Гравитация оказалась способна разрушать «квантовость» больших систем

Флюоресценция квантовых точек — квантовых систем микронного масштаба, на которых, потенциально, можно зафиксировать описываемый эффект декогеренции.

Изображение: Wikimedia Commons

Теоретическая статья физиков из Австрии вскрыла новые аспекты того, как крупные квантовые системы теряют свою квантовость. Оказывается, в определенных ситуациях за этот переход отвечает гравитация и эффекты общей теории относительности. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics и также свободно доступно в архиве электронных препринтов arxiv.org. Также о ней можно подробно прочитать на «Элементах».

Экспериментально известно, что микромир живет по законам квантовой механики, со своими подчас противоинтуитивными явлениями. Однако в обычной жизни мы этих эффектов не наблюдаем: каким-то образом квантовые законы превращаются в классические при увеличении количества частиц. Самый простой эффект — это явление суперпозиции (вспомните знаменитого котом Шредингера). Квантовый объект, например, атом, может находиться не только в одном или в другом состоянии, но и в том, и в другом одновременно. Если говорить про пространственную локализацию, то атом может находиться здесь и там одновременно. Такая нелокальность позволяет частице интерферировать самой с собой, что и проявляется в эксперименте. Это «ноу-хау» квантовой механики; в рамках классической механики подобные трюки невозможны.

Этот переход от квантового мира к классическому до сих пор не понят и остается предметом бурных дискуссий и спекулятивных предположений. Тут есть два аспекта разного уровня фундаментальности. Первый — понять, куда пропадает возможность интерференции крупного объекта с самим собой. Это квантовая механика описать, в принципе, может, но детали до сих пор туманны. Вторая — объяснить, как физически происходит коллапс квантового состояния при попытке «рассмотреть» систему. Эта задача выходит за рамки обычной квантовой механики; здесь консенсуса нет даже близко, и более того, нет согласия по поводу самой постановки проблемы.

В вышедшей на днях статье обсуждается именно первая задача. В статье описывается новый источник разрушения квантового поведения — и ответственной за него неожиданно оказывается гравитация. Никаких экзотических гипотез при этом не вводится; эффект вытекает из общепринятой квантовой механики и обычной классической теории гравитации. Однако раньше он был пропущен, видимо, в силу своей исключительной слабости. Заслуга новой статьи в том, что ее авторы не поленились проверить, как он работает для больших квантовых систем, и обнаружили, что он существенно усиливается.

Для того, чтобы пояснить этот механизм, начнем с ключевого процесса, который стирает квантовые свойства системы, — с декогеренции. Условно говоря, декогеренция — это потеря синхронности в колебаниях сложной системы, из-за которой интерференция становится ненаблюдаемой. Некоторое преставление может дать такая музыкальная аналогия. В симфоническом оркестре каждый музыкант ориентируется на взмахи дирижерской палочки, и поэтому общее звучание получается слаженным, когерентным. Но если бы из-за каких-то отвлекающих факторов каждый музыкант играл бы со своей случайной задержкой и в своем темпе, получилась бы какофония. А оркестр из многих миллионов инструментов вместо контрастного звучания просто издавал бы однородный гул.

Примерно так пропадает когерентность квантового процесса с участием многих частиц. Интерференция возможна тогда, когда все внутренние колебания происходят синхронно. Взаимодействие с окружающей средой эту синхронность может сбить (например, за счет столкновений молекул или тепловых фотонов), и тогда интерфереция исчезнет. Однако обычно считается, что если квантовую систему надежно заэкранировать от внешней среды, квантовая когерентность в ней будет существовать сколь угодно долго.

В новой работе объясняется, что это не так. Даже в идеально изолированной квантовой системы из многих частиц будет происходить явление декогеренции, вызванное эффектом общей теории относительности — замедлением времени в поле тяжести (вспомните недавний фильм «Интерстеллар»). Это замедление тем сильнее, чем глубже в поле тяжести находится система. 

Возьмем для примера большую молекулу с множеством внутренних колебаний и переведем ее в делокализованное состояние. Она теперь находится на двух разных высотах одновременно (см. рисунок). Но по законам общей теории относительности ход времени на этих двух высотах слегка различается. Это приводит к тому, что внутренние колебания для верхней и для нижней ипостаси молекулы (напоминаем, это одна молекула!) протекают по-разному и теряют свою синхронность. И если через некоторое время молекулу снова локализовать, когерентность уже может к тому времени пропасть, и никакой интерференции не будет.

Получается, молекула испытывает декогеренцию сама по себе, без взаимодействия с внешней средой, просто за счет того, что ее внутренние колебания «запутались во времени» в гравитационном поле.

В земных условиях этот эффект очень слабый, и потому он в экспериментах с квантовыми частицами до сих пор никогда не наблюдался. Однако авторы статьи, построив общую теорию эффекта, заметили, что темп гравитационной декогеренции резко усиливается с ростом числа частиц. Оценки показывают, что макроскопические тела в земном поле тяжести — даже будь они полностью заэкранированы от всех внешних воздействий, — все равно очень быстро, за долю секунды, потеряли бы свои квантовые свойства.

Понятно, что к обычным предметам вокруг нас это не относится: эти предметы находятся в постоянном контакте с внешней средой и моментально теряют возможные квантовые свойства. Чтобы экспериментально проверить этот новый источник декогеренции, требуется поставить очень тонкий эксперимент с квантовой суперпозицией частиц микронного размера, что пока за пределами современных возможностей. Но тут больше впечатляет сам по себе факт, что во взаимоотношениях двух краеугольных теорий современной физики — квантовой механики и теории гравитации — обнаружились неизвестные ранее аспекты. Безусловно, они требуют дальнейшего изучения и экспериментальной проверки, которую, по мнению авторов, удастся осуществить в недалеком будущем.

Игорь Иванов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.