Einšteinas galabija Schrödingerio katiną: Reliatyvumas žlugdo kvantų pasaulį

Ji gali laikyti mus ne tik laikyti ant žemės, bet ir neleisti eiti į priekį. Kvantiniams eksperimentams gali trukdyti anksčiau pražiūrėtas gravitacijos poveikis kvantinėms sistemoms. Jei tai pasitvirtins, kai kuriuos kvantų tyrimus nebus galima atlikti Žemėje.

Kaip besistengtumėte, būti dviejose vietose vienu metu neišeis. Bet jei esate elektronas, atsirasti tuo pat metu daugelyje vietų yra jūsų prigimtis. Kvantų mechanikos (KM) dėsniai skelbia, kad subatominės dalelės egzistuoja šioje būvių superpozicijoje tol, kol išmatuojamos ir randamos tik vienos būsenos – kai kolapsuoja jų bangos funkcija.

Katinų vaikymasis

Tai kodėl mes negalime išdarinėti tokių triukų kaip elektronas? Panašu, vos tik kas tampa pakankamai didelis, praranda savo kvantines savybes – šis procesas vadinamas dekoherencija. Taip nutinka labiausiai dėl to, kad jie didesni objektai sąveikauja su aplinka, kuri priverčia juos būti vienos ar kitos būsenos. Erwinas Schrödingeris didelio mastelio objektų superpozicijos absurdiškumą pabrėžė savo tuo pat metu gyvo ir mirusio katino pavyzdžiu.

Tačiau tai nesulaikė fizikų nuo kvantinių eksperimentų, izoliuojant objektus nuo aplinkos poveikio. 2010 metais Kalifornijos universiteto Santa Barbara'oje komanda kelioms nanosekundėms 60 µm ilgio metalinei juostelei suteikė superpoziciją, atšaldydama ją iki vos aukštesnės už absoliutų nulį temperatūros, kad apsaugotų nuo temperatūros fluktuacijų.

Tikimi, kad tikslesniais eksperimentais superpoziciją bus galima suteikti didesniems objektams, pavyzdžiui, virusams, taip priartėjant prie Schrödingerio mitinio katino. Bet dabar atrodo, yra ir fundamentalesnė kliūtis: gravitacija.

Gravitaciniame lauke

Bendrasis reliatyvumas, šiais metais šimtąsias metines minintis Alberto Einšteino naujas žvilgsnis į gravitaciją, kvantų fizikoje paprastai ignoruojamas. „Dažniausiai žmonės į ją pernelyg dėmesio nekreipia, nes gravitacija veikia labai dideliais masteliais,“ sako Igoris Pikovskis iš Harvardo universiteto. „Jie mano, kad tikriausiai yra nedaug efektų, kurie būtų susiję“.

Dabar Pikovskis su kolegomis paskaičiavo, kas nutinka, kai kvantų eksperimentai atliekami Žemės magnetiniame lauke. Jų teigimu, reliatyvumo keistenybė, vadinamasis laiko sulėtėjimas, gali priversti dideles sistemas prarasti savo kvantinę prigimtį.

Viena iš Einšteino prognozių yra ta, kad gravitacija lėtina laiką. Masyviems objektams šis efektas gali būti labai ryškus, kaip pavaizduota filme Interstellar, kur valanda planetoje, besisukančioje apie juodąją bedugnę (JB) prilygsta septyneriems metams Žemėje.

Bet tai veikia ir jus. Laboratoriniai eksperimentai su atominiais laikrodžiais parodė, kad jūsų galva sensta kiek greičiau, nei pėdos, dėl mažutėlaičio gravitacinio lauko stiprio skirtumo.

Pikovskio skaičiavimai rodo, kad superpozicijoje esančios molekulės taip pat turėtų justi šį laiko skirtumą, ir jis gali sutrikdyti jų kvantinę būseną. Taip nutinka, nes molekulėje jungtys tarp atomų veikia kaip spyruoklės ir nuolat vibruoja. Jei molekulė yra superpozicijoje dviejų būsenų, kurių aukštis nuo žemės skiriasi, kiekviena iš šių būsenų vibruos skirtingai ir nutrauks superpoziciją.

Aukštis svarbu

Dekoherencija įvyksta greičiau, kai į sistemą pridedama daugiau dalelių. Pavyzdžiui, eksperimente bandoma 1 gramui anglies – apie 10²³ atomų – suteikti 2 būsenų superpoziciją. Jeigu jie būtų vertikaliai atskirti 1 µm, Žemės gravitacinis laukas sukeltų dekoherenciją per milisekundę, net jei niekas kita netrukdytų, sako Pikovskis. „Net absoliučiai izoliuotas sistemas šiek tiek veikia jų pačių kompozicija,“ pabrėžia jis.

Taip nenutinka su mažesnėmis dalelėmis, tarkime, elektronais, nes jie neturi judančių dalių, tad laiko sulėtėjimas jų neveikia, ir tai paaiškina, kodėl jie patenkinti sėdi superpozicijoje tol, kol mes juo išmatuojame.

Kol kas Pikovskio idėja lieka teorinė, tačiau ji galėtų būti patikrinta atominiais laikrodžiais, kurie naudoja laiką matuoja reguliariais atomų spinduliuojamos energijos dažniais. Jei būtų galima atominiam laikrodžiui suteikti vertikalią superpoziciją, jis tiksėtų dviem dažniais tuo pačiu metu ir tai sukeltų dekoherenciją.

„Šis efektas santykinai mažas, tad įranga turėtų būti kiek tobulesnė, nei dabar,“ sako Pikovskis, bet mano, kad tai galėtų būti įgyvendinta per ateinančius keletą metų.

„Manau, tai nuostabu, man labai patinka,“ sako Andrew Briggs iš Oxfordo universiteto. Ji s rengia didelio mastelio superpozicijos bandymus su vibruojančiais nanovamzdeliais, ir mano, kad galėtų pritaikyti savo eksperimentą Pikovskio teorijos patikrinimui. „Jei taip yra iš tiesų, tai galėtų būti didelis indėlis į neatitikimą tarp mūsų kasdienės patirties ir kuo nuodugniausiai patikrintos kvantų mechanikos teorijos.“

Paliekant Žemę

Jei šis efektas būtų patvirtintas, tai reikštų, kad norintiems atlikti ekstremalius kvantinius eksperimentus fizikams reikėtų palikti Žemės gravitacijos gniaužtus.

„Didelių sistemų kvantinius eksperimentus turbūt būtų lengviau atlikti Mėnulyje ar komose, nei Žemėje,“ sako Pikovskis, kadangi silpnesnė gravitacija sulėtintų dekoherenciją. „Jei žmonės išties nori atlikti didelių sistemų superpoziciją, galiausiai teks vykti į kosmosą.“

„Argi tai nebūtų gražu?“ sako Briggsas. „Galėtume nugabenti kai kuriuos mano eksperimentus į orbitą.“ Vien vieta galėtų būti Tarptautinė kosminė stotis (TKS), kur astronautai jau dabar atlieka silpnos gravitacijos eksperimentus.

Tačiau kiti nėra tokie įsitikinę. „Tai labai mažas efektas ir nemanau, kad dėl jo tektų kilti į kosmosą,“ sako Sabine Hossenfelder iš Teorinės fizikos Nordic instituto Stokholme, Švedijoje. Šis efektas yra daug kartų silpnesnis nei galintis paveikti dabartinius eksperimentus, tvirtina ji.

Stebėtojai visur

Eksperimentų atlikimas kosmose turi savo problemų, sako Ruxandra Bondarescu iš Ciuricho universiteto Šveicarijoje. Darbas silpnoje gravitacijoje yra sunkus, brangus, o įranga turi būti apsaugota nuo kosminės radiacijos, bet tai nėra visiškai nepateisinama, pastebi ji. „Gal ateityje dominuojantis kvantinės dekoherencijos efektas bus gravitacinis.“

Laiko sulėtėjimas taip pat galėtų išspręsti kontroversišką filosofinį klausimą. Kai kurie fizikai nerimauja, kad kvantų mechanikai reikia sąmoningo stebėtojo bangos funkcijos kolapsui. Ar kvantinis katinas dėžėje liktų gyvas ir miręs amžinai, jei niekas to nepatikrintų? Ar galėtų pats katinas kolapsuoti bangos funkciją?

Gravitacinė dekoherencija šį klausimą išsprendžia, sako Pikovskis. Net jei sistema idealiai izoliuota nuo dekoherenciją įprastai sukeliančių veiksnių, gravitacijos poveikis katinui kolapsuotų sistemą. „Laiko sulėtėjimas sukuria tokį stebėtoją,“ sako jis.

Superpozicijos išsaugojimas

Bet taip problema nevisiškai pašalinama, pastebi Timas Ralphas iš Queenslando universiteto Australijoje. Jei abi būsenos yra tame pačiame aukštyje, laiko sulėtėjimo būti neturėtų. „Iš principo vis dar įmanoma išsaugoti superpoziciją, jei galėtų būti pasiekta pakankama kvantų sistemų kontrolė,“ sako jis.

Daugiau mąstymo apie gravitacijos ir kvantų efektų sąveiką, kaip tai padarė Pikovskio komanda, galėtų nuvesti prie didžiojo modernios fizikos prizo. Bendrąjį reliatyvumą ir kvantų mechaniką aprašančios matematikos situacijose, kur abi jos svarbios, pavyzdžiui, singuliarume JB centre, sukuria beprasmiškus sprendinius.

Bandantieji sukurti vieningą kvantinės gravitacijos teoriją, tiria, kaip matematika sutrinka ir bando ją sutaisyti, tačiau jų sprendimus patikrinti galinčių eksperimentų neatlieka – laboratorijoje sukurti JB nelengva.

„Toks būdas gali prisidėti prie geresnio kvantų mechanikos ir gravitacijos sąveikos supratimo,“ sako Pikovskis. „Taip galima išvystyti supratimą reiškinių, vykstančių ten, kur abi teorijos išties svarbios.“

Gal darbas ir apie kvantų fizikos ir gravitacijos veikimą kartu, bet tai nereiškia, jog tai kelias link visko teorijos, pažymi Carlo Rovelli iš Aix-Marseille universiteto Prancūzijoje. „Kvantinė gravitacija susijusi su erdvėlaikio kvantinėmis savybėmis, ne su kvantiniu materijos elgesiu erdvėlaikyje, kam turime visiškai patikimas teorijas,“ paaiškina jis.

Bet Ralphas ano, kad tai gera pradžia. „Spėjamas efektas apjungia kvantų mechaniką ir bendrąjį reliatyvumą visiškai netrivialiai,“ sako jis. „Kol kas praktiškai nėra eksperimentų, patikrinančių, ar toks skaičiavimas yra teisingas, tad tokius spėjimus tikrinantys eksperimentai būtų labai svarbūs – netgi jeigu tik patvirtintų, kad einame teisingu keliu.“

Žurnalo nuoroda: Nature Physics, DOI: 10.1038/nphys3366

Jacob Aron
New Scientist № 3026