Ученые проверили предположение, по которому гравитационные колебания пространства-времени способны разрушать квантовую суперпозицию и тем самым объяснять, почему крупные тела не проявляют свойств частиц. Опыт, проведенный в подземной лаборатории Гран-Сассо, не показал ожидаемого излучения. О причинах, по которым этот итог ограничивает одну из теорий квантовой декогеренции, — в материале «Известий».
Как гравитацию увязали с пропажей квантовых эффектовКвантовая механика разрешает частицам находиться в суперпозиции — одновременном сочетании нескольких возможных состояний. Но в обычном макроскопическом мире такое поведение не фиксируется. Процесс, при котором квантовые эффекты пропадают, именуют декогеренцией.
Согласно одной из гипотез, в этом может быть задействована сама гравитация. В 1960-е годы венгерский физик Фридьеш Каройхази выдвинул модель, по которой пространство-время подвержено неизбежным малым флуктуациям — любым случайным отклонениям какой-либо величины от ее среднего или равновесного значения. Они, в свою очередь, могли бы постепенно уничтожать квантовые суперпозиции.
Позднее эту мысль развивали и уточняли другие исследователи. Новая работа была нацелена на экспериментальную проверку обобщенной версии модели Каройхази. Исследование опубликовано в журнале New Journal of Physics.
Что пытались найти в глубине под горой Гран-СассоПрямо зафиксировать предполагаемые флуктуации пространства-времени нельзя. Но теория предсказывает их косвенный эффект: они должны побуждать электрически заряженные частицы беспорядочно двигаться и ускоряться. В итоге должно появляться чрезвычайно слабое электромагнитное излучение.
Чтобы уловить такой сигнал, исследователи поставили эксперимент в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Она находится под 1,4 км горной породы, которая ограждает оборудование от немалой части фонового излучения, включая космические лучи.
Каталина Курчану, член Института основополагающих вопросов
Естественная защита, обеспечиваемая этой породой, создает одну из самых спокойных сред на Земле для обнаружения крайне редких физических явлений.
Для измерений применяли детектор с кристаллом высокочистого германия размером примерно с кофейную кружку. Его дополнительно экранировали слоями меди и свинца. Данные накапливали 62 дня, после чего из результатов убрали ожидаемый фон и сопоставили оставшийся сигнал с предсказаниями модели Каройхази.
Почему физики не увидели ожидаемого сигналаПосле обработки данных исследователи не зафиксировали излучения, которое предсказывала проверяемая модель. Тем самым эксперимент не подтвердил допущение о том, что описанные в ней гравитационные флуктуации дают наблюдаемый эффект.
Отсутствие сигнала не значит, что гравитация вообще никак не связана с квантовой декогеренцией. Полученный итог исключает конкретную версию механизма, предложенного в рамках модели Каройхази, и задает более жесткие ограничения для похожих теорий. По словам исследователей, отсутствие ожидаемого сигнала само по себе является значимым результатом. Теперь физикам нужно искать другие объяснения того, как связаны квантовая механика и гравитация.
Каталина Курчану
Что опыт меняет в поисках квантовой гравитацииИсключив одну из старейших и наиболее естественных моделей декогеренции, вызванной гравитацией, эта работа сужает круг поиска теории, описывающей взаимодействие между гравитацией и квантовой механикой, приближая нас на один шаг к пониманию одной из самых глубоких загадок фундаментальной физики.
Модель Каройхази опирается на допущение о фундаментальном пределе точности, с которой можно установить положение объекта или измерить расстояние. Сходные идеи о минимальной длине появляются и в других подходах к объединению квантовой механики с гравитацией, включая теорию струн и петлевую квантовую гравитацию.
Авторы исследования подчеркивают, что эксперименты уже дают возможность проверять некоторые предсказания теорий, которые прежде считались почти недоступными для наблюдений. Рост чувствительности измерительных установок может расширить возможности таких проверок.
Кристиан Пишиччиа, квантовый физик и руководитель экспериментальной части исследования
Любой подход к квантовой гравитации в конечном итоге сводится к предсказанию существования минимальной длины, связанной с неопределенностью в измерении пространства-времени.
Таким образом, работа не решает вопрос о природе квантовой декогеренции, но позволяет исключить один из вариантов ее объяснения. Следующим этапом станет проверка других моделей, связывающих квантовые эффекты с фундаментальными свойствами пространства-времени.