Гравитация вряд ли может быть причиной квантового коллапса, предполагает эксперимент в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии.
Одно из «странных» положений квантовой теории утверждает, что объект (атом, элементарная частица, кот Шрёдингера и пр.) может находиться сразу в двух местах, но мы видим его только в одном из них. В учебниках говорится, что в момент наблюдения «волновая функция частицы коллапсирует» так, что частица появляется случайно только в одном из допустимых состояний. Физики спорят о причинах, по которым это происходит (если это действительно так). И вот одно из самых правдоподобных объяснений механизма квантового коллапса — виновата гравитация — потерпело неудачу.
Гравитационная гипотеза появилась благодаря венгерским физикам Карольхази Фригиесу (Károlyházy Frigyes) и Лайошу Диоси (Lajos Diósi) в 1960—1980-х годах. Основная её идея заключается в том, что гравитационное поле любого объекта находится вне рамок квантовой теории. Оно сопротивляется помещению объекта в «неестественные» комбинации разных состояний, или «суперпозиции». Таким образом, если частица должна быть и здесь, и там, то гравитационное поле пытается сделать то же самое — но поле не может долго противостоять напряжению, оно рушится и уносит частицу в одну из точек.
Известный математик Оксфордского университета (University of Oxford) Роджер Пенроуз (Roger Penrose) выступил в поддержку этой гипотезы в конце 1980-х годов, потому что, по его словам, она устраняет антропоцентрическое представление о том, что само наблюдение каким-то образом приводит к коллапсу волновой функции. «Это происходит по законам физики, но не потому, что кто-то за этим наблюдает».
В классической механике состояние объекта описывается заданием его положения и скорости, которые могут изменяться со временем под действием сил в соответствии с законами Ньютона. Основной объект квантовой механики — это волновая функция ψ(x), связанная с вероятностью нахождения объекта в точке x. Для её определения используется уравнение Шрёдингера — линейное дифференциальное уравнение, описывающее эволюцию этой функции со временем, тоже под действием всевозможных внешних воздействий. Отсюда следует сразу несколько «парадоксов», противоречащих ньютоновской картине мира классической физики. Во-первых, частица уже не находится в конкретной точке, а может находиться в любом месте пространства, только с разной вероятностью (может быть, пренебрежимо маленькой). Во-вторых, волновые функции могут складываться — это и есть «принцип суперпозиции состояний». На классическом уровне это звучит странно. Иногда в этом месте приводят мысленный эксперимент с котом Шрёдингера, который может находиться в коробке в «суперпозиции» двух состояний (живого и мёртвого кота).
Обычно этот парадокс объясняют в рамках «субъективистской» интерпретации квантовой механики: в понятии «квантовое состояние» содержится не только «объективное», не зависящее от наблюдателя состояние природы, но и наши знания о нём. В примере с ящиками и котами: до тех пор, пока мы не откроем ящик (произведём акт измерения), мы не знаем и не имеем возможности узнать местонахождение кота, что выглядит логичным. В момент измерения происходит коллапс волновой функции — теперь мы точно знаем, где кот. Квантовая волновая функция в этой интерпретации всего лишь отражает этот факт, «кодируя» не только состояние природы, но и нашу «меру незнания». Это — одна из нескольких распространённых интерпретаций квантовой механики, и её вполне достаточно для изучения и для работы в этой области.
Но такое объяснение противоречит картине мира классической физики, общепринятой со времени Галилея и Ньютона, в которой наблюдатель должен быть отделён от объекта наблюдения. Поэтому квантовая механика так «контринтуитивна». В других интерпретациях пытаются нащупать её «объективную» основу, исключив наблюдателя из схемы. В этих рамках проблема коллапса волновой функции — объективное явление, требующее отдельного объяснения.
Модель Пенроуза предлагает «объективистское» разрешение парадокса. В качестве решающего фактора, объясняющего коллапс суперпозиции состояний, она, вслед за идеями Ричарда Фейнмана, рассматривает силу притяжения. Гравитационное взаимодействие намного слабее трёх других взаимодействий (электромагнитного, сильного и слабого) и на уровне атомов и молекул практически неощутимо. Однако его роль возрастает, когда мы переходим 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 (основной постулат квантовой механики) должен как минимум претерпеть изменения.
Согласно Общей теории относительности, гравитация проявляется как искривление пространства-времени в месте нахождения массивного тела. В схеме Пенроуза—Диоси предполагается, что если система подготовлена в виде суперпозиции двух квантовых состояний с разной пространственной локализацией массивной частицы, это влечёт за собой суперпозицию соответствующих искривлений пространства-времени, как на этой схеме из работы.
Однако такая суперпозиция искривлённых участков пространства-времени, по Пенроузу и Диоси, является неустойчивой и стремится к коллапсу. Они дали независимые оценки характерных времён коллапса таких суперпозиций состояний массивных частиц из-за искривления пространства-времени. Интуитивно понятно, что чем больше масса частиц и меньше расстояние между ними, тем меньше это время распада состояния. Например (это предложенная в одной из работ Пенроуза экспериментальная схема): при массах порядка 10−12 кг и разумных атомных расстояниях между частицами такие времена должны измеряться миллисекундами, что вполне измеримо. Но для обычных масс молекул (10−25 кг) характерные значения находятся далеко за пределами экспериментальных возможностей. Работы в этом направлении, в том числе экспериментальные, сегодня ведутся и рассматриваются различные варианты создания квантовых гравитационно-взаимодействующих систем — например, использование макромолекул, ухищрения с состояниями фононов (коллективных колебаний атомов в решётке кристалла) и пр.
Тем не менее, пока что гипотезу было невозможно проверить с помощью какой-либо реалистичной технологии, отмечает Диоси, в настоящее время работающий в Исследовательском центре Wigner и являющийся соавтором нового исследования. «В моей стране меня в течение 30 лет постоянно критиковали за то, что я рассуждал о чём-то совершенно недоказуемом».
Новые методы делают доказательство возможным. В новом исследовании Диоси и другие учёные пытались выяснить один из тех многих способов, будь то гравитация или какой-то другой механизм, с помощью которых квантовый коллапс проявляется. Авторы работы, недавно вышедшей в Nature Physics, предложили косвенные способы измерения предполагаемого эффекта «гравитационного коллапса» квантового состояния. Используется то, что такой эффект должен привести к дополнительному хаотическому перемещению, то есть броуновскому движению частиц, которое можно зафиксировать разными способами. В частности, при этом должно выделяться дополнительное тепло, и этот нагрев можно теоретически оценить и измерить. Другой способ, использованный в работе, заключается в том, что если частицы обладают электрическим зарядом, то их ускоренное движение должно вызвать дополнительное электромагнитное излучение (как в рентгеновской трубке).
Для проверки этой идеи использовался детектор из кристалла германия в виде цилиндра размерами около 8 см. Цель эксперимента заключалась в поиске избыточного рентгеновского и гамма-излучения протонов в ядрах германия, которое создает электрические импульсы в материале. Именно эта часть спектра в условиях эксперимента позволяет добиться максимального усиления эффекта. Кристалл германия поместили в свинцовую оболочку и расположили эту экспериментальную установку на глубине 1,4 километра под землёй в Национальной лаборатории Гран Сассо (Gran Sasso National Laboratory) в центральной Италии для защиты от других источников излучения, прежде всего от космических лучей. Таким образом, единственным неустранимым источником радиации, вклад от которого можно учесть 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.
Для сравнения, модель Пенроуза предсказала 70 000 таких фотонов. «Мы должны были увидеть следствия квантового коллапса в эксперименте с германием, но не видим», — говорит соавторица исследования Каталина Курчану (Cătălina Curceanu), сотрудница римского Национального института ядерной физики (National Institute for Nuclear Physics). Это говорит о том, что гравитация, видимо, не выталкивает частицы из их квантовых суперпозиций (эксперимент также ограничивал, хотя и не исключал, механизмы коллапса, не связанные с гравитацией).
Чтобы подтвердить результат, необходимо конструировать суперпозиции состояний непосредственно, а не полагаться на случайные природные явления, говорит Иветта Фуэнтес (Ivette Fuentes), сотрудница Саутгемптонского университета (University of Southampto): «В принципе, нужно учиться создавать суперпозиции квантовых состояний из массивных частиц. И мы работаем в этом направлении». Она говорит, что её команда работает над созданием облаков из 100 миллионов атомов натрия при температуре чуть выше абсолютного нуля.
Несмотря на то, что сам Пенроуз хорошо отозвался о новой работе, он считает, что на самом деле его гипотезу проверить малореально. Он говорит, что никогда не был доволен моделью с хаотическими колебаниями частиц при разрушении квантовой суперпозиции, потому что из неё следует, что Вселенная получает или отдаёт энергию в нарушение основного физического принципа (сохранения энергии). Во время карантина он работал над созданием новой улучшенной модели. «В ней не происходит ни нагревания, ни излучения», — говорит он. В этом случае гравитация может вызвать коллапс, но её следы не так заметны.
Другие факторы, такие как взаимодействие между протонами и электронами в германии, также могут скрывать искомый полезный сигнал из-за действия гравитации, говорит физик-теоретик Маанели Дерахшани (Maaneli Derakhshani) из Университета Ратгерса (Rutgers University) в Нью-Брансуике. В целом, по его словам, если гравитация действительно вызывает коллапс квантовой суперпозиции, процесс должен быть сложнее механизма, который первоначально предположил Пенроуз. «Можно с полным основанием утверждать, что игра не стоит свеч».