Якби на кота у знаменитому розумовому експерименті Е. Шредінгера мали вплив лише квантові ефекти, він був би здатний існувати у двох станах водночас — живому і мертвому. Причина, чому в повсякденному житті ми не бачимо суперпозицій — паралельних станів квантової системи, — полягає у постійному втручанні з довкілля. Тільки-но така система, наприклад кіт, взаємодіє з частинкою або полем, як вона відразу набуває лише один зі станів, колапсуючи у звичний для нас, класичний світ.
Проте навіть якщо фізикам і вдасться повністю ізолювати великий об'єкт від впливу всіх зовнішніх частинок та полів, він, зі слів науковців з Віденського університету, однаково втрачатиме суперпозицію. Принаймні якщо перебуватиме на поверхні Землі, а не в далекому космосі. «Можливо, якщо експеримент з котом Шредінгера поставити у міжзоряному просторі, нам таки вдасться зґенерувати одночасно живого і мертвого кота. Проте ні на Землі, ні на поверхні будь-якої іншої планети це не вийде», — стверджує фізик з Віденського університету Ігор Піковський. Причина — ґравітація.
У статті, опублікованій 15 червня в Nature, Піковський надав лише математичні докази своєї ідеї. Однак нею вже зацікавились експериментатори, які хочуть на практиці перевірити, чи справді ґравітація змушує системи у квантовій суперпозиції колапсувати до одного з можливих станів, каже Хендрік Ульбрихт, фізик з Університету Саутгемптона (Сполучене Королівство). Але технології, які необхідні, щоб це дослідити, з'являться щойно через десятиліття.
Ключовий принцип, що лежить в основі ідеї Піковського, відомий з фільму Interstellar. Згідно з загальною теорією відносності А. Ейнштейна, масивні об'єкти деформують навколо себе час і простір, змушуючи розміщений поблизу годинник відставати (героєві стрічки, який опинився біля чорної діри, здалося, що спливла година, хоча на Землі за той час минуло сім років). Для молекули, яка розміщена поблизу Землі, стверджує Піковський, час має йти повільніше, ніж для молекули, яка перебуває подалі.
Розбіжності у позиції також чинитимуть вплив на її внутрішню енергію — вібрацію субатомних частинок всередині молекули. Якщо суперепозиція молекули стосується до її положення у двох місцях одночасно, то зв'язок між суперпозицією та внутрішньою енергією змусить цей дуальний стан колапсувати до однієї з опцій. «У більшості випадків, — стверджує Піковський, — втрата стану суперпозиції зумовлена чимось зовнішнім; у цьому випадку її причиною стає колізія між молекулою та погойдуванням розміщених у ній-таки субатомних частинок».
Досі цей ефект ще ніхто не спостерігав, адже у систему втручались набагато потужніші чинники: магнітні поля, теплове випромінювання тощо. Вони усувають суперпозицію набагато швидше, ніж це зробить ґравітація. Проте експериментатори обмірковують, як усунути ці фактори, щоб протестувати саму лише ґравітацію.
Фізик з Віденського університету Маркус Арндт вже провадить експерименти, намагаючись побачити квантову суперпозицію на великих об'єктах. Науковець використовує атомний інтерферометр, який змушує молекулу в стані квантової суперпозиції рухатись одночасно двома шляхами, траекторії яких збігаються. Як наслідок, молекула інтерферує сама з собою, утворюючи специфічний хвилеподібний рисунок.
Аналогічний принцип можна застосувати, щоб протестувати спроможність ґравітації руйнувати суперпозицію, а саме — порівнюючи показники вертикального інтерферометра, де, згідно з гіпотезою, суперпозиція має руйнуватись через розбіжність ґравітаційного впливу, з вертикальним, у якому вона має зберігатись. Арндт, що тестує цей ефект на великих молекулах, які складаються зі сотень атомів, каже, що такі молекули ідеально надаються для тестування ґравітаційного ефекту, адже вони мають чималу внутрішню енергію. Однак нівеляція впливів навколишнього середовища кидає великі виклики для експериментаторів.
Можливо, що на Землі це взагалі неможливо зробити, і тоді такий експеримент треба буде здійснювати в космосі, каже Анджело Бассі, фізик з Університету м. Трієст в Італії. «Однак з фундаментального погляду він не відкриє нічого нового», — стверджує науковець. Ґравітаційне поле — лише одне з можливих середовищ, з яким взаємодіють квантові системи, і навіть якщо пом'якшити його вплив (наприклад, провадячи експеримент в космосі), то це не проллє світла на те, чи квантові ефекти стосуються і до класичної реальності.
При тому ефекти, що їх описали Піковський з колеґами, нічого не кажуть про квантову ґравітацію, тобто теорію, яка об'єднує ґравітацію і квантову механіку за допомогою єдиного пояснення, над чим сьогодні працюють чимало теоретиків. Його інтерпретація ґравітації суто релятивістська, тому серйозні запитання залишаються і на суто теоретичному рівні.
Elizabeth Gibney
How gravity kills Schrödinger's cat
Nature, 15/06/2015
Зреферував Євген Ланюк
19.06.2015