Иногда вы понимаете, что пытаетесь пройти через дверь задом наперед. Вы уже толкали, вращали пианино, сломали ему ножки. Оно всё равно не пролезает.
Вы не должны насильно проталкивать пианино.
Вам нужно перестроить комнату.
Именно это сейчас делают некоторые физики. В течение восьмидесяти лет план был таким: втиснуть гравитацию в квантовую механику. Квантовая теория успешно описывает три из четырёх фундаментальных взаимодействий. Она работает. Она предсказывает результаты. Поэтому мы предположили, что гравитация поведёт себя так же.
Но она не влезает.
Почти век спустя этот подход зашёл в тупик.
«Это как войти в океан без карты» — Анджело Басси, Университет Триеста
Возможно, неверное направление всё равно приведёт к правильному ответу.
Кот, облако и противоречие
Ваш стол твёрдый. Часы тикают. Ваш кот либо жив, либо мёрtev. Определённо.
Но на атомном уровне ничто не является определённым.
Квантовая механика оперирует вероятностями. Частица находится не здесь или там. Это размытое облако возможностей. Волновая функция. Вы предсказываете шансы, а не конкретный исход. Пока вы не посмотрите. Только тогда она выбирает одно положение.
Две проблемы.
Первая: когда размытое облако становится твёрдым объектом? Где заканчивается квантовый мир и начинается реальность?
Вторая: эта «деловая сторона» вероятностей не по душе Эйнштейну. Его гравитация точна и классична. Каждая точка пространства имеет определённое значение. Попытка объединить их создаёт монстров. Теория струн тяжела, непроверяема и громоздка.
Старая предпосылка гласила, что в глубине своей всё является квантовым. Басси утверждает, что мы уперлись в стену. «Мы должны понять, что ещё происходит».
Нам нужно нарушить правила, чтобы починить их.
Проблема веса суперпозиции
Возьмём суперпозицию. Поместите частицу в два места одновременно. Звучит просто. Учёные делают это с фотонами и атомами.
Измерьте её — и она коллапсирует. Слева или справа.
Почему?
Некоторые говорят о многих мирах. Каждый исход происходит в отдельной ветви реальности. Ладно. Скучно.
Другие ищут физические причины. Реальные механизмы.
В 80-х годах Джанкарло Гирарди и его коллеги предположили, что невидимые силы подавляют квантовые волны. Позже Лайош Диёши и Роджер Пенроуз добавили нюанс.
Именно гравитация вызывает коллапс.
Представьте крупный объект. Разделите его на два местоположения. Суперпозиция. Пространство-время должно искривляться двумя способами одновременно. Оно не может этого сделать. Геометрия отказывается. Напряжение разрывает суперпозицию. Квантовая целостность трескается. Гравитация остаётся нетронутой.
Чем больше масса, тем быстрее коллапс.
Это объясняет, почему вы никогда не видите стул в двух комнатах одновременно. Гравитационное притяжение мгновенно опускает его в реальность. Любое измерительное устройство обладает достаточной массой, чтобы запустить этот процесс.
«Сначала трескается квантовая структура» — основа модели Пенроуза
Больше никаких проблем с измерением. Сам факт наблюдения не имеет значения. Имеет значение масса.
Чем больше, тем лучше. Если вы можете это поймать
Проверить это сложно. Вам нужны крупные объекты. Действительно крупные. В квантовых масштабах.
Интерферометрия стала лучше. Теперь физики заставляют массивные объекты входить в суперпозицию. В начале этого года — наночастицы натрия. 7 000 атомов. Больше вируса.
Затем в декабре 2022 года команда Пенроуза опубликовала новую идею. Она ещё не прошла рецензирование.
Группа Рона Фольмана в Израиле заперла рубидий. Одно состояние левитировало. Другое падало. Гравитация действовала на оба. Интерференционная картина показала, как изменилось квантовое состояние.
Результат совпал со старыми предсказаниями.
Квантовая механика и гравитация? Совместимы. По крайней мере, в этом размере.
Но Фольман говорит: масштабируйте. Сделайте объект достаточно тяжёлым, чтобы его собственная гравитация притягивала другую часть себя. Атом здесь тянет атом там. Пенроуз утверждает, что интерференция умирает. Суперпозиция коллапсирует из-за внутреннего напряжения.
Кэталіна Кюркяну внимательно следит за процессом. Она называет технологию увлекательной: «Квантовость умирает на глазах».
Её команда экспериментирует с алмазами, разделёнными на два микрометра. Если они преуспеют, коллапс должен занять менее секунды.
Басси не спешит. «Молекулы сейчас слишком малы. Этот день наступит. Но путь долгий».
Сделаем гравитацию шумной
А что, если гравитация не просто классическая?
А что, если она случайна?
Джонатан Оппенхайм из Университетского колледжа Лондона предложил это в 2023 году. «Постквантовая» теория. Гравитация остаётся классической. Но она дрожит. Шумит. Объекты не падают по прямой. Они дёргаются. Внутренний шум, встроенный в само пространство-время.
Не нужен механизм «коллапса». Не требуется измерение. Случайность убивает суперпозиции.
Это строится на работе Диёши и Антуана Тилроя 2016 года. Они показали математическую возможность классической гравитации. Оппенхайм пошёл дальше. Он утверждает, что его теория полностью соответствует Эйнштейну.
Не всем это нравится.
Иветта Фуэнтес считает это ленивым подходом. Случайная гравитация без объяснения источника лишь прячет проблему. Но она признаёт: это валидный тест. Альтернативный путь. Стоит его пройти.
Недавние исследования поддерживают идею хаоса. Если гравитация классическая, она тряёт квантовые волны. Басси и Дэниел Карни рассчитали размер этих колебаний. Минимальный. Измеримый?
Возможно.
Три способа поиска шума
Эксперименты продвигаются. Три направления.
Первое. Тепло.
Случайная гравитация трясёт заряженные частицы. Дрожание. Излучение. Свет. Команда Кюркяну хоронит кристаллы германия под километром скал. Обёрнутые в свинец. Никакого солнечного света. Никаких космических лучей. Только фоновый шум Земли.
Они ищут искры.
Пока что? Ничего значимого. Хорошие новости. Плохие новости.
Отбрасывание моделей оставляет реальную работу. «Теперь начинается настоящее дело», — говорит она.
Второе. Маятники.
Колеблющиеся плечи. Консольные балки. Металлические кубы в свободном падении в космосе на борту аппарата LISA Pathfinder ESA. Они наблюдают за странными отклонениями. Незапланированным дрейфом.
Басси предлагает более холодные эксперименты. Меньше шума. Больше чувствительности.
Третье. Время.
Команда Николы Бортоллотти нашла новую цель. Гравитация трясёт не только пространство. Она трясёт время.
Случайные флуктуации устанавливают предел для точных часов. Размытость. Не на планковском масштабе. Ближе.
«Предельная размытость возникает из доступной физики» — Кэталіна Кюркяну
Современные атомные часы тикают на прыжках электронов. Хорошо. Но недостаточно хорошо для этого.
Но мы строим лучшие. Окно открывается. Комната строится.
Пианино всё ещё не пролезло. Но мы перестали швырять его через дверь. Мы двигаем стены.
Где поставить четвёртую сторону?
Вот в чём вопрос.
