Експеримент з просторового розщеплення квантової частинки, яка рухається в полі тяжкості відразу по двох траєкторіях і при возз'єднанні інтерферує сама з собою.
У журналі Nature Physics днями опублікована теоретична стаття, що розкриває нові аспекти взаємодії гравітації і квантової механіки. У ній показано, що в квантовій системі з великого числа частинок, нехай навіть повністю ізольованого від зовнішнього середовища, але знаходиться в полі тяжкості, все одно відбувається декогеренція за рахунок ефекту гравітаційного уповільнення часу. Хоча цей механізм не відноситься до оточуючих нас об'єктів, він розкриває нові подробиці переходу від квантового опису великих систем до класичного.
Перехід від квантового до класичного - одне зі складних невирішених питань фундаментальної фізики. З одного боку, мікроскопічний світ живе за законами квантової механіки, з усіма своїми протиінтуїтивними явищами. З іншого боку, у звичайній макроскопічній фізиці цих явищ ми не спостерігаємо - і, власне, з цієї причини вони і здаються нам протиприродними. Важливо, що в рамках самої квантової механіки немає будь-якої вказівки на межі її макроскопічної застосовності. Вона не говорить, що до такої-то межі працюють квантові закони, а за ним треба користуватися вже класичною фізикою. Тому або перехід до класичної механіки повинен якось виводитися прямо з квантових законів, або - якщо він ніяк не виводиться - доведеться визнати, що квантова механіка охоплює не все. Як реально йде справа, досі невідомо.
Базовий квантовий ефект, за допомогою якого зручно ілюструвати і експериментально вивчати цю проблему, - це явище суперпозиції. Якщо квантовий об'єкт може перебувати в одному стані і в іншому стані, то він також може перебувати і в суперпозиції цих станів: і в тому, і в іншому одночасно. Наприклад, атом може знаходитися або тут, або там, або і тут і там одночасно, з деякою часткою ймовірності. Така нелокальність призводить до інтерференції частинки самої з собою - і цим вона кардинально відрізняється від звичайного класичного стану з неповною інформацією (тобто коли частинка насправді знаходиться десь у певному місці, але тільки ми не знаємо, в якому). Мислений експеримент з котом Шредінгера - найвідоміша ілюстрація цієї незвичної, яка не має повсякденного аналога нефіксованості квантового стану.
Насправді, при зіставленні квантового і класичного є дві проблеми різного рівня фундаментальності. Перша - це зрозуміти, куди пропадає можливість інтерференції великого об'єкта з самим собою. З нею квантова механіка, в принципі, впоралася: за цей ефект відповідає явище декогеренції. Завдання звузилося до виявлення фізичних механізмів декогеренції в різних ситуаціях і обчислення ефекту. Друга - це пояснити, як фізично відбувається колапс квантового стану при вимірі. Це завдання виходить за рамки звичайної квантової механіки; для такого пояснення або потрібно модифікувати саму теорію, або пропонувати конструкцію над квантовою механікою (те, що називається інтерпретаціями квантової механіки). Тут консенсусу немає навіть близько, і більше того, немає навіть згоди з приводу самої постановки проблеми.
У статті, що вийшла днями в журналі Nature Physics, обговорюється саме перше завдання. У статті описано нове джерело декогеренції квантового стану, за яке відповідальна гравітація. Ні модифікацій квантової механіки, ні теорій квантової гравітації, ні будь-яких інших екзотичних гіпотез при цьому не вводиться. Ефект повністю знаходиться у веденні звичайної квантової механіки на тлі класичного і при тому не надто сильного гравітаційного поля.
Явище декогеренції можна в самих загальних рисах проілюструвати на прикладі оркестру. Якщо оркестр грає злагоджено, то кожен інструмент грає в такт помахам диригентської палички, і тому загальне звучання виходить злагодженим, когерентним. Але якби у кожного музиканта були свої відволікаючі фактори, що викликають непередбачувану затримку відгуку, то загальне звучання нагадувало б какофонію. А якби оркестр при цьому складався з багатьох мільйонів інструментів, то замість контрастного звучання твору ми б просто чули якийсь однорідний гул.
Приблизно так зникає когерентність квантового процесу за участю багатьох частинок. Інтерференція - контрастні чергуючі смуги посиленої і ослабленої ймовірності - можлива тоді, коли всі квантові ступені свободи коливаються синхронно. Взаємодія з навколишнім середовищем цю синхронність може збити, і тоді інтерференція зникне. Збитися вона може під ударами молекул зовнішнього середовища або ж, якщо наша квантова система знаходиться у вакуумі, при поглинанні і випусканні теплових фотонів. Щоб усунути руйнівний вплив зовнішнього середовища, потрібно максимально охолодити об'єкт і заекранувати його від будь-яких зовнішніх впливів. Завдання це непросте, але для окремих молекул воно цілком вирішуване. Саме тому вдається спостерігати інтерференцію не тільки окремих частинок або атомів, а й навіть великих молекул. Однак для об'єктів побільше, розміром порядку мікрону, це поки залишається складним технічним завданням. Складна молекула, що знаходиться в квантовому ділокалізованому стані одночасно на двох різних висотах, що відрізняються на ^ x. Через те, що в полі тяжкості час тече по-різному на різних висотах, частоти внутрішніх коливань злегка розрізняються, і це стає новим джерелом декогеренції квантового стану.
Тим не менш, досі мала місце згода в тому, що, якщо квантову систему надійно заекранувати від зовнішнього середовища, квантова когерентність в ній буде існувати наскільки завгодно довго. У новій роботі пояснюється, що це не так. Навіть в ідеально ізольованій квантовій системі з багатьох частинок відбуватиметься явище декогеренції, викликане ефектом загальної теорії відносності - уповільненням часу в полі тяжкості.
Суть ефекту полягає в наступному. Припустимо, у нас є складна молекула з великою кількістю ступенів свободи (тобто, можливостей коливань). Ми цю молекулу підкидаємо вгору і в якийсь момент переводимо в делокалізований стан. Вона тепер знаходиться не в одному якомусь місці простору, а одночасно на двох різних висотах, вона ніби летить в поле тяжкості відразу за двома траєкторіями. Коли ці дві траєкторії перетинаються, ми молекулу переводимо знову в локалізований стан і при цьому ми очікуємо побачити інтерференцію. По суті, виходить стандартний атомний інтерферометр, але тільки орієнтований в просторі вертикально. Така постановка експерименту тільки звучить фантастично; насправді вона давним-давно реалізована для окремих атомів і для бозе-конденсату і навіть використовується в експериментах з вимірювання сили тяжкості.
Якщо молекула повністю заекранована від зовнішніх хаотичних впливів, то, здавалося б, ніяких проблем з інтерференцією бути не повинно. Нехай навіть всередині молекули відбуваються якісь коливання, вони все одно протікають однаково і для верхньої траєкторії, і для нижньої. Синхронність цих коливань при розщепленні і возз'єднанні всієї молекули цілком губитися не повинна. Так от, цей висновок порушується, якщо врахувати ефекти загальної теорії відносності.
Справа в тому, що в гравітаційному полі хід часу злегка сповільнюється, причому це уповільнення тим більше, чим сильніше поле (точніше, чим глибше потенціал). Цей ефект дуже істотний в сильних гравітаційних полях; він став особливо знаменитим після недавнього фільму «Інтерстеллар». Але працює він завжди, в тому числі і в полі тяжкості Землі, і більше того, він враховується в системах навігації GPS. Тому, коли розщеплена молекула летить по двох різних траєкторіях в полі тяжкості, вона відчуває вздовж них злегка різний хід часу. І тому, коли ці дві іпостасі молекули знову возз'єднуються, синхронність між внутрішніми коливаннями може вже збитися. Якщо ця втрата синхронізації істотна, когерентність втрачається і інтерференція пропадає. Молекула відчуває декогеренцію просто за рахунок того, що її внутрішні коливання «заплуталися в часі».
Чому на такий, здавалося б, фундаментальний факт досі не звертали уваги? Тому що він дуже слабкий. Відносна різність ходу часу для двох систем, рознесених в земному полі тяжкості на висоту h, становить
x=mghmc2=rgh2R2,
де rg - це гравітаційний радіус Землі (близько 1 см), а R - реальний радіус Землі (приблизно 6400 км). Для висоти порядку мікрону виходить абсолютно нікчемна величина: x ∼ 10−22. Тому квантова частинка з одним ступенем свободи повинна проколиватися 1022 разів, щоб такий ефект можна було помітити - а це за межами будь-яких реальних експериментів. Однак автори статті зауважують, що якщо у нас є система з великим числом (N) ступенів свободи і всі вони коливаються, то тоді втрата синхронності посилюється в ^ N раз. Для макроскопічного тіла, в якому число ступенів свободи порядку числа Авогадро, темп втрати когерентності прискорюється на 12 порядків. Оскільки типовий часовий масштаб коливань - пікосекунди, виходить, що втрата когерентності настане дуже швидко, за мілісекунди. І це, підкреслимо, для абсолютно ізольованого від зовнішнього впливу тіла!
Чи дає ця робота якесь нове розуміння, чому реальні предмети навколо нас живуть за класичними, а не квантовими законами? Ні, оскільки в цьому випадку відбувається активна взаємодія із зовнішнім середовищем, що дуже швидко руйнує когерентність. Однак вона розкриває важливий ефект, який до цього ігнорувався і який, ймовірно, треба буде враховувати при спробі реалізувати квантовий комп'ютер і, більш широко, будь-які великі квантові системи з великим очікуваним часом когерентності. Вона встановлює певну межу навіть для ідеально ізольованих систем - адже новий ефект виникає через гравітацію, а від неї сховатися неможливо.
Ну і, нарешті, з суто фундаментальної точки зору ця робота показує нові аспекти взаємодії квантової механіки і гравітації, двох теорій, які не піддаються об'єднанню в рамках єдиної теорії. Ця робота і теоретичні дослідження (C. Gooding, W. G. Unruh, 2015. Bootstrapping Time Dilation Decoherence) демонструють нові нетривіальні аспекти цих відносин. А оскільки описані ефекти становлять фундаментальний інтерес, їх, зрозуміло, хочеться перевірити експериментально. Цього поки не зроблено, проте автори сподіваються, що, при розумній екстраполяції технологій маніпулювання квантовими об'єктами, таку перевірку вдасться здійснити в недалекому майбутньому.
