Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

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.

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.