Кіт Шредінгера став символом квантового парадоксу, коли об’єкт може перебувати одразу у двох станах. Новий експеримент, описаний на ресурсі SciTechDaily, перевірив одну з найстаріших ідей про те, що саме «вбиває» такі суперпозиції в реальному світі, і не знайшов підтвердження 60‑річній гравітаційній теорії.
Фізики давно намагаються зрозуміти, чому атоми та елементарні частинки демонструють дивну квантову поведінку, а звичні нам об’єкти підкоряються класичній фізиці. Одне з пояснень пов’язує зникнення квантових ефектів із гравітацією, яка нібито руйнує суперпозиції. Нові вимірювання ставлять під сумнів конкретну версію такого підходу.
Як гравітація мала б руйнувати квантові стани
У 1960‑х роках угорський фізик Фрідьєш Каройгазі (Frigyes Károlyházy) запропонував, що простір-час постійно зазнає надзвичайно малих флуктуацій. За його моделлю ці мікроскопічні «тремтіння» поступово знищують квантові суперпозиції, не дозволяючи великим об’єктам поводитися як кіт Шредінгера — бути водночас «живим» і «мертвим».
Ідея Каройгазі поєднує квантову механіку з загальною теорією відносності Ейнштейна, де гравітація описується як викривлення простору-часу. Попри свій вік, ця концепція й далі привертала увагу теоретиків. Дослідник FQxI Анджело Бассі (Angelo Bassi) з колегами нещодавно переформулювали модель так, щоб її можна було перевірити експериментально.
Самих флуктуацій простору-часу безпосередньо не виміряти, але, згідно з моделлю, вони мали б спричиняти крихітні випадкові прискорення електрично заряджених частинок. Це, у свою чергу, породжувало б надзвичайно слабке електромагнітне випромінювання. Виявити це випромінювання — або показати, що його немає — означає перевірити теорію.
Пошук надслабкого сигналу під горою Гран-Сассо
Експеримент, профінансований Фондом фундаментальних питань (FQxI), провели в Національній лабораторії Гран-Сассо (INFN-LNGS) в Італії — найбільшій у світі підземній лабораторії для фундаментальної фізики. Вона розташована під шаром гірської породи завтовшки 1,4 кілометра, що захищає установки від більшості космічного випромінювання, яке могло б «заглушити» слабкий сигнал.
Керівниця досліджень та речниця колаборації VIP Кателіна Курчеану (Catalina Curceanu) пояснює, що природний захист гірської породи створює одне з найтихіших середовищ на Землі для пошуку надзвичайно рідкісних явищ.
Команда використала кристал високочистого германію розміром приблизно з кухоль, оточений шарами мідного та свинцевого екранування. Протягом 62 днів детектор збирав дані. Після цього дослідники оцінили очікуваний фон від відомих джерел радіації та в залишковому сигналі шукали характерну «підпис» випромінювання, яке передбачала модель Каройгазі.
Жодного такого сигналу виявлено не було. Результати опубліковано в журналі New Journal of Physics.
Що означає відсутність випромінювання
За словами Курчеану, сама відсутність очікуваного сигналу є важливим науковим результатом. Вимірювання виключають протестовану версію узагальненої моделі Каройгазі та накладають нові обмеження на пояснення, які пов’язують квантову декогеренцію з флуктуаціями простору-часу.
Це не означає, що гравітація взагалі не бере участі в процесах декогеренції. Інші гравітаційні механізми залишаються можливими, а загальний зв’язок між квантовою механікою та загальною теорією відносності досі не розв’язаний. Однак, як підкреслює Курчеану, виключення однієї з найстаріших і «природних» моделей гравітаційно індукованої декогеренції звужує коло пошуку теорії, яка описує взаємодію гравітації та квантового світу.
Мінімальна довжина та межа між теорією і вимірюванням
Пропозиція Каройгазі спирається на ідею, що в природі існує фундаментальна межа точності вимірювання відстаней і положень. Подібні концепції з’являються в сучасних спробах поєднати гравітацію з квантовою механікою, зокрема в струнній теорії та петльовій квантовій гравітації. У цих підходах звична картина безперервного, ідеально вимірюваного простору-часу може руйнуватися на надмалих масштабах.
«Кожен підхід до квантової гравітації врешті-решт передбачає існування мінімальної довжини, пов’язаної з невизначеністю у вимірюванні простору-часу», — зазначає квантовий фізик Крістіан Пішіккія (Kristian Piscicchia) з Дослідницького центру імені Енріко Фермі/INFN/VIP в Італії, який очолював експериментальну частину роботи.
Нові вимірювання не доводять, чи існує така мінімальна довжина, але вони обмежують одну з конкретних фізичних реалізацій ідеї про невизначеність простору-часу — ту, що мала б проявлятися у вигляді слабкого електромагнітного випромінювання.
Курчеану підкреслює, що сучасні прецизійні експерименти досягають рівня чутливості, за якого можна перевіряти ідеї, що донедавна належали майже виключно до царини теоретичних міркувань. У міру зростання чутливості межа між теорією та вимірюванням зміщується, відкриваючи нові можливості для виявлення фундаментальних принципів, які керують нашим Всесвітом.