Квантова гравітація: фізики побачили нечіткі квантові ефекти в найбільшому масштабі

Фізики побачили нечіткість квантового світу в найбільшому масштабі, ніж будь-коли, вивчаючи межі квантової механіки. Понад мільярд атомів усередині скляної кульки діяли як одна квантова хвиля, що стало вирішальним кроком у створенні макроскопічної матерії, яка інтерферує сама з собою, і перевірці теорій квантової гравітації. Результати дослідження опубліковані на сервері препринтів arXiv, пише New Scientist.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Фундаментальний принцип квантової механіки

На початку минулого століття фізики з'ясували, що в крихітних масштабах матерія здається нечіткою. Хоча попередні експерименти показали, що частинки, як-от електрони, є цілісними, нові експерименти продемонстрували, що вони також можуть діяти як хвилі, інтерферуючи одна з одною, як хвилі на поверхні озера. Така хвилеподібна природа частинок означала, що їхнє положення не можна точно визначити, а лише описати як хмару ймовірностей, доки цю хмару не порушує зовнішня взаємодія, наприклад, вимірювання. Це явище, відоме як делокалізація, є фундаментальним принципом квантової механіки і вважається універсальним для крихітних частинок.

Більшість фізиків припускає, що делокалізація існує і в набагато більших масштабах, та її не можна побачити, адже хвилеподібна хмара ймовірностей руйнується незліченними взаємодіями з іншими частинками. Але неясно, як далеко нечітка природа квантового світу поширюється на великі об'єкти та чи можна їх спостерігати, якщо ці взаємодії прибрати.

Квантово-хвильова природа частинки

Автори дослідження виміряли квантово-хвильову природу скляної кульки, що складається з мільярдів атомів, завширшку у 100 нанометрів, що становить 1/10 ширини людської волосини. Щоб виміряти нечітку природу кульки, фізикам потрібно було локалізувати її положення з граничною точністю. Науковці це зробили для того, щоб переконатися, що виміряна делокалізація не була спричинена просто неквантовою невизначеністю того, де перебуває частинка, або випадковим коливанням, спричиненим теплом.

Для цього фізики зафіксували кульку за допомогою інфрачервоного лазера, який міг точно виміряти положення частинки і записати її випадкове коливання. І кульку, і лазер помістили у вакуум, тож після того, як частинку було делокалізовано, її квантову природу не порушували молекули, які проходили повз.

Фізики виміряли положення кульки і на мить вимкнули лазер. Це призвело до переважання квантової природи кульки. За словами вчених, під час вимкнення лазера сталося те саме, що відбувається, коли камінь кинути в озеро. Спочатку хвилі з'являються тільки в місці занурення каменя, а через деякий час хвилі поширюються далі. Потім фізики знову ввімкнули лазер і виміряли положення кульки.

Після повторення цього процесу сотні разів, фізики отримали уявлення про нечітку квантову природу кульки в масштабі пікометрів, що було приблизно в 100 разів менше за ширину кульки. Тепер фізики хочуть виміряти хвильову природу кульки в ще більшому масштабі, який відповідатиме її ширині.

Квантова гравітація

Такі експерименти дадуть змогу перевірити можливі теорії квантової гравітації. Фізики досі не знають, чи складається гравітація на найфундаментальнішому рівні з роздільних рівнів і енергій, як світло, чи вона неподільна в тих самих масштабах довжини, що й квантові явища.

Важко перевірити природу гравітації на крихітних відстанях, тому що вона порівняно набагато слабша за інші фундаментальні сили, але вона могла б вплинути на еволюцію хвилі, яку вимірювали фізики.

Еволюція хвилі кульки матиме різний вигляд, залежно від того, квантована гравітація чи є неподільною. Якщо створити інтерференцію з іншою частинкою, подібною до тієї, яка використовувалася в експерименті, то можна вивчити, як вона еволюціонує, і чи відіграє гравітація роль в її еволюції. Так можна отримати відповіді на питання, які стосуються квантової гравітації, вважають учені.

Як уже писав Фокус, астрофізики з'ясували, який об'єкт утворюється під час зіткнення двох мертвих зірок, коли відбувається створення золота і срібла. Як показує дослідження, результат зіткнення нейтронних зірок не схожий на жодного зі своїх творців.