Переосмысление встречи теории относительности с квантовой физикой

 

Одни правила работают в масштабах атомов, другие – космоса. Физики уже смогли слить воедино квантовую теорию и специальную теорию относительности, и теперь они надеются создать теорию всего, которая сможет продемонстрировать, как устроена вся Вселенная на фундаментальном уровне.

 

Пока что внимание было сосредоточено на происходящем в условиях высоких энергий, существовавших в первые моменты Большого взрыва, где обе теории должны предлагать ответы. Проблема заключается в том, что экспериментировать с подобными теориями невероятно сложно. Для этого необходимо построить ускоритель размером с Солнечную систему, говорит Роджер Пенроуз из Оксфордского университета.

Но вполне вероятно, что квантовый мир имеет больше общего с теорией относительности, чем мы думаем. Согласно Пенроузу, мы десятилетиями проводили эксперименты, объединяющие квантовую теорию и гравитацию, а с небольшими доработками они смогут предложить другой путь к открытиям, к которым мы стремимся.

До сих пор взаимное влияние некоторых странностей физики друг на друга в основном игнорировалось. Возьмем хотя бы тот факт, что атомы и маленькие молекулы могут существовать в двух местах одновременно и находиться в состоянии, известном как суперпозиция (см. главу 2). Общая теория относительности утверждает, что масса искажает пространство и время. Получается, что в состоянии суперпозиции масса атома создает два отдельных искажения в пространстве-времени, действуя таким образом на себя силой тяжести (см. рис. 8.2)? В более фундаментальном плане это вызывает сомнения, что теория относительности в принципе допускает появление суперпозиции. Причина, по которой квантовая реальность так отличается от нашего повседневного опыта, может быть прямо у нас под носом.

Возможно, новое поколение экспериментов сможет ответить на эти вопросы, исследуя воздействие гравитации на хрупкие квантовые состояния. Классический способ увидеть эффект суперпозиции – запустить атом по экрану с двумя щелями. Результатом станет интерференционная картина, образующаяся на детекторе, расположенном за щелями: набор четко выраженных полос, где атомы, судя по всему, ударяют по детектору, чередуется с пустыми местами, куда, видимо, не попал ни один из атомов. Единственное объяснение такой картины состоит в том, что атом проходит через две щели и две части его волновой функции интерферируют перед тем, как он достигнет детектора. Если вы затем добавите еще один детектор, чтобы измерить, через какую щель прошел атом, он разрушит интерференционную картину.

 

Рис. 8.2. Важная дилемма: все объекты оставляют свой след в пространстве-времени, но как частица, способная быть в нескольких местах одновременно, воздействует на саму себя?

 

Имеется много идей на счет того, почему так происходит. Большинство из них связано с потерей информации: считывание траектории атома заставляет его выбрать один путь или другой и не позволяет ему выбрать оба. Эксперименты показали, что там даже не нужен детектор: нагрева атома, вследствие которого он излучает фотоны, которые можно использовать для определения его положения, кажется, достаточно для ослабления интерференционной картины.

Для объектов побольше суперпозиция намного более труднодостижима. Мы создали интерференционные картины с помощью молекул, составленных из сотен атомов, но чем массивней они становятся, тем короче жизнь суперпозиции. Это может быть связано с потерей информации, но некоторые исследователи подозревают, что тут работает другое воздействие. Они предполагают, что гравитация является реальной причиной того, почему массивные скопления атомов, включая нас самих, не ведут себя как квантовые частицы.

 

Роль гравитации

 

Однако проверить это предположение будет далеко не просто, потому что суперпозиции атомов – очень хрупкая вещь. Но наши методы защиты их от тепла, вибраций и других возмущений постоянно совершенствуются, а это значит, что скоро мы сможем вплотную подойти к проблеме понимания роли гравитации.

Например, Сиско Гудинг, защитивший докторскую диссертацию в Университете Британской Колумбии в Ванкувере (Канада), и его бывший научный руководитель Билл Унру изучают, как атом в суперпозиции подвергается действию времени, пока он пролетает по разным путям и накладывается на самого себя, давая интерференционную картину. Атом в данном случае можно представить как крохотный осциллятор, немного похожий на маятник часов. Отправьте его по двум разным пространственно-временным путям – и он станет двумя часами, тикающими по-разному; когда они снова объединятся, данные этих часов не обязательно будут согласованы, говорит Гудинг. Этого должно хватить, чтобы ухудшить интерференционную картину предсказуемыми и обнаружимыми способами.

У Игоря Пиковского из Гарвардского университета есть другой план, основанный на временных аномалиях. Во время работы с группой Часлава Брукнера в Венском университете у него появилось предположение, что можно привести часы в суперпозицию двух разных высот над землей. Это означало бы, что две части суперпозиции существуют в разных частях гравитационного поля Земли. Согласно общей теории относительности, часы идут быстрее в более слабых гравитационных полях. За свою жизнь ваша голова постареет на 300 наносекунд больше, чем ваши ступни.

Это создает проблему для одноатомных часов, находящихся в суперпозиции. Тот факт, что атом записывает разное время в разных местах, выдает информацию о его положении, и это разрушает когерентность. Когда эти два времени расходятся, атом вынужден вернуться на одну из высот. Другими словами, растяжение времени вследствие гравитации может объяснить, почему мы не видим квантовые суперпозиции в нашем повседневном мире. Это может быть проверено с использованием методики «атомного фонтана», по которой атомы выталкиваются вверх сквозь поля микроволнового излучения, за счет чего создаются ультраточные интерферометры.

Других экспериментаторов привлекает иной тип суперпозиции. Дирк Баумейстер из КУСБ и Маркус Аспельмейер из Венского университета независимо изготавливают конструкции, зеркально симметричные друг другу. Эти структуры похожи скорее на трамплины для прыжков в воду, существующие в двух конфигурациях одновременно. Когда фотон, находящийся в суперпозиции, ударяет по зеркалу, он может привести конструкцию в суперпозицию, в которой она и дрожит (как если бы ныряльщик только что прыгнул с трамплина), и находится в спокойном состоянии. Впервые это было достигнуто несколько лет назад, а сейчас Пенроуз предположил, что каждая часть суперпозиции вышки, должно быть, создает столько гравитации для другой, что они коллапсируют в одну.

Перед группами Баумейстера и Аспельмейера была поставлена следующая задача – заставить суперпозицию длиться достаточно долго, чтобы исследовать этот эффект. Одна из проблем этих «трамплинов для прыжков в воду» состоит в том, что их трудно отсоединить от их окружения. Это приводит к коллапсу суперпозиции из-за вибраций, прошедших через установку, а не из-за гравитации.

 

Считая атомы

 

Создание и изучение суперпозиций больших объектов (больших с квантовой точки зрения) в любом случае представляет собой новую территорию для исследователей. Неудивительно, что есть и другие идеи насчет того, почему реальность прекращает быть квантовой на больших масштабах.

Одной из них является мнение, что мы должны пересмотреть саму квантовую теорию. Более продуманный вариант, называемый теорией Джирарди – Римини – Вебера, включает явление, известное как спонтанная локализация, которая делает суперпозицию недоступной для объектов, число частиц которых превышает определенное количество. Эта теория предполагает, что действительно важным фактором является распределение массы – ее плотность. И мы довольно скоро сможем найти эти конкретные значения. Группа Маркуса Арндта из Венского университета повторяет двухщелевой интерферометрический эксперимент с все более крупными объектами. Арндт считает, что спонтанная локализация подействует на частицы с массами, лежащими в пределах примерно от 100 000 до 100 миллионов масс протона. Но прежде чем ссылаться на гравитацию, они должны исключить спонтанную локализацию.

Научное сообщество расходится во мнении, настолько подобная работа способствует поиску теории всего. Многие считают, что сама эта теория – перспектива столь же далекая, как и прежде. Но если мы обнаружим, что гравитация интерферирует с квантовым миром, это может стать неплохим стартом. Гудинг думает, что ответы на эти вопросы мы сможем обрести в течение следующих десяти лет. Это прогресс.