Квантовая гравитация: физики увидели нечеткие квантовые эффекты в самом большом масштабе

Фото: New Scientist

Физики увидели нечеткость квантового мира в самом большом масштабе, чем когда-либо, изучая пределы квантовой механики. Более миллиарда атомов внутри стеклянного шарика действовали как одна квантовая волна, что стало решающим шагом в создании макроскопической материи, которая интерферирует сама с собой, и проверке теорий квантовой гравитации. Результаты исследования опубликованы на сервере препринтов arXiv, пишет New Scientist.

Фундаментальный принцип квантовой механики

В начале прошлого века физики выяснили, что в крошечных масштабах материя выглядит нечеткой. Хотя предыдущие эксперименты показали, что частицы, такие как электроны, являются цельными, новые эксперименты продемонстрировали, что они также могут действовать как волны, интерферируя друг с другом, как волны на поверхности озера. Такая волнообразная природа частиц означала, что их положение нельзя точно определить, а можно описать как облако вероятностей, пока это облако не нарушается внешним взаимодействием, например, измерением. Это явление, известное как делокализация, является фундаментальным принципом квантовой механики и считается универсальным для крошечных частиц.

Большинство физиков предполагает, что делокализация существует и в гораздо больших масштабах, но ее нельзя увидеть, ведь волнообразное облако вероятностей разрушается бесчисленными взаимодействиями с другими частицами. Но неясно, насколько далеко нечеткая природа квантового мира распространяется на большие объекты и можно ли их наблюдать, если эти взаимодействия убрать.

Квантово-волновая природа частицы

Авторы исследования измерили квантово-волновую природу стеклянного шарика, состоящего из миллиардов атомов, шириной 100 нанометров, что составляет 1/10 ширины человеческого волоса. Чтобы измерить нечеткую природу шарика, физикам нужно было локализовать его положение с предельной точностью. Ученые это сделали для того, чтобы убедиться, что измеренная делокализация не была вызвана просто неквантовой неопределенностью того, где находится частица, или случайным колебанием, вызванным теплом.

Для этого физики зафиксировали шарик с помощью инфракрасного лазера, который мог точно измерить положение частицы и записать ее случайное колебание. И шарик, и лазер поместили в вакуум, так что после того, как частица была делокализована, ее квантовая природа не нарушалась проходящими молекулами.

Физики измерили положение шарика и на мгновение выключили лазер. Это привело к преобладанию квантовой природы шарика. По словам ученых, при выключении лазера произошло то же самое, что происходит, когда камень бросить в озеро. Сначала волны появляются только в месте погружения камня, а через некоторое время волны распространяются дальше. Затем физики снова включили лазер и измерили положение шарика.

После повторения этого процесса сотни раз, физики получили представление о нечеткой квантовой природе шарика в масштабе пикометров, что было примерно в 100 раз меньше ширины шарика. Теперь физики хотят измерить волновую природу шарика в еще большем масштабе, который будет соответствовать его ширине.

Квантовая гравитация

Подобные эксперименты позволят проверить возможные теории квантовой гравитации. Физики до сих пор не знают, состоит ли гравитация на самом фундаментальном уровне из раздельных уровней и энергий, как свет, или она неделимая в тех же масштабах длины, что и квантовые явления.

Трудно проверить природу гравитации на крошечных расстояниях, потому что она сравнительно намного слабее других фундаментальных сил, но она могла бы повлиять на эволюцию волны, которую измеряли физики.

Эволюция волны шарика будет выглядеть по-разному, в зависимости от того, квантована гравитация или является неделимой. Если создать интерференцию с другой частицей, подобной той, которая использовалась в эксперименте, то можно изучить, как она эволюционирует, и играет ли гравитация роль в ее эволюции. Таким образом можно получить ответы на вопросы, которые касаются квантовой гравитации, считают ученые.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ARDinform