Физики провели эксперимент, который опроверг одну из старых теорий, объясняющих, почему квантовые эффекты, такие как знаменитый кот Шрёдингера, который одновременно и жив и мёртв, не наблюдаются в повседневном мире. За два месяца измерений в лаборатории глубоко под горой в Италии учёные не обнаружили слабого излучения, которое предсказывала теория. Согласно ей, квантовые состояния разрушает гравитация.
Явление, которое объясняет, почему частицы могут вести себя по законам квантовой механики, а привычные нам большие предметы — по законам классической физики, называется декогеренцией. «Один из глубочайших вопросов современной физики — почему странное квантовое поведение, которое управляет атомами и элементарными частицами, исчезает в макроскопическом мире, который мы видим каждый день», — говорит Каталина Курчеану, научный руководитель и представитель коллаборации VIP в Национальном институте ядерной физики Италии.
В 1960-х годах венгерский физик Фридьеш Каройхази предположил, что само пространство-время постоянно испытывает крошечные флуктуации, то есть случайные колебания. По его модели, эти возмущения постепенно разрушают квантовую суперпозицию — состояние, в котором объект может находиться в нескольких местах или состояниях одновременно. Эта идея связывала квантовую механику с общей теорией относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию как искривление пространства-времени.
Хотя измерить эти предполагаемые флуктуации напрямую нельзя, у них должно быть заметное последствие. Они заставляли бы заряженные частицы совершать крошечные случайные ускорения, из-за которых те испускали бы очень слабое электромагнитное излучение. Обнаружить это излучение или доказать его отсутствие — способ проверить теорию.
Эксперимент проходил в Национальной лаборатории Гран-Сассо, крупнейшей в мире подземной лаборатории для фундаментальных исследований. Она расположена под 1,4 километрами скальной породы, которая защищает чувствительные приборы от космических лучей. Исследователи использовали кристалл чистого германия размером с кофейную кружку, окружённый слоями меди и свинца. Проанализировав данные, собранные за 62 дня, и вычтя ожидаемый фоновый шум, они не нашли сигнала, который предсказывала модель Каройхази. Результаты опубликованы в журнале New Journal of Physics.
«Отсутствие сигнала — само по себе важный научный результат», — говорит Каталина Курчеану. Измерения исключают проверенную версию модели Каройхази и накладывают новые ограничения на теории, которые объясняют квантовую декогеренцию флуктуациями пространства-времени.
Результаты не доказывают, что гравитация не играет никакой роли в этом процессе. Остаются возможными другие гравитационные механизмы, и вопрос о связи квантовой механики и общей теории относительности по-прежнему не решён.
Исключив одну из старейших и наиболее естественных моделей декогеренции под действием гравитации, эта работа сужает область поисков теории, описывающей взаимодействие между гравитацией и квантовой механикой, и приближает нас на один шаг к пониманию одной из глубочайших тайн фундаментальной физики.
— Каталина Курчеану, руководитель исследования
Письма читателей