Аннотация:
Почему атомы и элементарные частицы могут демонстрировать странное квантовое поведение, в то время как макроскопические объекты, с которыми мы взаимодействуем каждый день, подчиняются знакомым классическим физическим законам? Физики уже давно пытаются разгадать эту загадку. Недавно новое исследование, проведенное в подземной лаборатории в Италии, тщательно проверило теорию, предложенную в 1960-х годах. Исследователи проводили непрерывные измерения в течение 62 дней, но не обнаружили предсказанного теорией слабого сигнала излучения, тем самым исключив эту конкретную модель как объяснение механизма исчезновения квантовых явлений.
Это исследование было завершено соответствующими исследователями из Итальянского национального института ядерной физики, а результаты исследования были опубликованы в «Новом журнале физики» 19 июня 2026 года. Статья называется «Экспериментальное исключение обобщенной модели декогеренции, вызванной гравитацией Карои-Хейзи». Результаты исследования не означают, что нет связи между гравитацией и квантовой механикой, но они исключают теоретический путь, который привлек внимание физического сообщества, чтобы понять, почему макроскопический мир не демонстрирует очевидных квантовых эффектов.
В исследовании задействован один из самых известных мысленных экспериментов в квантовой физике — кот Шрёдингера.
В 1935 году австрийский физик Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент: поместить кошку в закрытый ящик с радиоактивными атомами, устройствами с отравляющими газами и т. д. Если атомы распадаются, устройство выделяет ядовитый газ, и кошка умирает; если атомы не распадаются, кот выживает. Согласно описанию всей системы с помощью квантовой механики, система может находиться в квантовой суперпозиции различных состояний до того, как произойдет измерение, что приводит к знаменитому парадоксу, когда кошка одновременно жива и мертва.
Шредингер предложил этот мысленный эксперимент не для того, чтобы утверждать, что кошки на самом деле могут жить и умирать одновременно в повседневном смысле, а для того, чтобы раскрыть глубокие проблемы, с которыми сталкиваются, когда квантовая теория применяется к макроскопическому миру.
В микроскопическом мире частицы могут находиться в суперпозиции множества возможных состояний и проявлять квантовые характеристики, такие как интерференция. Однако предметы повседневной жизни не демонстрируют такого же очевидного явления. Физики называют процесс, при котором особенности квантовой интерференции становится все труднее наблюдать после взаимодействия квантовой системы с окружающей средой, «декогеренцией».
Взаимодействие с окружающей средой может объяснить, почему многие макроскопические объекты подчиняются законам классической физики, но какова связь между квантовой механикой и гравитацией и активно ли гравитация разрушает квантовую суперпозицию, все еще остаются открытыми вопросами в фундаментальной физике.
В 1960-х годах венгерский физик-теоретик Фриеш Карожхази предложил теорию, которая попыталась объяснить эту проблему. Он считает, что могут быть чрезвычайно малые флуктуации в пространстве и времени, которых невозможно полностью избежать, и эти флуктуации могут постепенно разрушить состояние суперпозиции квантовой системы, затрудняя дальнейшее проявление квантового поведения крупными объектами.
Это направление мысли пытается установить связь между квантовой механикой и общей теорией относительности Эйнштейна. Общая теория относительности описывает гравитацию как результат искривления пространства-времени, а теория Карольхази идет дальше и предполагает, что в самом пространстве-времени могут существовать крошечные неопределенности, которые могут повлиять на эволюцию квантовых систем.
Спустя десятилетия после того, как эта теория была предложена, соответствующие исследователи переформулировали и усовершенствовали ее, чтобы сделать ее предсказания более строгими экспериментальными проверками. Исследователи надеются экспериментально определить, действительно ли гипотетические флуктуации пространства-времени влияют на материю измеримым образом.
Проблема в том, что флуктуации пространства-времени, предусмотренные теорией, чрезвычайно слабы и не могут быть измерены напрямую и рутинными методами. Однако если эти флуктуации действительно существуют и могут хаотично ускорять заряженные частицы, то частицы должны производить чрезвычайно слабое электромагнитное излучение.
Другими словами, исследователям не нужно напрямую наблюдать само пространство-время, а просто искать сигналы излучения, предсказанные теорией, что дает им возможность проверить модель. Если сигнал действительно существует, он подтвердит теорию; если экспериментальная чувствительность достаточно высока, но ожидаемый сигнал так и не обнаружен, исследователи могут ограничить или даже исключить соответствующие теоретические параметры и модели.
Для завершения этого эксперимента исследовательская группа выбрала национальную лабораторию Гран-Сассо в Италии. Лаборатория расположена примерно в 1,4 км под землей в горах Гран-Сассо и является одной из крупнейших подземных лабораторий фундаментальных физических исследований в мире.
Подземные скальные образования могут экранировать большое количество космических лучей и другого фонового излучения, уменьшая внешние помехи. Это естественное экранирование важно при поиске чрезвычайно слабых сигналов, поскольку излучение окружающей среды может быть намного сильнее, чем целевой сигнал, который исследователи надеются уловить.
В эксперименте исследователи использовали кристалл германия высокой чистоты в качестве основного компонента детектора, размер которого примерно равен кофейной чашке. Снаружи детектора также установлена многослойная экранирующая конструкция из меди и свинца для дальнейшего снижения воздействия фонового излучения.
Исследовательская группа собирала данные в течение 62 дней подряд, затем анализировала и вычитала ожидаемый фоновый уровень радиации из результатов измерений, а затем проверяла, содержат ли оставшиеся данные конкретный радиационный сигнал, предсказанный моделью Карольхази.
В конечном итоге исследователи не обнаружили сигналов, соответствующих предсказаниям модели.
Этот результат означает, что экспериментально проверенная модель декогеренции, вызванной гравитацией Каройхази, не может быть подтверждена результатами наблюдений. Таким образом, исследователи исключили эту конкретную версию теории, установив новые ограничения для будущих исследований, пытающихся объяснить связь между квантовой декогеренцией и гравитацией.
Катарина Курчану, член исследовательской группы и руководитель исследований Национальной лаборатории Фраскати Итальянского национального института ядерной физики, отметила, что отсутствие ожидаемого сигнала само по себе является важным научным результатом. Исключив одну давно устоявшуюся и репрезентативную модель декогеренции, вызванной гравитацией, исследователи могли бы еще больше сузить поиск соответствующего физического механизма.
Однако это исследование не доказывает, что гравитация никогда не может влиять на квантовые системы, и не решает более широкую проблему: как объединить квантовую механику и общую теорию относительности.
Различные теории могут связывать гравитацию с квантовой декогеренцией посредством других механизмов, и истинность этих механизмов все еще требует дальнейшей экспериментальной проверки. Этот эксперимент смог исключить лишь конкретные проверенные модели, а не все идеи о том, как гравитация влияет на квантовое поведение.
Значимость исследования еще и в том, что оно показывает процесс постепенного перехода фундаментальных физических теорий от математического вывода к точной экспериментальной проверке. В прошлом некоторые теории, включающие структуру пространства-времени и квантовую гравитацию, опирались главным образом на математический анализ и концептуальные исследования, что затрудняло разработку экспериментов, которые могли бы напрямую проверить их предсказания. Поскольку чувствительность детектора продолжает улучшаться, некоторые теории начали давать конкретные предсказания, которые можно проверить на экспериментальных данных.
Мысли Каройхази также затрагивают еще один важный вопрос: могут ли люди измерять расстояния и положения в пространстве и времени с бесконечной точностью.
В классической физике обычно можно представить себе измерение положения объектов с возрастающей точностью. Однако в теоретических исследованиях, пытающихся объединить квантовую механику и гравитацию, большое внимание всегда привлекал вопрос о том, обладает ли пространство-время непрерывными свойствами, которые можно измерить с бесконечной точностью в чрезвычайно малых масштабах. Некоторые направления исследований квантовой гравитации, в том числе теория струн и петлевая квантовая гравитация, предполагают переосмысление структуры пространства-времени в чрезвычайно малых масштабах, но разные теории решают эту проблему по-разному.
Квантовый физик Кристиан Пишиа, принимавший участие в эксперименте, отметил, что многие идеи в исследованиях квантовой гравитации включают концепцию минимальных масштабов длины, связанную с неопределенностью измерений пространства-времени. Однако этот эксперимент не доказывает, существует ли минимальная длина на самом деле, а скорее ограничивает конкретную модель, которая пытается связать неопределенность пространства-времени с квантовой декогеренцией.
Исследователи полагают, что прецизионные эксперименты постепенно становятся способными проверить некоторые физические гипотезы, которые долгое время оставались на стадии теоретических предположений. Ожидается, что по мере дальнейшего развития экспериментальных технологий учёные смогут более строго судить, какие теории могут описывать реальный мир, а от каких следует пересмотреть или отказаться.
От кота Шрёдингера до пространственно-временных флуктуаций и квантовой гравитации — это исследование не раскрывает напрямую всех тайн того, почему макроскопический мир подчиняется законам классической физики, но устраняет теорию, которая, как считалось ранее, могла объяснить это явление. Это служит напоминанием о том, что ценность научных теорий заключается не только в их способности предлагать убедительные объяснения, но и в их способности делать четкие, проверяемые предсказания, которые можно проверить экспериментальными результатами.
Комментарии