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Waren Sie schon einmal an mehr als einem Ort gleichzeitig? Wenn Sie viel größer als ein Atom sind, lautet die Antwort nein.

Atome und Teilchen unterliegen jedoch den Regeln der Quantenmechanik, in denen 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 unterschiedlichen Möglichkeiten können in der Wellenfunktion als sogenannte „Überlagerung“ verschiedener Zustände koexistieren. Zum Beispiel ist ein Teilchen, das an mehreren verschiedenen Orten gleichzeitig existiert, das, was wir "räumliche Überlagerung" nennen.

Erst wenn eine Messung durchgeführt wird, „kollabiert“ die Wellenfunktion und das System endet in einem bestimmten Zustand.

Im Allgemeinen gilt die Quantenmechanik für die winzige Welt der Atome und Teilchen. Die Jury ist sich noch nicht sicher, was es für große Objekte bedeutet.

In unserer Forschung heute in Optica veröffentlichtschlagen wir ein Experiment vor, das diese heikle Frage ein für alle Mal lösen kann.

Erwin Schrödingers Katze

In den 1930er Jahren entwickelte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger sein berühmtes Gedankenexperiment über eine Katze in einer Kiste, die laut Quantenmechanik gleichzeitig lebendig und tot sein könnte.

Darin befindet sich eine Katze in einer versiegelten Kiste, in der ein zufälliges Quantenereignis eine Chance von 50 bis 50 hat, sie zu töten. Bis die Kiste geöffnet und die Katze beobachtet wird, ist die Katze 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 ein bestimmtes Objekt.

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Was ist Schrödingers Katze?

Nach langen Debatten erzielte die damalige wissenschaftliche Gemeinschaft einen Konsens mit dem „Kopenhagener Interpretation”. Dies besagt im Grunde, dass die Quantenmechanik nur auf Atome und Moleküle angewendet werden kann, aber nicht viel größere 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 von Atomen - groß genug, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. Obwohl dies hat noch nicht eingeschlossene räumliche Überlagerung.

Wie wird eine Wellenfunktion real?

Aber wie wird die Wellenfunktion zu einem „echten“ Objekt?

Dies nennen Physiker das „Quantenmessproblem“. Es hat Wissenschaftler und Philosophen seit etwa einem Jahrhundert verwirrt.

Wenn es einen Mechanismus gibt, der das Potenzial für eine Quantenüberlagerung von großen Objekten beseitigt, müsste die Wellenfunktion irgendwie „gestört“ werden - und dies würde Wärme erzeugen.

Wenn solche Wärme gefunden wird, impliziert dies, dass eine Quantenüberlagerung in großem Maßstab unmöglich ist. Wenn eine solche Hitze ausgeschlossen ist, macht es der Natur wahrscheinlich nichts aus, in jeder Größe „Quanten“ zu sein.

Wenn letzteres der Fall ist, könnten wir mit fortschreitender Technologie große Objekte platzieren, vielleicht sogar Lebewesenin Quantenzustände.

Dies ist eine Darstellung eines Resonators in Quantenüberlagerung. Die rote Welle repräsentiert die Wellenfunktion. Christopher Baker, Autor zur Verfügung gestellt

Physiker wissen nicht, wie ein Mechanismus aussehen würde, der Quantenüberlagerungen in großem Maßstab verhindert. Einigen zufolge ist es ein unbekanntes kosmologisches Feld. Andere verdächtige Schwerkraft könnte etwas damit zu tun haben.

Der diesjährige Nobelpreisträger für Physik, Roger Penrose, glaubt, dass dies eine Folge sein könnte Bewusstsein der Lebewesen.

Winzige Bewegungen verfolgen

In den letzten zehn Jahren haben Physiker fieberhaft nach einer Spur von Wärme gesucht, die auf eine Störung der Wellenfunktion hinweisen würde.

Um dies herauszufinden, benötigen wir eine Methode, mit der alle anderen „überschüssigen“ Wärmequellen, die einer genauen Messung im Wege stehen könnten, (so perfekt wie möglich) unterdrückt werden können.

Wir müssten auch einen Effekt, der als Quanten-Backaction bezeichnet wird, in Schach halten, bei dem das Beobachten selbst Wärme erzeugt.

In unserer Forschung haben wir ein solches Experiment formuliert, das zeigen könnte, ob eine räumliche Überlagerung für große Objekte möglich ist. Das beste Experimente bisher konnten dies nicht erreichen.

Die Antwort mit winzigen Strahlen finden, die vibrieren

In unserem Experiment würden Resonatoren mit viel höheren Frequenzen als bisher verwendet. Dies würde das Problem jeglicher Hitze aus dem Kühlschrank selbst entfernen.

Wie in früheren Experimenten müssten wir einen Kühlschrank mit 0.01 Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt verwenden. (Absolute Null ist die niedrigste theoretisch mögliche Temperatur).

Bei dieser Kombination aus sehr niedrigen Temperaturen und sehr hohen Frequenzen werden Schwingungen in den Resonatoren einem Prozess unterzogen, der als „Bose-Kondensation“ bezeichnet wird.

Sie können sich vorstellen, dass der Resonator so fest gefroren ist, dass die Hitze des Kühlschranks ihn nicht einmal ein bisschen wackeln lässt.

Wir würden auch eine andere Messstrategie verwenden, bei der die Bewegung des Resonators überhaupt nicht berücksichtigt wird, sondern die Menge an Energie, die er hat. Diese Methode würde auch die Rückwirkungswärme stark unterdrücken.

Aber wie würden wir das machen?

Einzelne Lichtteilchen würden in den Resonator eintreten und einige Millionen Mal hin und her springen und überschüssige Energie absorbieren. Sie würden schließlich den Resonator verlassen und die überschüssige Energie wegtragen.

Durch Messung der Energie der austretenden Lichtteilchen konnten wir feststellen, ob sich Wärme im Resonator befand.

Wenn Wärme vorhanden wäre, würde dies darauf hinweisen, dass eine unbekannte Quelle (die wir nicht kontrolliert haben) die Wellenfunktion gestört hat. Und dies würde bedeuten, dass eine Überlagerung nicht in großem Maßstab stattfinden kann.

Ist alles Quanten?

Das von uns vorgeschlagene Experiment ist herausfordernd. Es ist nicht die Art von Dingen, die Sie an einem Sonntagnachmittag beiläufig einrichten können. Es kann Jahre dauern, Millionen von Dollar und eine ganze Reihe erfahrener Experimentalphysiker.

Dennoch könnte es eine der faszinierendsten Fragen über unsere Realität beantworten: Ist alles Quanten? Wir sind der Meinung, dass sich die Mühe lohnt.

Wenn wir einen Menschen oder eine Katze in eine Quantenüberlagerung versetzen, können wir wirklich nicht wissen, wie sich dies auf dieses Wesen auswirken würde.

Glücklicherweise ist dies eine Frage, über die wir vorerst nicht nachdenken müssen.

Über den Autor

Stefan Forstner, Postdoktorand, Die Universität von Queensland

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