Ett experiment skisserat av ett UCL (University College London)-ledda team av forskare från Storbritannien och Indien skulle kunna testa om relativt stora massor har en kvantnatur, vilket löser frågan om huruvida kvantmekanisk beskrivning fungerar i mycket större skala än partiklar och atomer.

Kvantteorin ses vanligtvis som en beskrivning av naturen i minsta skala, och kvanteffekter har inte observerats i ett laboratorium för föremål som är mer massiva än ungefär en kvintiljondel av ett gram, eller mer exakt 10 ^-20 g.

Det nya experimentet, beskrivet i en artikel publicerad i Physical Review Letters och att involvera forskare vid UCL, University of Southampton och Bose Institute i Kolkata, Indien, skulle i princip kunna testa ett objekts kvantitet oavsett dess massa eller energi.

Det föreslagna experimentet utnyttjar principen inom kvantmekaniken att mätningen av ett objekt kan ändra dess natur. (Begreppet mätning omfattar all interaktion mellan objektet och en sond – till exempel om ljus lyser på det eller om det avger ljus eller värme).

Experimentet fokuserar på ett pendelliknande föremål som svänger som en boll på ett snöre. Ett ljus lyser på hälften av svängningsområdet och avslöjar information om objektets placering (dvs. om spritt ljus inte observeras kan man dra slutsatsen att objektet inte är i den halvan). Ett andra ljus lyser och visar objektets placering längre fram på dess gunga.

Om objektet är kvant, kommer den första mätningen (den första ljusblixten) att störa dess väg (genom mätinducerad kollaps – en egenskap som är inneboende i kvantmekaniken), vilket ändrar sannolikheten för var den kommer att vara vid den andra ljusblixten, medan om det är klassiskt, då kommer observationshandlingen inte att göra någon skillnad. Forskare kan sedan jämföra scenarier där de lyser med ett ljus två gånger med ett där endast den andra ljusblixten inträffar för att se om det finns en skillnad i objektets slutliga fördelningar.

Huvudförfattaren Dr. Debarshi Das (UCL Physics &Astronomy and the Royal Society) sa:"En folkmassa på en fotbollsmatch kan inte påverka resultatet av spelet bara genom att stirra starkt. Men med kvantmekanik förändras själva observationen eller mätningen. systemet."

"Vårt föreslagna experiment kan testa om ett objekt är klassiskt eller kvant genom att se om en observationshandling kan leda till en förändring i dess rörelse."

Förslaget, säger forskarna, skulle kunna implementeras med nuvarande teknologier som använder nanokristaller eller, i princip, till och med med speglar vid LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) i USA som har en effektiv massa på 10 kg.

De fyra LIGO-speglarna, som var och en väger 40 kg men tillsammans vibrerar som om de vore ett enda föremål på 10 kg, har redan kylts till det minimienergitillstånd (en bråkdel över absolut noll) som skulle krävas i alla experiment som försöker detektera kvantbeteende .

Seniorförfattaren professor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy) sa:"Vårt schema har breda konceptuella implikationer. Det kan testa om relativt stora objekt har bestämda egenskaper, d.v.s. deras egenskaper är verkliga, även när vi inte mäter dem. Det kan förlänga kvantmekanikens domän och undersök om denna grundläggande naturteori endast är giltig i vissa skalor eller om den också gäller för större massor.

"Om vi ​​inte stöter på en massgräns för kvantmekaniken, gör detta problemet allt mer akut att försöka förena kvantteorin med verkligheten när vi upplever den."

Inom kvantmekaniken har objekt inte bestämda egenskaper förrän de observeras eller interagerar med sin omgivning. Före observation finns de inte på en bestämd plats utan kan vara på två ställen samtidigt (ett tillstånd av överlagring). Detta ledde till Einsteins anmärkning:"Finns månen där när ingen tittar på den?"

Kvantmekaniken kan verka i strid med vår upplevelse av verkligheten, men dess insikter har hjälpt utvecklingen av datorer, smartphones, bredband, GPS och magnetisk resonanstomografi.

De flesta fysiker tror att kvantmekaniken gäller i större skala men är bara svårare att observera på grund av den isolering som krävs för att bevara ett kvanttillstånd. För att upptäcka kvantbeteende i ett objekt måste dess temperatur eller vibrationer reduceras till sin lägsta möjliga nivå (dess grundtillstånd), och det måste vara i ett vakuum så att nästan inga atomer interagerar med det. Det beror på att ett kvanttillstånd kommer att kollapsa, en process som kallas dekoherens om objektet interagerar med sin omgivning.

Det nya föreslagna experimentet är en utveckling av ett tidigare kvanttest utarbetat av professor Bose och kollegor 2018. Ett projekt för att genomföra ett experiment med denna metodik, som kommer att testa kvantnaturen hos en nanokristall med en miljard atomer, pågår redan, ledde av University of Southampton.

Det projektet siktar redan på ett hopp i termer av massa, med tidigare försök att testa kvantnaturen hos ett makroskopiskt objekt begränsat till hundratusentals atomer. Det nyligen publicerade schemat skulle under tiden kunna uppnås med nuvarande teknologier som använder en nanokristall med biljoner atomer.

Mer information: Debarshi Das et al, Mass-Independent Scheme to Test the Quantumness of a Massive Object, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.030202

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev

Tillhandahålls av University College London