Πόσο μεγάλα μπορούν να γίνουν τα γατάκια του Schrödinger;

Είναι καιρός να σκεφτούμε ξανά την κβαντική θεωρία. Δεν υπάρχει τίποτα λάθος με την ίδια τη θεωρία - λειτουργεί φανταστικά για την κατανόηση του τρόπου συμπεριφοράς των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων.

Το πρόβλημα είναι πώς μιλάμε για την κβαντική θεωρία. Συνεχίζουμε να επιμένουμε ότι είναι περίεργο:τα κύματα γίνονται σωματίδια, τα πράγματα βρίσκονται σε δύο μέρη (ή δύο καταστάσεις) ταυτόχρονα, τρομακτική δράση σε απόσταση, κάτι τέτοιο. Δεν είναι διεστραμμένο να ντύνουμε μυστήριο μια θεωρία που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες συστηματικά για να κατανοήσουν τον κόσμο;

Μέρος του ζητήματος είναι ότι τα καθημερινά αντικείμενα είναι διακριτά, εντοπισμένα και ξεκάθαρα, και επομένως, πολύ διαφορετικά από τα κβαντικά αντικείμενα. Γιατί όμως συμβαίνει αυτό; Γιατί ο καθημερινός μας κόσμος είναι πάντα «αυτό ή εκείνο» και ποτέ «αυτό και ότι"? Γιατί, καθώς τα πράγματα μεγαλώνουν, η κβαντική φυσική μετατρέπεται σε κλασική φυσική, που διέπεται από νόμους όπως εκείνους που έγραψε ο Ισαάκ Νεύτων πριν από τρεις αιώνες;

Αυτός ο διακόπτης ονομάζεται κβαντική-κλασική μετάβαση και έχει προβληματίσει τους επιστήμονες για πολλές δεκαετίες. Ακόμα δεν το καταλαβαίνουμε πλήρως. Αλλά τις τελευταίες δύο περίπου δεκαετίες, νέες πειραματικές τεχνικές έχουν ωθήσει τη μετάβαση σε όλο και μεγαλύτερα μεγέθη. Οι περισσότεροι επιστήμονες συμφωνούν ότι οι τεχνικές δυσκολίες θα μας εμποδίσουν να βάλουμε ποτέ μια μπάλα μπάσκετ, ή ακόμα και έναν άνθρωπο, σε δύο σημεία ταυτόχρονα. Αλλά μια αναδυόμενη κατανόηση της κβαντικής-κλασικής μετάβασης υποδηλώνει επίσης ότι δεν υπάρχει τίποτα κατ' αρχήν που να την απαγορεύει - καμία κοσμική λογοκρισία δεν διαχωρίζει τον «κανονικό» κόσμο μας από τον «παράξενο» κόσμο που κρύβεται από κάτω του. Με άλλα λόγια, ο κβαντικός κόσμος μπορεί τελικά να μην είναι τόσο παράξενος.

Φανταστείτε ένα σπασμένο στεγνωτήριο που φτύνει ζευγάρια απαράμιλλες κάλτσες. Έρχονται σε συμπληρωματικές αντιθέσεις:αν το ένα είναι κόκκινο, το άλλο είναι πράσινο. Ή, αν το ένα είναι λευκό, το άλλο είναι μαύρο και ούτω καθεξής. Δεν ξέρουμε ποιες από αυτές τις επιλογές θα έχουμε μέχρι να δούμε—αλλά κάνουμε να ξέρετε ότι αν βρούμε ότι το ένα είναι κόκκινο, μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι το άλλο είναι πράσινο. Όποια και αν είναι τα πραγματικά χρώματα, συσχετίζονται μεταξύ τους.

Τώρα φανταστείτε την κβαντομηχανική έκδοση αυτής της ίδιας μηχανής. Σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης της κβαντικής μηχανικής που αναπτύχθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1920 από τους Niels Bohr, Werner Heisenberg και τους συνεργάτες, οι κβαντικές κάλτσες σε συσχετισμένη κατάσταση (όπου το χρώμα της μιας συνδέεται με το χρώμα της άλλης) δεν έχουν στην πραγματικότητα οποιαδήποτε σταθερά χρώματα μέχρι να δούμε. Η ίδια η πράξη της εξέτασης μιας κβαντικής κάλτσας καθορίζει το χρώμα του άλλου. Αν κοιτάξουμε με έναν τρόπο, η πρώτη κάλτσα μπορεί να είναι κόκκινη (και η άλλη άρα πράσινη). Αν κοιτάξουμε σε άλλο, το πρώτο είναι λευκό (και το άλλο μαύρο).

Πράγματι, θα μπορούσατε να πείτε ότι σε αυτά τα συσχετισμένα ζευγάρια τα χρώματα των κάλτσων είναι χαρακτηριστικά που εκτείνονται πολύ πέρα ​​από τις ίδιες τις κάλτσες. Το χρώμα μιας δεδομένης κάλτσας δεν είναι τοπικό, δηλαδή δεν περιέχεται στις ιδιότητες αυτής της κάλτσας. Τα δύο χρώματα λέγεται ότι είναι μπλεγμένα μεταξύ τους.

Ο φυσικός Erwin Schrödinger περιέγραψε τη διαπλοκή ως το κλειδί για την κβαντική συμπεριφορά και τη χρησιμοποίησε για να κατασκευάσει ένα διάσημο παράδοξο. Ξεκινά με μια άτυχη γάτα που ο Σρέντινγκερ φαντάστηκε παγιδευμένη μέσα σε ένα κουτί, στο οποίο απελευθερώθηκε ένα θανατηφόρο δηλητήριο από την έκβαση κάποιου κβαντικού γεγονότος. Επειδή το συμβάν ήταν κβαντικό, θα μπορούσε να είναι σε αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν κατάσταση υπέρθεσης:και να ενεργοποιούν την απελευθέρωση του δηλητηρίου και να μην την προκαλούν.

Αυτές οι υπερθέσεις δεν είναι ασυνήθιστες για μικροσκοπικά αντικείμενα όπως άτομα που βρίσκονται σταθερά στο κβαντικό βασίλειο. Όμως, επειδή ο Σρέντινγκερ μπλέχτηκε το γεγονός με μια μεγάλη γάτα, το αποτέλεσμα είναι το παράδοξο συμπέρασμα ότι η γάτα σκοτώνεται και δεν σκοτώνεται.

Η συμβατική λύση στο παράδοξο ήταν να ισχυριστεί κανείς ότι η μέτρηση σε μια κατάσταση υπέρθεσης, όπως η ζωντανή-νεκρή γάτα, αναγκάζει μια επιλογή, έτσι ώστε η υπέρθεση να καταρρέει τη γάτα - στην πραγματικότητα, ολόκληρο το σύμπαν - σε μια ή την άλλη κατάσταση :Η γάτα είναι είτε νεκρή είτε ζωντανή, αλλά όχι και τα δύο. Από αυτήν την άποψη, δεν μπορούμε ποτέ να δούμε τη ζωντανή-νεκρή γάτα.

Ποια ήταν όμως η κατάσταση της γάτας πριν κοιτάξουμε; Σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, το ερώτημα δεν έχει νόημα. Η πραγματικότητα, υποστηρίζει, είναι αυτό που μπορούμε να παρατηρήσουμε και να μετρήσουμε, και δεν έχει νόημα να αναρωτιόμαστε για το τι είναι πραγματικά τα πράγματα όπως πριν κάνουμε αυτές τις παρατηρήσεις.

Άλλοι, κυρίως ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, δεν μπορούσαν να το δεχτούν αυτό. Έμειναν στην κλασική «ρεαλιστική» άποψη, που λέει ότι όλα έχουν ιδιαίτερες, αντικειμενικές ιδιότητες, είτε κοιτάμε είτε όχι. Ο Αϊνστάιν και δύο νεαροί συνάδελφοί του, ο Μπόρις Ποντόλσκι και ο Νάθαν Ρόζεν, δημιούργησαν μια εκδοχή του πειράματος σκέψης της «κβαντικής μηχανής ξήρανσης» για να προσπαθήσουν να δείξουν πώς η κβαντική θεωρία οδήγησε σε ένα παράδοξο, στο οποίο μια μέτρηση σε ένα μέρος επηρέασε αμέσως ένα αντικείμενο στο ένα άλλο μέρος. Αλλά στη δεκαετία του 1980, οι μετρήσεις των φωτονίων λέιζερ έδειξαν ότι η εμπλοκή λειτουργεί πραγματικά με αυτόν τον τρόπο—όχι λόγω της επικοινωνίας «γρηγορότερα από το φως», αλλά επειδή οι κβαντικές ιδιότητες μπορεί να είναι πραγματικά μη τοπικές, κατανεμημένες σε περισσότερα από ένα σωματίδια.

Από τότε, οι πειραματιστές εργάζονται για την κατασκευή ολοένα και μεγαλύτερων κβαντικών αντικειμένων, τα οποία είναι μεγάλα σε σύγκριση με τα άτομα αλλά μικρά σε σύγκριση με τις πραγματικές γάτες. Συχνά αποκαλούνται «τα γατάκια του Σρέντινγκερ» και μεγαλώνουν γρήγορα.

Ένα κλειδί για να γίνουν γάτες αυτά τα γατάκια ήταν να μάθουν πώς να διατηρούν την κβαντική συνοχή, ή χονδρικά, την ικανότητα να παραμείνουν συγχρονισμένες οι κορυφές και οι κοιλότητες των κβαντικών σωματιδίων που μοιάζουν με κύμα. Καθώς μια κβαντική κατάσταση εξελίσσεται, μπλέκεται με το περιβάλλον της και η κβαντική συνοχή μπορεί να διαρρεύσει στο περιβάλλον. Θα μπορούσε κανείς να φανταστεί πολύ ωμά ότι μοιάζει λίγο με τον τρόπο με τον οποίο η θερμότητα σε ένα ζεστό σώμα διαχέεται σε ένα πιο δροσερό περιβάλλον.

Ένας άλλος τρόπος να το σκεφτούμε είναι να πούμε ότι οι πληροφορίες γίνονται όλο και πιο τοπικές. Το θέμα με τα κβαντικά συστήματα είναι ότι οι μη τοπικοί συσχετισμοί σημαίνουν ότι δεν μπορείτε να γνωρίζετε τα πάντα για κάποιο μέρος τους κάνοντας μετρήσεις μόνο σε αυτό το μέρος. Υπάρχει πάντα κάποια υπολειπόμενη άγνοια. Αντίθετα, αφού διαπιστώσουμε ότι μια κάλτσα είναι κόκκινη ή πράσινη, δεν υπάρχει τίποτα να γνωρίζουμε για το χρώμα της. Ο Wojciech Zurek του Εθνικού Εργαστηρίου του Λος Άλαμος στο Νέο Μεξικό έχει διατυπώσει μια έκφραση για την άγνοια που παραμένει όταν έχει προσδιοριστεί η κατάσταση της συσκευής μέτρησης, την οποία αποκαλεί κβαντική διχόνοια. Για ένα κλασικό σύστημα, η ασυμφωνία είναι μηδέν. Αν είναι μεγαλύτερο από το μηδέν, το σύστημα έχει κάποια κβαντικότητα.

Η αποσυνοχή απομακρύνει τη διχόνοια. Τα κβαντικά φαινόμενα μετατρέπονται σε εκείνα που υπακούουν στους κλασικούς κανόνες:χωρίς υπερθέσεις, χωρίς εμπλοκή, χωρίς τοπικότητα και σε χρόνο και τόπο για τα πάντα.

Πόσο μεγάλα, λοιπόν, μπορούν να γίνουν τα κβαντικά συστήματα προτού η αποσυνοχή αρχίσει να καταστρέφει την κβαντικότητά τους; Γνωρίζουμε ότι πολύ μικρά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια μπορούν να συμπεριφέρονται ως συνεκτικά κβαντικά κύματα από την πρωτοποριακή παρατήρηση της παρεμβολής ηλεκτρονίων στα τέλη της δεκαετίας του 1920. Αμέσως μετά, αποδείχθηκαν οι κυματοειδείς ιδιότητες ολόκληρων ατόμων. Όμως, μόλις τη δεκαετία του 1990, όταν κατέστη δυνατή η δημιουργία συνεκτικών «κυμάτων ύλης», παρατηρήθηκε παρεμβολή κβαντικών κυμάτων για άτομα και μόρια.

Πόσο μεγάλα μπορούν να γίνουν αυτά τα κομμάτια ύλης ενώ εξακολουθούν να υφίστανται παρεμβολές; Το 1999 μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης με επικεφαλής τους Anton Zeilinger και Markus Arndt συγκρότησαν μόρια άνθρακα 60 ατόμων που ονομάζονται φουλερένια (C₆₀ ) σε μια δοκό, την πέρασε μέσα από μια σχάρα σχισμών που απέχουν 100 νανόμετρα μεταξύ τους και είναι κατασκευασμένη από κεραμικό νιτρίδιο του πυριτίου και εντόπισε ένα σχέδιο παρεμβολής στην μακρινή πλευρά. Ο Arndt και οι συνάδελφοί του έχουν τώρα αποδείξει ότι αυτή η κβαντική κυματισμός παραμένει για εξατομικευμένα οργανικά μόρια που περιέχουν 430 άτομα και πλάτος έως και 6 νανόμετρα:αρκετά μεγάλα για να τα δούμε σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και συγκρίσιμα με το μέγεθος μικρών πρωτεϊνών. Τα μοτίβα παρεμβολής μπορούν να εξαλειφθούν με αποσυνοχή:εξαφανίζονται καθώς οι ερευνητές εισάγουν αέριο στη συσκευή, αυξάνοντας τις αλληλεπιδράσεις των μορίων με το περιβάλλον τους.

Επειδή αυτή η παρεμβολή εξαρτάται από το ότι τα μόρια βρίσκονται σε καταστάσεις υπέρθεσης - στην πραγματικότητα, το καθένα διέρχεται από περισσότερες από μία σχισμές τη φορά - τα μόρια μπορούν να θεωρηθούν ως μοριακά γατάκια του Schrödinger. Είναι ακόμα πολύ μικροσκοπικοί, ωστόσο, και προφανώς δεν είναι ζωντανοί. Μήπως είναι δυνατόν να ωθήσουμε την κλίμακα μεγέθους σε αυτό που καθίσταται δυνατή η ζωή—για παράδειγμα, να αναζητήσουμε παρεμβολές στους «ιούς του Σρέντινγκερ;»

Αυτή η ιδέα έχει προταθεί από τον Ignacio Cirac και τον Oriol Romero-Isart στο Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική στο Garching της Γερμανίας. Έχουν περιγράψει μια πειραματική μέθοδο για την προετοιμασία καταστάσεων υπέρθεσης όχι μόνο για ιούς (με μεγέθη περίπου 100 νανόμετρα ή περισσότερο) αλλά και για εξαιρετικά ανθεκτικά μικροσκοπικά πλάσματα που ονομάζονται αργόδρομοι ή αρκούδες νερού (που έχουν μέγεθος έως 1 χιλιοστό περίπου). Αυτά τα αντικείμενα θα αιωρούνταν σε μια οπτική παγίδα από έντονα πεδία φωτός λέιζερ και στη συνέχεια θα οδηγούνταν σε μια υπέρθεση των κραδασμών τους εντός του πεδίου της δύναμης παγίδευσης (όπως οι μπάλες που κυλούν μπρος-πίσω στον πάτο ενός μπολ). Τα Tardigrades έχει αποδειχθεί ότι επιβιώνουν στο εξωτερικό του διαστημικού σκάφους, και έτσι μπορεί να αντέξουν τις ακαμψίες ενός πειράματος υψηλού κενού όπως αυτό. Μέχρι στιγμής, ωστόσο, είναι απλώς μια πρόταση.

Γνωρίζουμε ήδη, ωστόσο, ότι αντικείμενα αρκετά μεγάλα για να τα δούμε με γυμνό μάτι μπορούν να τοποθετηθούν σε μπερδεμένα στάδια. Μια ομάδα με επικεφαλής τον Ian Walmsley, φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, το πέτυχε αυτό το 2011 χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ για να διεγείρουν εμπλεκόμενες κβαντικές δονήσεις (φωνόνια) σε δύο κρυστάλλους διαμαντιών πλάτους 3 χιλιοστών και απόστασης 15 εκατοστών μεταξύ τους. Κάθε φωνόνιο περιλαμβάνει τη συνεκτική δόνηση περίπου 10 ατόμων, που αντιστοιχεί σε μια περιοχή του κρυστάλλου με διαστάσεις περίπου 0,05 επί 0,25 χιλιοστά. Για να δημιουργήσουν την υπέρθεση, οι ερευνητές τοποθέτησαν πρώτα ένα φωτόνιο λέιζερ σε μπλεγμένη κατάσταση χρησιμοποιώντας έναν διαχωριστή δέσμης για να το στείλει προς οποιοδήποτε διαμάντι με ίση πιθανότητα. Εφόσον δεν ανιχνεύουν αυτό το μονοπάτι, το φωτόνιο δημιουργεί μια μπερδεμένη δόνηση και στους δύο κρυστάλλους. Όταν ένα φωνόνιο διεγείρεται, εκπέμπει ένα δευτερεύον φωτόνιο, το οποίο οι ερευνητές θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν χωρίς να μάθουν από ποιον κρύσταλλο προέρχεται. Σε αυτήν την περίπτωση, το φωνόνιο πρέπει να θεωρείται μη τοπικό, κατά μία έννοια που περιλαμβάνει και τα δύο διαμάντια.

Ένας άλλος τρόπος για να δούμε τα κβαντικά φαινόμενα σε σχετικά μεγάλα συστήματα είναι να μελετήσουμε τους κραδασμούς πολύ μικρών ελαστικών δομών όπως οι πρόβολοι κλίμακας νανομέτρων και άλλοι «νανομηχανικοί συντονιστές». Στην κλίμακα των μορίων, οι δονήσεις κβαντίζονται:Μπορούν να συμβούν μόνο σε καλά καθορισμένες συχνότητες ή σε μικτές υπερθέσεις αυτών των επιτρεπόμενων κβαντικών καταστάσεων. Οι νανομηχανικοί συντονιστές είναι επίσης μικροί και αρκετά ελαφροί ώστε να έχουν, θεωρητικά, διακριτές κβαντισμένες καταστάσεις δόνησης. Ένας ιδανικός τρόπος για να διαβάσετε τη δονητική κατάσταση του στοιχείου συντονισμού είναι να συνδέσετε τη μηχανική του κίνηση με το φως, μια προσέγγιση που ονομάζεται οπτομηχανική. Στην απλούστερη μορφή του, αυτό μπορεί να περιλαμβάνει τη δημιουργία ενός θαλάμου στον οποίο το φως μπορεί να αναπηδά εμπρός και πίσω μεταξύ των καθρεφτών, με έναν από τους καθρέφτες συνδεδεμένους σε ένα ελατήριο έτσι ώστε να μπορεί να ταλαντώνεται.

Πολλές ομάδες έχουν πλέον επιδείξει κβαντική συμπεριφορά σε τέτοια οπτομηχανικά συστήματα νανοκλίμακας. Ο John Teufel και οι συνεργάτες του στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας στο Boulder του Κολοράντο, για παράδειγμα, χρησιμοποίησαν μια μεμβράνη αλουμινίου που μοιάζει με τύμπανο πάχους 100 νανόμετρων και πλάτους 15 μικρομέτρων (μm) ως συντονιστή, συνδεδεμένη με μια κοιλότητα συχνότητας μικροκυμάτων. ενώ ο Oskar Painter και οι συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια στην Πασαντένα χρησιμοποίησαν μια λεπτή δέσμη πυριτίου μήκους 15 μικρομέτρων, με διατομή 600 επί 100 νανόμετρα, σφιγμένη και στα δύο άκρα. Χρειάζεστε ένα μικροσκόπιο για να δείτε αυτά τα αντικείμενα, αλλά είναι τεράστια σε σύγκριση με τα μόρια. Για να διασφαλίσουν ότι οι ταλαντωτές τους παρέμειναν σε μια ενιαία κατάσταση δόνησης χαμηλότερης ενέργειας, και οι δύο ομάδες ψύξαν τις συσκευές τους κοντά στο απόλυτο μηδέν χρησιμοποιώντας κρυογονικά και στη συνέχεια χρησιμοποίησαν ακτίνες λέιζερ ή μικροκύματα για να μειώσουν ακόμη περισσότερο τη θερμοκρασία.

Εάν θέλετε να δημιουργήσετε κβαντικά εφέ, όπως υπερθέσεις και εμπλοκή σε αυτούς τους συντονιστές, πρέπει να είστε σε θέση να ελέγξετε την κβαντική συμπεριφορά τους. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να συνδέσετε τους συντονιστές με ένα κβαντικό αντικείμενο του οποίου η κατάσταση μπορεί να αλλάξει κατά βούληση, όπως ένα «κβαντικό bit» δύο καταστάσεων του είδους που χρησιμοποιείται για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών. Ο Andrew Cleland του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα και οι συνάδελφοί του το πέτυχαν για ένα μικροσκοπικό φύλλο νιτριδίου αλουμινίου. Άλλοι ελπίζουν να προετοιμάσουν ταλαντωτές σε καταστάσεις υπέρθεσης και στη συνέχεια να παρακολουθήσουν πώς αποσυντονίζονται καθώς μπλέκονται με το περιβάλλον τους:μεσαίου μεγέθους γατάκια Schrödinger που αναπηδούν στο κενό.

Αν μπορούσαμε να καταστείλουμε τελείως την αποσυνοχή, θα μας οδηγούσε σε μια γάτα Schrödinger πλήρους μεγέθους; Μπορεί να μην είναι τόσο απλό. Αυτό συμβαίνει γιατί, για να ξέρετε ότι το είχατε φτιάξει, θα πρέπει να το κοιτάξετε. Σίγουρα, η πράξη της εμπλοκής ενός συστήματος με μια συσκευή μέτρησης θα μπορούσε από μόνη της να το αποσυναρμολογήσει - αλλά το πρόβλημα μπορεί να είναι ακόμη χειρότερο από αυτό. Οι φυσικοί Johannes Kofler, τώρα στο Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική στο Garching, και ο Caslav Brukner του Πανεπιστημίου της Βιέννης πρότειναν το 2007 ότι η ίδια η πράξη της πειραματικής μελέτης ενός μεγάλου κβαντικού συστήματος μπορεί να προκαλέσει την εμφάνιση κλασικής συμπεριφοράς ακόμη και χωρίς καμία αποσυνοχή. Η ίδια η μέτρηση μπορεί να μετατρέψει την κβαντική πολλαπλότητα σε κλασική μοναδικότητα.

Αυτό, λένε οι Kofler και Brukner, συμβαίνει επειδή οι μετρήσεις δεν μπορούν να είναι απείρως ακριβείς. Το επιχείρημα διατυπώνεται συχνά στα σχολικά βιβλία ότι τα όρια της πειραματικής ανάλυσης μας εμποδίζουν να δούμε την κβαντική διακριτικότητα σε ένα μακροσκοπικό σύστημα:Επειδή οι διακριτές ενεργειακές καταστάσεις πλησιάζουν όλο και περισσότερο καθώς αυξάνεται το μέγεθος του συστήματος, φαίνονται να θολώνουν στο συνεχές των ενεργειών που αντιλαμβανόμαστε, ας πούμε, σε μια κινούμενη μπάλα του τένις. Αλλά αυτός δεν μπορεί να είναι ο μόνος λόγος για τον οποίο οι μπάλες του τένις είναι "κλασικές", επειδή στην πραγματικότητα δεν εξαλείφουν την κβαντικότητα του αντικειμένου—απαγορεύοντας, για παράδειγμα, την υπέρθεση ταχυτήτων της μπάλας του τένις.

Οι Kofler και Brukner έδειξαν ότι, όταν μια μέτρηση είναι «χονδροειδής», έτσι ώστε η ανάλυση είναι ανεπαρκής για να διακρίνει πολλές κβαντικές καταστάσεις ενός πολύ μεγάλου συστήματος, οι κβαντομηχανικές εξισώσεις που περιγράφουν πώς εξελίσσεται στο χρόνο καταρρέουν στο κλασικό εξισώσεις της μηχανικής που επινόησε ο Isaac Newton. «Μπορούμε να δείξουμε αυστηρά ότι κάτω από τις χονδρόκοκκες μετρήσεις, η εμπλοκή ή τα μη τοπικά χαρακτηριστικά καταστάσεων πολλών σωματιδίων ξεπλένονται», λέει ο Brukner. Η κλασική φυσική αναδύεται από την κβαντική φυσική όταν η μέτρηση γίνεται ασαφής, όπως πρέπει πάντα για «μεγάλα» συστήματα:αυτά που αποτελούνται από πολλά σωματίδια με πολλές πιθανές καταστάσεις.

Το επιχείρημα δεν είναι αεροστεγές:Είναι δυνατό κατ' αρχήν (αν και εξαιρετικά δύσκολο στην πράξη) να δημιουργηθούν εξωτικές καταστάσεις στις οποίες ο χονδροειδής κόκκος της μέτρησης ορισμένων ιδιοτήτων του συστήματος δεν διασφαλίζει την κλασικότητα. Αλλά ο Hyunseok Jeong του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σεούλ στη Νότια Κορέα και οι συνεργάτες του έχουν δείξει ότι ακόμη και εδώ υπάρχει μια πτυχή της μέτρησης που καταστρέφει την κβαντική συμπεριφορά. Εκτός από κάποια αναπόφευκτη ασάφεια στο τι μετράμε, λέει ο Jeong, υπάρχει επίσης ένας βαθμός ασάφειας σχετικά με το ακριβώς πότε και πού μετράμε:αυτό που ονομάζει αναφορές μέτρησης. Αυτό έχει επίσης ως αποτέλεσμα να κάνει ένα κβαντικό σύστημα να φαίνεται να συμπεριφέρεται σαν κλασικό.

Ο Kofler λέει ότι η αποσυνοχή και η χονδρόκοκκη των μετρήσεων προσφέρουν δύο συμπληρωματικές διαδρομές στον κλασικό κόσμο. "Εάν έχετε αρκετά ισχυρή αποσυνοχή, αποκτάτε κλασικότητα ανεξάρτητα από τις μετρήσεις σας", λέει. "Και αν έχετε χονδρόκοκκη μέτρηση, αποκτάτε κλασικότητα ανεξάρτητα από την αλληλεπίδραση με το περιβάλλον."

Αυτή η εικόνα προσφέρει μια εντυπωσιακή ανάλυση του παζλ της γάτας του Schrödinger. Δεν θα μπορούσαμε ποτέ να το δούμε σε μια ζωντανή-νεκρή υπέρθεση, λέει ο Brukner, όχι επειδή δεν μπορεί να υπάρξει ως τέτοιο ή λόγω αποσυνοχής, αλλά επειδή, λοιπόν, δεν μπορούσαμε στην πραγματικότητα να δούμε το. «Ακόμα κι αν κάποιος ετοίμαζε μια κατάσταση γάτας Σρέντινγκερ μπροστά μας, δεν θα μπορούσαμε να την αποκαλύψουμε ως τέτοια χωρίς να έχουμε ένα όργανο επαρκούς ακρίβειας». Δηλαδή, οποιαδήποτε μέτρηση που θα μπορούσαμε να κάνουμε στη γάτα δεν θα έδειχνε τίποτα που δεν θα μπορούσε εξίσου να εξηγηθεί από μια κλασική εικόνα. Ακόμη και για τους ταλαντωτές των οπτομηχανικών συσκευών, η ανίχνευση γνήσιων καταστάσεων υπέρθεσης θα είναι πρόκληση, που περιλαμβάνει διαφορές θέσης μόλις κλασμάτων ενός ångstrøm (10 μέτρα). Για τέτοιους λόγους, «είναι αρκετά δύσκολο να δοκιμάσεις αυτές τις ιδέες σε ένα πραγματικό πείραμα», παραδέχεται ο Jeong. Ακόμα κι έτσι, προσθέτει αισιόδοξα, «Ελπίζω να δω την ιδέα μου να δοκιμάζεται σε εργαστήριο στο εγγύς μέλλον».

Υπάρχουν και άλλα επιχειρήματα, επίσης, για το γιατί η αποσυνοχή δεν είναι η όλη εξήγηση για την κβαντική-κλασική μετάβαση. Τις δεκαετίες του 1980 και του 1990 ο διαπρεπής μαθηματικός φυσικός Roger Penrose, και ανεξάρτητα ο Ούγγρος φυσικός Lajos Diósi, πρότειναν ότι η κβαντική συμπεριφορά των μηχανικών συστημάτων μπορεί επίσης να διαταραχθεί από τη βαρύτητα. Εάν είναι έτσι, σημαίνει ότι η κλασική συμπεριφορά είναι βέβαιο ότι θα εκδηλωθεί σε ένα ορισμένο όριο μάζας, ακόμη κι αν μπορούσατε να καταστείλετε εντελώς την αποσυνοχή - επειδή δεν υπάρχει ποτέ κανένα απόκρυψη από τη βαρύτητα. Όταν ένα αντικείμενο «αισθάνεται» τη θέση του άλλου μέσω της βαρύτητας, ισοδυναμεί με ένα είδος μέτρησης που μπορεί να καταστρέψει την κβαντική συνοχή.

Ορισμένοι ερευνητές, όπως ο Markus Aspelmeyer στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης και ο Dirk Bouwmeester στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, ελπίζουν να δοκιμάσουν αυτό το είδος αποσυνοχής χρησιμοποιώντας οπτομηχανική. Μεταξύ των προτάσεων, ο Aspelmeyer και οι συνεργάτες του θέλουν να πραγματοποιήσουν ένα πείραμα που ονομάζεται MAQRO σε έναν διαστημικό δορυφόρο σε μηδενική βαρύτητα, όπου θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν με μεγάλη ευαισθησία την παρεμβολή ύλης-κύματος σωματιδίων πλάτους περίπου 100 νανόμετρων (τεράστια σε κβαντικούς όρους) καθώς υφίστανται ελεύθερη πτώση. Ορισμένες θεωρίες, όπως η ιδέα της βαρυτικής κατάρρευσης των Penrose και Diósi, προβλέπουν ότι για αρκετά μεγάλα σωματίδια η παρεμβολή θα πρέπει να εξαφανιστεί.

Πολύ πρόσφατα, ο φυσικός Roman Schnabel του Πανεπιστημίου του Αμβούργου περιέγραψε μια άλλη πειραματική δοκιμή αποσυνοχής που προκαλείται από τη βαρύτητα. Θα περιλαμβάνει δύο μεγάλους καθρέφτες, βάρους 100 γραμμαρίων ο καθένας και στερεωμένους σε ελατήρια που τα αφήνουν να ταλαντεύονται, που μπλέκονται με δέσμες φωτός που αναπηδούν ανάμεσά τους, έτσι ώστε η εμπλοκή στο φως (που είναι σχετικά εύκολο να τακτοποιηθεί) μπορεί να μετατραπεί σε εμπλοκή οι δύο καθρέφτες. Σβήνοντας το φως και παρακολουθώντας πώς εξελίσσονται οι ταλαντώσεις των κατόπτρων στα επόμενα μικροδευτερόλεπτα, θα ήταν δυνατό να αναζητηθούν κβαντικές συσχετίσεις μεταξύ τους και να αναζητηθούν αποκλίσεις του ρυθμού αποσυνοχής πέρα ​​από αυτό που προβλέπεται από την τυπική κβαντική θεωρία λόγω βαρυτικών επιδράσεων .

Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι τα αυστηρά κβαντομηχανικά φαινόμενα μπορούν να φανούν σε μακροκλίμακα:Τόσο η υπερρευστότητα, όταν ένα υπερψυχρό ρευστό ρέει χωρίς ιξώδες, όσο και η υπεραγωγιμότητα, όταν ένα υλικό φέρει ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση, είναι παραδείγματα αυτού. Και κατά μία έννοια σχεδόν όλα όσα βιώνουμε, από την όραση έως τη στερεότητα των αντικειμένων, εξαρτώνται από αποτελέσματα που μόνο η κβαντική φυσική μπορεί να εξηγήσει.

Αλλά αυτό που μας φαίνεται ότι είναι οι πραγματικές ιδιαιτερότητες της κβαντικής φυσικής (μπλέκωμα και υπερθέσεις, ή με άλλα λόγια διατήρηση της κβαντικής διαφωνίας) είναι άλλο θέμα. Υπάρχει πιθανότητα να μην χρειαστεί να κλιμακώσουμε αυτά τα φαινόμενα σε μεγάλα μεγέθη για να τα δούμε:Το ανθρώπινο μάτι μπορεί να καταγράψει μόλις τρία περίπου φωτόνια και οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις, στην Ουρμπάνα-Σαμπέιν, ελπίζουν να μάθουν πώς ο εγκέφαλος ανταποκρίνεται στα φωτόνια σε κατάσταση υπέρθεσης ή εμπλοκής. Ορισμένοι ερευνητές υποστήριξαν ότι μια τέτοια υπέρθεση θα μπορούσε να παραμείνει στο νευρικό σήμα που αποστέλλεται από τον αμφιβληστροειδή στον εγκέφαλο, έτσι ώστε να είναι δυνατές φευγαλέες «αντιληπτικές υπερθέσεις».

Ωστόσο, η μηχανική εμπλοκή και υπέρθεση σε μακροσκοπικά μεγάλα συστήματα παραμένει ένας σημαντικός στόχος, ακόμα κι αν είναι μακρινός. Η τοποθέτηση μεγάλων συστημάτων στις καταστάσεις γάτας του Σρέντινγκερ δεν είναι απλώς ζήτημα να δούμε αν η περιέργεια πραγματικά σκοτώνει/δεν σκοτώνει τη γάτα. Θα υπήρχαν επίσης πρακτικά οφέλη:Οι κβαντικοί υπολογιστές, οι οποίοι χρησιμοποιούν κβαντικά εφέ για να δώσουν τεράστια ώθηση στην επεξεργαστική ισχύ, θα χρειαστεί να επιτύχουν τη διαπλοκή και τις υπερθέσεις μεγάλου αριθμού κβαντικών bit για να είναι πρακτικοί. Επομένως, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η αποσυνοχή εμφανίζεται καθώς αυξάνεται η κλίμακα και η εύρεση τρόπων για την καταστολή της, είναι ένα από τα κλειδιά για μια βιώσιμη κβαντική τεχνολογία πληροφοριών.

Όλο και περισσότεροι, ωστόσο, οι φυσικοί φαίνεται να καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι τα εμπόδια για τις πραγματικές γάτες Schrödinger είναι τεχνικά και όχι θεμελιώδη. Προς το παρόν, αυτή η διάκριση μπορεί να μην έχει μεγάλη σημασία, λόγω των ορίων στο τι μπορεί να επιτύχει ρεαλιστικά ένα πείραμα. «Νομίζω ότι είναι πρακτικά αδύνατο να καταστείλει εντελώς την αποσυνοχή των μακροσκοπικών υπερθέσεων ή εμπλοκής», λέει ο Jeong. «Και ακόμα κι αν μπορούσατε, ένας άλλος εχθρός - η χονδροποίηση των μετρήσεων - μπορεί να περιμένει να σκοτώσει τις μακροσκοπικές κβαντικές υπερθέσεις». Αλλά πιστεύει ότι, εάν επρόκειτο ποτέ να αναπτύξουμε όργανα αρκετά καλά, και συστήματα αρκετά απομονωμένα, δεν υπάρχει λόγος να υποθέσουμε ότι τα κβαντικά φαινόμενα δεν θα επιβίωσαν σε κλίμακες ανθρώπινου μεγέθους. Μέχρι στιγμής, τίποτα δεν έχουμε ανακαλύψει σχετικά με αντικείμενα στη μέση λύση μεταξύ μικροσκοπικών και μακροεντολών δεν έρχεται σε αντίθεση με αυτήν την άποψη.

Για 2.000 χρόνια υποθέτουμε ότι η κοινή λογική άποψη του Πλάτωνα στη Δημοκρατία ισχύει για τον απτό μας κόσμο:«Το ίδιο πράγμα δεν μπορεί ποτέ να ενεργεί ή να ενεργείται με δύο αντίθετους τρόπους ή να είναι δύο αντίθετα πράγματα ταυτόχρονα». Τώρα δεν είμαστε τόσο σίγουροι. Με τα γατάκια του Σρέντινγκερ να μεγαλώνουν, δεν είναι παράξενο αυτό που ήταν.

Ο Philip Ball είναι ο συγγραφέας του Invisible:The Dangerous Allure of the Unseen και πολλά βιβλία για την επιστήμη και την τέχνη.