt smutthullfritt,» sier Sinha.
Smutthullfrie tester av Bells ulikhet ble først publisert i 2015, et halvt århundre etter Bells opprinnelige idé. Selv nå fortsetter ørneøyde fysikere å peke på mulige nye sprekker i utformingen av disse eksperimentene. Ulbricht erkjenner at eksperimentet deres sannsynligvis også vil inneholde smutthull. — Det blir en veldig sunn og lang debatt, det er jeg sikker på, sier han.
Ingen eksperiment har noen gang motsagt kvantemekanikken.
Og det er ingen grunn til å tro at kvantesærheter ikke gjelder objekter så store som månen og utover, så lenge du isolerer systemet ditt fra miljøets dekoherens. "Fra et teoretisk synspunkt setter ikke kvanteteori noen begrensning på hvor stort objekt du kan sette i en kvantesuperposisjon," sier Marletto.
Men Ulbricht håper at disse eksperimentene kan avsløre en murvegg som intet kvantesystem kan gå utover. En slik vegg mellom kvanteverdenen og den klassiske verdenen ville redde virkeligheten slik vi kjenner den, og tilby en måte for vår sunne fornuftsverden å fremstå på grunn av kvanterarthet. "Det kan være en universell mekanisme som gjør alle kvantesystemer til klassiske så snart de treffer murveggen," sier han. En idé, foreslått i 1987 av Lajos Diósi ved Wigner Research Center for Physics i Ungarn og Roger Penrose ved University of Oxford, er at vår klassiske virkelighet oppstår gjennom ustabilitet i strukturen til rom-tid.
Ved å teste om kvantemekanikk gjelder for større og større objekter, sier Ulbricht at vi kan utelukke noen modeller for objektiv kollapsteori, en utvidelse av kvantemekanikk som gir spådommer om hvor murveggen skal være. Likevel vil det være umulig å være sikker på at denne veggen eksisterer, ettersom kollapsen kan være forårsaket av bruk-of-the-mill dekoherens. "Noen ganger kan miljøet være veldig konspiratorisk," sier Bose. Enten det er en murvegg eller noe helt annet, "å finne et avvik fra kvanteteoriens spådommer - enten du liker kvanteteori eller ikke - er flott, fordi vi da ville være i stand til å prøve å finne en ny teori", sier Marletto. "Folk er frustrerte over at kvanteteori er veldig god til å bli bekreftet eksperimentelt."
Så er månen der når du ikke ser, eller er det treet i skogen til og med der for å falle i utgangspunktet?
Ettersom tester av Leggett-Garg-ulikheter kryper inn i den virkelig makroskopiske verden, er svaret i økende grad nei.
"Hvis makroskopisk realisme krenkes, kan du ikke anta at månen er der," sier Halliwell. Virkeligheten slik vi tenker på den er kanskje ikke ekte likevel.
Det er til og med mulig at fremtidige Leggett-Garg-ulikheter ikke bare vil være uenige med reglene i den klassiske verden, men også bryte de så langt uknuselige kvantene. "Dette vil gi deg et innblikk i en slags post-kvanteverden," sier Vedral. "Det er vanskelig å forestille seg hva dette kan være, men jeg tror vi kommer til å finne noe enda rarere."
Commentaires