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

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.

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.

Парадоксов в физике всегда было предостаточно. Вот кот, который может быть и мертвым, и живым одновременно; путешественник во времени, убивающий своего собственного деда; близнецы, расходящиеся во мнении о возрасте после того, как один из них вернулся из путешествия на околосветовой скорости к соседней звезде. Каждый озадачивающий сценарий заставлял нас исследовать мельчайшие нюансы проблемы, продвигая наше понимание теорий, лежащих за ней.

А теперь парадоксы, скрывающие черную дыру (см. рис. 8.3), могут помочь физикам наконец построить теорию квантовой гравитации. Вернемся в 1974 год, когда Стивен Хокинг и Яаков Бекенштейн из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) показали, что черные дыры излучают фотоны и другие квантовые частицы в мучительно медленном процессе, который в конечном итоге приведет к испарению черной дыры. Хокинг заметил противоречие, которое порождала эта картина. Кажется, что излучение настолько случайно, что, как он предполагал, оно не может нести никакой информации о веществе, упавшем в черную дыру. И так как черная дыра испаряется, любая информация, попавшая в нее, должна в конце концов исчезнуть. Но это находится в непосредственном конфликте с ключевым принципом квантовой физики, утверждающим, что информацию нельзя разрушить. Так родился информационный парадокс черной дыры.

Рис. 8.3. Черная дыра в представлении художника.

Хокинг был уверен, что черная дыра разрушает информацию, и следующий шаг должна сделать квантовая физика, чей главный принцип был опровергнут. Другие были не согласны. Идея Хокинга пришла из его попыток собрать воедино общую теорию относительности и квантовую механику – настолько трудоемкий математический подвиг, что он был вынужден использовать приблизительные значения. Джон Прескилл, американский ученый, работающий в области теоретической физики, даже заключил с Хокингом пари, что черные дыры не разрушают информацию (см. ниже в блоке «Перелом в убеждениях Хокинга»).