Физики проверили гипотезу, согласно которой гравитационные колебания пространства-времени могут разрушать квантовую суперпозицию и объяснять, почему крупные объекты не ведут себя как частицы. Эксперимент в подземной лаборатории Гран-Сассо не выявил предсказанного излучения. О том, почему результат ограничивает одну из теорий квантовой декогеренции, — в материале «Известий».

Квантовая механика допускает существование частиц в суперпозиции — сочетании нескольких возможных состояний одновременно. Однако в привычном макроскопическом мире подобного поведения не наблюдается. Процесс, при котором квантовые эффекты исчезают, называют декогеренцией.

Одна из гипотез предполагает, что в этом может участвовать сама гравитация. В 1960-х годах венгерский физик Фридьеш Каройхази предложил модель, согласно которой пространство-время испытывает неизбежные небольшие флуктуации — любые случайные отклонения какой-либо величины от ее среднего или равновесного значения. Они, в свою очередь, могли бы постепенно разрушать квантовые суперпозиции.

Позднее эту идею развивали и уточняли другие исследователи. Новая работа была направлена на экспериментальную проверку обобщенной версии модели Каройхази. Исследование опубликовано в журнале New Journal of Physics.

Напрямую обнаружить предполагаемые флуктуации пространства-времени невозможно. Однако теория предсказывает их косвенный эффект: они должны заставлять электрически заряженные частицы случайным образом двигаться и ускоряться. В результате должно возникать крайне слабое электромагнитное излучение.

Чтобы обнаружить такой сигнал, исследователи провели эксперимент в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Она расположена под 1,4 км горной породы, которая защищает оборудование от значительной части фонового излучения, в том числе космических лучей.

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 использовали детектор с кристаллом высокочистого германия размером примерно с кофейную кружку. Его дополнительно защищали слоями меди и свинца. Данные собирали в течение 62 дней, после чего из результатов исключили ожидаемый фон и сравнили оставшийся сигнал с предсказаниями модели Каройхази.

После обработки данных исследователи не обнаружили излучения, которое предсказывала проверяемая модель. Таким образом, эксперимент не подтвердил предположение о том, что описанные в ней гравитационные флуктуации приводят к наблюдаемому эффекту.

Отсутствие сигнала не означает, что гравитация вообще никак не связана с квантовой декогеренцией. Полученный результат исключает конкретную версию механизма, предложенного в рамках модели Каройхази, и устанавливает более жесткие ограничения для подобных теорий. По словам исследователей, отсутствие ожидаемого сигнала само по себе является значимым результатом. Теперь физикам необходимо искать другие объяснения того, как связаны квантовая механика и гравитация.

Каталина Курчану

Исключив 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 основана на предположении о фундаментальном ограничении точности, с которой можно определить положение объекта или измерить расстояние. Похожие идеи о минимальной длине возникают и в других подходах к объединению квантовой механики с гравитацией, включая теорию струн и петлевую квантовую гравитацию.

Авторы исследования отмечают, что эксперименты уже позволяют проверять некоторые предсказания теорий, которые раньше считались практически недоступными для наблюдений. Повышение 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.