Что происходит, когда встречаются квантовая механика и теория относительности?

Теперь команде под руководством Рона Фольмана, физика из Университета Бен-Гуриона в Негеве, и его коллег из Германии, Великобритании и США, включая лауреата Нобелевской премии Роджера Пенроуза, это удалось. Они создали новый интерферометр, который позволяет одному атому одновременно двигаться по двум возможным траекториям: одна предполагает свободное падение, а другая – полную неподвижность. Обе траектории заканчиваются в одном и том же месте в один и тот же момент, что позволяет команде измерить влияние падения на волновые свойства атома.

Давно назревал

Со времен Галилео физики умеют описывать падающий объект — где он находится, с какой скоростью движется или как быстро ускоряется. Однако квантовая механика утверждает, что каждый объект также является волной. «Каждая частица, будь то автомобиль, космический корабль или атом, — это волна», — говорит Фольман. «Все, что является волной, например, морские волны или звуковые волны, движется вверх и вниз. И если вы находитесь вверху или внизу, это измеряется так называемой фазой. Фаза просто показывает, находитесь ли вы на вершине волны или у ее основания».

Волновые свойства атома проявляются только тогда, когда атом практически не движется, что происходит лишь при охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нулю. В течение многих лет после того, как теоретики впервые обратились к этой проблеме, такая температура была невозможна — охлаждение атомов до подобных температур стало возможным только в конце 1990-х годов. «Но это было только начало этого эксперимента», — говорит Фольман.

Вторая проблема заключается в том, что фазу нельзя измерить отдельно — она проявляется только при сравнении. «Это может быть только относительная мера, полученная путем разделения одной частицы на две траектории, а затем их объединения», — говорит Фольман. Он рассказал, что та же логика лежит в основе эксперимента с двойной щелью, где частицы, выпущенные через две узкие щели в сторону фонового экрана, образуют интерференционную картину, которая выявляет их фазу.

Измерение того же самого в свободном падении добавляет еще один уровень сложности. «Бросьте камень, и через секунду он окажется на 5 метров ниже вас», — говорит Фольман. Перед командой встал вопрос: как привести в контакт упавший волновой пакет с тем, который остался позади — тот же атом на другом пути, — чтобы они могли интерферировать. Поиск решения занял у его команды годы, хотя, оглядываясь назад, это кажется довольно очевидным.

Пушка и парашют

Захватить падающую частицу и каким-то образом вернуть её в исходное положение было невозможно. «Даже если бы это можно было сделать с помощью пинцета или ловушки, это очень резкое действие создало бы столько шума, что мы бы не смогли отличить фейковые новости от того эффекта, который мы хотим измерить», — пошутил Фольман. Поэтому команда решила, что правильный способ — поместить атом в суперпозицию траекторий, где по одной траектории атом подбрасывается вверх, а гравитация возвращает его в исходное положение. Другая траектория на самом деле не является траекторией; атом просто остаётся там, где начал. «Нужно выстрелить в одну из них из пушки, направив её в баллистическое движение, как артиллерийский снаряд», — говорит Фольман. Но это было только начало проблем.

Задача, очевидно, состоит в разработке пушки, которая может воздействовать на атом, а может и не воздействовать (технически, она воздействует только на один волновой пакет атома, не затрагивая другие).

Затем возникает проблема поддержания системы в квантовом состоянии. Интерференция возникает только тогда, когда нет способа, даже в принципе, определить, по какому пути прошла частица — каждое измерение разрушает квантовую суперпозицию и заставляет частицу вести себя как локализованный классический объект. К сожалению, частица, возвращающаяся из баллистического полета, движется быстро, в то время как ее неподвижный двойник — нет. Эта разница в скорости сама по себе является информацией о ее пути, поэтому интерференционная картина не появится.

Атомные интерферометры существуют уже 30 лет, но ни один из них не мог достичь того, чего хотели добиться Фольман и его коллеги. Поэтому они создали новый интерферометр, названный квантовым интерферометром Галилео (QGI).

Атомы под чипом

Устройство QGI довольно миниатюрно и работает на основе микроволновых и магнитных импульсов. В нем используется около 20 000 атомов рубидия, поддерживаемых в виде бозе-эйнштейновского конденсата, которые удерживаются токами в микроскопических проводниках на чипе, подвешенном вверх ногами примерно в 113 микрометрах над ними. Микроволновый импульс переводит каждый атом в суперпозицию двух состояний, где одно состояние испытывает магнитные силы, а другое к ним невосприимчиво. Затем магнитный импульс играет роль пушки, подбрасывая вверх любые чувствительные к магнитному полю атомы.

Это преобразует суперпозицию состояний в суперпозицию траекторий.

Сразу после этого второй микроволновый импульс переводит атом в противоположное состояние, так что суперпозиция, устремляющаяся вверх, превращается в магнитно-слепую и начинает падать под действием гравитации, без какого-либо воздействия других сил. В то же время его неподвижный двойник становится чувствительным к магнетизму, но поле настроено таким образом, что его восходящая сила точно компенсирует вес атома, фактически заставляя его зависать неподвижно относительно Земли.

Когда одна из траекторий начинает отклоняться назад, второй магнитный импульс действует как парашют, снижая её скорость как раз в тот момент, когда она возвращается в исходную точку. В эксперименте Фольмана, на максимальном расстоянии друг от друга, расстояние между двумя траекториями составляло около 7,5 микрометров, а самый длинный полёт длился две тысячных секунды.

В конце каждого эксперимента атомы, попавшие в один из двух выходов интерферометра, сортировались по фазе, накопленной траекторией падения. По мере увеличения длины падения эта фаза возрастала — поведение, соответствующее теории.

«Когда человек падает в свободном падении, он не чувствует своего веса. У него нет веса. Иногда мы чувствуем [некоторое ощущение этого] в лифте, который очень быстро спускается вниз», — говорит Фольман. В квантовом мире траектория падения с точки зрения атома не испытывает гравитации или каких-либо других сил, и его волна не должна приобретать дополнительную фазу. В то же время, с точки зрения лаборатории, гравитация тянет вниз ту же самую фазу падения, поэтому его волна должна приобретать определенное количество фазы, предсказанное теорией. Эта разница фаз действительно проявилась в данных.

«Нам удалось показать, что поведение квантовой системы по-прежнему подчиняется принципу эквивалентности, — говорит Фольман. — Раньше это никогда не было доказано — что принцип эквивалентности может работать в квантовой системе в состоянии суперпозиции».

В итоге измеренная фаза квантовой волны отклоняется от теоретического предсказания на 2,5 процента. По мнению исследователей, это контрольная точка на границе между теорией относительности Эйнштейна и квантовой механикой — двумя великими теориями физики, которые упорно отказываются работать вместе.

«Эта [несовместимость] представляет собой такую ​​проблему для физиков, что очень умные люди говорят, что она намекает на то, что по крайней мере одна из двух теорий принципиально неверна», — говорит Фольман. К сожалению, QGI не сильно приблизила нас к выяснению того, какая именно теория может быть неверной. Но у Фольмана и его лаборатории уже есть план действий, который, как они надеются, когда-нибудь приведет нас к цели.

Алмазный эксперимент

Фольман утверждает, что ответы следует искать в более тяжелых массах. Сегодня его лаборатория создает более крупную версию эксперимента QGI, в котором наноалмазы помещаются в ту же суперпозицию — объекты, на 10 порядков тяжелее атомов, достаточно массивные, чтобы искривлять пространство-время вокруг себя. «Если мы поместим один и тот же наноалмаз в два разных места, мы фактически получим суперпозицию двух разных кривизн пространства-времени», — говорит Фольман. И именно здесь, согласно гипотезе Пенроуза, независимо разработанной венгерским физиком Лайошем Диоши, квантовая механика должна перестать работать.

«Роджер Пенроуз утверждает, что Вселенная не может поддерживать суперпозицию искривленного пространства-времени. Она должна коллапсировать», — говорит Фольман. Наблюдение за этим коллапсом, или за его отсутствием, по его словам, стало бы самым прямым на сегодняшний день испытанием того, является ли гравитация квантовой. Команда надеется, что создание суперпозиции наноалмазов станет возможным в течение следующих четырех-пяти лет. «Это очень, очень сложный проект», — говорит Фольман.