Гравитация навряд ли быть может предпосылкой квантового коллапса, подразумевает опыт в Государственной лаборатории Гран-Сассо в Италии.
Одно из «странноватых» положений квантовой теории утверждает, что объект (атом, простая частичка, кот Шрёдингера и пр.) может находиться сходу в 2-ух местах, но мы лицезреем его лишь в одном из их. В учебниках говорится, что в момент наблюдения частичка «рушится» так, что возникает случаем лишь в одном из допустимых состояний. Физики спорят о причинах, по которым это происходит (если это вправду так). И вот одно из самых правдоподобных разъяснений механизма квантового коллапса — повинна гравитация — потерпело беду.
Гравитационная догадка возникла благодаря венгерским физикам Карольхази Фригиесу (Károlyházy Frigyes) и Лайошу Диоси (Lajos Diósi) в 1960—1980-х годах. Основная её мысль заключается в том, что гравитационное поле хоть какого объекта находится вне рамок квантовой теории. Оно сопротивляется помещению объекта в «ненатуральные» композиции различных состояний, либо «суперпозиции». Таковым образом, если частичка обязана быть и тут, и там, то гравитационное поле пробует создать то же самое — но поле не может длительно противостоять напряжению, оно рушится и уносит частичку в одну из точек.
Узнаваемый математик Оксфордского института (University of Oxford) Роджер Пенроуз (Roger Penrose) выступил в поддержку данной нам догадки в конце 1980-х годов, поэтому что, по его словам, она избавляет антропоцентрическое представление о том, что само наблюдение каким-то образом приводит к коллапсу волновой функции. «Это происходит по законам физики, но не поэтому, что кто-то за сиим следит».
Квантовые состояния можно ложить.
В традиционной механике состояние объекта описывается заданием его положения и скорости, которые могут изменяться с течением времени под действием сил в согласовании с законами Ньютона. Главный объект квантовой механики — это волновая функция ψ(x), сплетенная с вероятностью нахождения объекта в точке x. Для её определения употребляется уравнение Шрёдингера — линейное дифференциальное уравнение, описывающее эволюцию данной нам функции с течением времени, тоже под действием различных наружных действий. Отсюда следует сходу несколько «парадоксов», противоречащих ньютоновской картине мира традиционной физики. Во-1-х, частичка уже не находится в определенной точке, а может находиться в любом месте места, лишь с разной вероятностью (быть может, пренебрежимо малеханькой). Во-2-х, волновые функции могут складываться — это и есть «принцип суперпозиции состояний». На традиционном уровне это звучит удивительно. Время от времени в этом месте приводят мысленный опыт с котом Шрёдингера, который может находиться в коробке в «суперпозиции» 2-ух состояний (живого и мёртвого кота). Но для иллюстрации мыслях Пенроуза и Диоси мы видоизменим «опыт Шрёдингера»: пусть есть две коробки, и мы не знаем, в какой из их находится кот. Квантовое состояние системы — суперпозиция 2-ух состояний: «кот слева» и «кот справа». Заместо кота, очевидно, предполагается электрон либо иная простая частичка, которая, рождаясь в каком-либо ядерном процессе, может полететь в различных направлениях и вправду оказаться в различных «коробках». Такие состояния в виде суперпозиции исключающих друг дружку ситуаций физики время от времени даже именуют «кошачьими состояниями» (cat state).
Коты иллюстрируют различные парадоксы квантовой механики.
Обычно этот феномен разъясняют в рамках «субъективистской» интерпретации квантовой механики: в понятии «квантовое состояние» содержится не лишь «беспристрастное», не зависящее от наблюдающего состояние природы, да и наши познания о нём. В примере с ящиками и котами: до того времени, пока мы не откроем ящик (произведём акт измерения), мы не знаем и не имеем способности выяснить местопребывание кота, что смотрится логичным. В момент измерения происходит кризис волновой функции — сейчас мы буквально знаем, где кот. Квантовая волновая функция в данной нам интерпретации всего только отражает данный факт, «кодируя» не лишь состояние природы, да и нашу «меру неведения». Это — одна из тех распространённых интерпретаций квантовой механики, и её полностью довольно для исследования и для работы в данной нам области.
Но такое разъяснение противоречит картине мира традиционной физики, принятой со времени Галилея и Ньютона, в которой наблюдающий должен быть отделён от объекта наблюдения. Потому квантовая механика так «контринтуитивна». В остальных интерпретациях пробуют нащупать её «беспристрастную» базу, исключив наблюдающего из схемы. В этих рамках неувязка коллапса волновой функции — беспристрастное явление, требующее отдельного разъяснения.
Модель Пенроуза дает «объективистское» разрешение феномена. В качестве решающего фактора, объясняющего кризис суперпозиции состояний, она, вослед за мыслями Ричарда Фейнмана, разглядывает силу притяжения. Гравитационное взаимодействие намного слабее трёх остальных взаимодействий (электромагнитного, мощного и слабенького) и на уровне атомов и молекул фактически неощутимо. Но его роль увеличивается, когда мы перебегаем к макроскопическим телам. Квантовая теория гравитации пока что в самом начале развития как наука, и сила притяжения находится вне области квантовой механики. Предполагается, что с адекватным учётом сил притяжения квантовомеханический принцип линейной суперпозиции состояний (главный постулат квантовой механики) должен как минимум перетерпеть конфигурации.
Согласно Общей теории относительности, гравитация проявляется как искривление пространства-времени в месте нахождения громоздкого тела. В схеме Пенроуза—Диоси предполагается, что если система подготовлена в виде суперпозиции 2-ух квантовых состояний с разной пространственной локализацией громоздкой частички, это влечёт за собой суперпозицию соответственных искривлений пространства-времени, как на данной нам схеме из работы.
Модель гравитационного коллапса волновой функции для суперпозиции квантовых состояний (схема Диоси-Пенроуза, DP) и появление лишнего излучения за счёт броуновского движения частиц. Donadi et al., Nat. Phys. (2020).
Но таковая суперпозиция искривлённых участков пространства-времени, по Пенроузу и Диоси, является неуравновешенной и стремится к коллапсу. Они дали независящие оценки соответствующих времён коллапса таковых суперпозиций состояний мощных частиц из-за искривления пространства-времени. Интуитивно понятно, что чем больше масса частиц и меньше расстояние меж ними, тем меньше это время распада состояния. К примеру (это предложенная в одной из работ Пенроуза экспериментальная схема): при массах порядка 10−12 кг и разумных атомных расстояниях меж частичками такие времена должны измеряться миллисекундами, что полностью измеримо. Но для обыденных масс молекул (10−25 кг) соответствующие значения находятся далековато за пределами экспериментальных способностей. Работы в этом направлении, в том числе экспериментальные, сейчас ведутся и рассматриваются разные варианты сотворения квантовых гравитационно-взаимодействующих систем — к примеру, внедрение макромолекул, ухищрения с состояниями фононов (коллективных колебаний атомов в решётке кристалла) и пр.
Тут можно вспомянуть французскую фантастическую комедию «Вторженцы» (Les Visiteurs), в которой волшебный родовой перстень головного персонажа — путника во времени рыцаря Жоффруа де Монмирайя в итоге временного феномена оказался сразу в 2-ух местах — и разрешил эту невозможную ситуацию, «коллапсировав» в одну точку и вызвав природный катастрофа. Непонятно, как создатели кинофильма вдохновлялись феноменами квантовой механики.
Тем не наименее, пока что догадку было нереально проверить с помощью какой-нибудь близкой к реальности технологии, отмечает Диоси, в истинное время работающий в Исследовательском центре Wigner и являющийся соавтором новейшего исследования. «В моей стране меня в течение 30 лет повсевременно критиковали за то, что я рассуждал о чём-то совсем недоказуемом».
Новейшие способы делают подтверждение вероятным. В новеньком исследовании Диоси и остальные учёные пробовали узнать один из тех почти всех методов, будь то гравитация либо некий иной механизм, с помощью которых квантовый кризис проявляется. Создатели работы, не так давно вышедшей в Nature Physics, предложили косвенные методы измерения предполагаемого эффекта «гравитационного коллапса» квантового состояния. Употребляется то, что таковой эффект должен привести к доп хаотическому перемещению, другими словами броуновскому движению частиц, которое можно зафиксировать различными методами. В частности, при всем этом обязано выделяться доп тепло, и этот нагрев можно на теоретическом уровне оценить и измерить. Иной метод, использованный в работе, заключается в том, что если частички владеют электронным зарядом, то их ускоренное движение обязано вызвать доп электромагнитное излучение (как в рентгеновской трубке).
Для проверки данной нам идеи употреблялся сенсор из кристалла германия в виде цилиндра размерами около 8 см. Цель опыта заключалась в поиске лишнего рентгеновского и гамма-излучения протонов в ядрах германия, которое делает электронные импульсы в материале. Конкретно эта часть диапазона в критериях опыта дозволяет достигнуть наибольшего усиления эффекта. Кристалл германия расположили в свинцовую оболочку и расположили эту экспериментальную установку на глубине 1,4 километра под землёй в Государственной лаборатории Гран Сассо (Gran Sasso National Laboratory) в центральной Италии для защиты от остальных источников излучения, до этого всего от галлактических лучей. Таковым образом, единственным неискоренимым источником радиации, вклад от которого можно учитывать независимо, остаются радиоактивные элементы в горной породе, окружающей установку. За два месяца в 2014 и 2015 годах было зафиксировано 576 фотонов, что близко к среднему значению 506, которое ожидалось от естественной радиоактивности в данном окружении.
Экспериментальная установка для измерения спонтанного излучения атомов германия (на схеме — зелёный цилиндр размерами ок. 8 см, экранированный медной и свинцовой оболочкой). Donadi et al., Nat. Phys. (2020).
Для сопоставления, модель Пенроуза предсказала 70 000 таковых фотонов. «Мы должны были узреть следствия квантового коллапса в опыте с германием, но не лицезреем», — гласит соавторица исследования Каталина Курчану (Cătălina Curceanu), сотрудница римского Государственного института ядерной физики (National Institute for Nuclear Physics). Это гласит о том, что гравитация, видимо, не выталкивает частички из их квантовых суперпозиций (опыт также ограничивал, хотя и не исключал, механизмы коллапса, не связанные с гравитацией).
Чтоб подтвердить итог, нужно конструировать суперпозиции состояний конкретно, а не полагаться на случайные природные явления, гласит Иветта Фуэнтес (Ivette Fuentes), сотрудница Саутгемптонского института (University of Southampto): «В принципе, необходимо обучаться создавать суперпозиции квантовых состояний из мощных частиц. И мы работаем в этом направлении». Она гласит, что её команда трудится над созданием туч из 100 миллионов атомов натрия при температуре чуток выше абсолютного нуля.
Невзирая на то, что сам Пенроуз отлично отозвался о новейшей работе, он считает, что на самом деле его догадку проверить малореально. Он гласит, что никогда не был доволен моделью с хаотическими колебаниями частиц при разрушении квантовой суперпозиции, поэтому что из неё следует, что Вселенная получает либо отдаёт энергию в нарушение основного физического принципа (сохранения энергии). Во время карантина он трудился над созданием новейшей усовершенствованной модели. «В ней не происходит ни нагревания, ни излучения», — гласит он. В этом случае гравитация может вызвать кризис, но её следы не так приметны.
Остальные причины, такие как взаимодействие меж протонами и электронами в германии, также могут скрывать разыскиваемый нужный сигнал из-за деяния гравитации, гласит физик-теоретик Маанели Дерахшани (Maaneli Derakhshani) из Института Ратгерса (Rutgers University) в Нью-Брансуике. В целом, по его словам, если гравитация вправду вызывает кризис квантовой суперпозиции, процесс должен быть труднее механизма, который сначало представил Пенроуз. «Можно с полным основанием утверждать, что игра не стоит свеч».