Очевидная странность квантового мира часто иллюстрируется парадоксом воображаемого кота Шредингера, который существует в состоянии неопределенности, будучи одновременно живым и мертвым, пока на него не посмотрит наблюдатель. Но в реальном мире мы никогда не сталкиваемся с такими зомби-кошачьими.
Квантовые эффекты, похоже, не распространяются на очень большие объекты, такие как кошки, люди или дома, и физики не пришли к единому мнению, почему именно нет. Теперь международная группа учёных предложила новый и усовершенствованный способ проверки обоснованности некоторых предложенных альтернативных моделей стандартной квантовой теории, которые предлагают возможное объяснение.
Их работа была опубликована в журнале Physical Review Letters в июне 2024 года.
Согласно стандартной квантовой теории, до того, как объект будет обнаружен, он может существовать в состоянии суперпозиции с несколькими противоречивыми свойствами. Упрощенный способ понимания этого состоит в том, чтобы сказать, что частицы могут находиться в двух местах одновременно, или радиоактивный атом может распасться и не распасться в одно и то же время, говорит Каталина Курчану, член FQxI и экспериментальный ядерный и квантовый физик в Национальном институте ядерной физики (INFN) во Фраскати, Италия.
«Итак, если представить, что вы запираете кошку в коробке с пузырьком яда, который высвобождается при распаде радиоактивного атома, то существует сценарий, в котором радиоактивный источник находится в суперпозиции состояний распавшегося и нераспавшегося, и поэтому пузырь одновременно открыт и закрыт, яд и высвобождается, и содержится, а кошка находится в суперпозиции жизни и смерти», — говорит она.
В экспериментах такие суперпозиции наблюдались в объектах размером с сапфировый кристалл весом 16 микрограммов, например. Согласно стандартной квантовой теории, суперпозиции могли бы, в принципе, сохраняться в ещё более крупных объектах. Но мы не видим этих суперпозиций в повседневной жизни.
Физики описывают квантовые системы математически, используя «волновую функцию», которая может отслеживать её эволюцию. «По какой-то причине эти волновые функции при наблюдении склонны «коллапсу» — в этот момент квантовые системы ведут себя как обычные «классические» системы, теряя свои подлинные квантовые атрибуты», — говорит Курчану.
«Но стандартная квантовая теория не может сказать нам, как или почему это происходит. В этом суть так называемой «проблемы измерения» в квантовой механике».
Проблема измерения побудила независимые группы учёных разработать ряд различных объяснений, среди которых есть «модели квантового коллапса» — конкурирующие альтернативы стандартной квантовой теории, «которые предполагают, что физический процесс запускает коллапс волновой функции таким образом, что чем больше система, тем быстрее происходит коллапс», — говорит Курчану.
Эти модели интересны, поскольку они предсказывают эффекты, которые отсутствуют в стандартной квантовой механике, в форме спонтанного излучения, объясняет Курчану. «Это означает, что эксперименты могут однажды найти доказательства того, что эти модели верны», — говорит она.
Доказательства краха
Существует два основных типа моделей квантового коллапса: первые называются моделями непрерывной спонтанной локализации (CSL), в которых коллапс вызван внутренним случайным процессом, который может быть или не быть связан с гравитацией или чем-то ещё. Этот процесс происходит спонтанно и непрерывно.
Во втором наборе моделей коллапс явно связан с гравитацией, например, в так называемых моделях Диоши-Пенроуза, разработанных независимо членами FQxI Лайошем Диоши из Университета Этвеша Лоранда в Будапеште, Венгрия, и лауреатом Нобелевской премии по физике Роджером Пенроузом из Оксфордского университета в Великобритании.
Курчану и её коллеги — и другие независимые группы — потратили много лет на поиск признаков такого спонтанного излучения в форме высокоэнергетического «гамма»-излучения. Но пока они не нашли никаких доказательств этого. Это позволило физикам ограничить и исключить различные версии моделей коллапса — в частности, простейшую версию моделей коллапса, связанных с гравитацией, — а также ограничить параметры моделей CSL.
В своей последней работе в Physical Review Letters Курчану, Диоси, Кристиан Пишиккиа и Симоне Манти (также из INFN), Сандро Донади (из Университета Квинс в Белфасте, Ирландия), Анджело Басси (из Университета Триеста в Италии) и Маанели Дерахшани (член FQxI из Ратгерского университета в Нью-Джерси) рассчитали характеристики спонтанного электромагнитного излучения, которое должно испускаться атомными системами при более низких энергиях в рентгеновской области.
Команда обнаружила большие различия с предыдущими ожиданиями для самых простых моделей. «Довольно удивительно, что в этом низкоэнергетическом режиме было обнаружено, что скорость спонтанного излучения сильно зависит от исследуемого вида атомов», — говорит Пишиккиа.
«Впервые было обнаружено, что эмиссия зависит от конкретной модели коллапса», — говорит Манти.
Курчану и её коллеги обновляют свой собственный эксперимент, проведенный в подземной лаборатории LNGS-INFN в Италии, для поиска этих рентгеновских лучей. Они планируют изучить предсказанную связь между спонтанным излучением и атомной структурой в специальных экспериментах с использованием нескольких мишеней.
«Это позволило бы нам лучше ограничить модели коллапса и, если сигнал будет обнаружен, определить его причину, что, конечно, будет иметь огромные последствия для всей науки», — говорит Курчану.
Ведёт расследования о коррупции в любых эшелонах власти
