Гравитацията убива котката на Шрьодингер

Ако котката на Шрьодингер се държеше съобразно квантовата теория, щеше да съществува едновременно в няколко състояния – жива и мъртва в един и същи момент.

Защо в ежедневието си не виждаме предметите в квантова суперпозиция? Част от отговора може да се крие в гравитацията. Екип физици от Австрия са показали, че на теория свойство от общата теория на относителността на Айнщайн, познато като разтегляне на времето, превръща квантовите състояния в обикновени.

Изследователите казват, че дори и слабото гравитационно поле на Земята е достатъчно силно, за да може до няколко години този ефект да бъде изследван в лаборатория, пише PhysicsWorld.

Ежедневните ни наблюдения ни казват, че има фундаментална граница между квантовия и обикновения свят. Един от начините, чрез които физиците обясняват преминаването от единия в другия, е, че квантовата суперпозиция просто се разрушава, когато една система премине определено ниво на комплексност  – вълновата ѝ функция „се разпада“ и системата става „декохерентна“.

Друго обяснение гласи, че взаимодействията със средата изкарват от фаза различните елементи на функцията на вълната на даден предмет по такъв начин, че те повече де взаимодействат помежду си. Големите обекти стават жертва на тази декохерентност по-бързо, защото имат повече съставни части, а оттам – по-комплексни функции на вълната.

Съществуват няколко различни обяснения на декохерентността. Най-новото принадлежи на Чеслав Брукнер и колегите му от университета във Виена. В него е намесено разтеглянето на времето – потокът на времето е повлиян от масата (гравитацията). Това е и релативистичният ефект, който позволява на часовник в Космоса да тиктака по-бързо от часовник на Земята.

В изследването си Брукнер и колегите му взели предвид макроскопично (видимо с просто око) тяло, чиито съставни части могат да вибрират на различни честоти.  Тялото е в суперпозиция на две състояния на много малко разстояние от повърхността на масивен обект.

Разтеглянето на времето ще определи, че състоянието, което е по-близко до масивния обект, ще вибрира на по-ниска честота. След това изчислили от какво разтегляне на времето ще има нужда, за да може двете честоти да се различават достатъчно, че състоянията повече да не си взаимодействат.

Имайки предвид това, учените разбрали, че дори и гравитационното поле на Земята е достатъчно силно, за да причинява декохерентност при малки предмети, които могат да бъдат премерени. Изследователите изчислили, че предмет, който тежи 1 грам и съществува в две квантови състояния, разделени вертикално от една хилядна от милиметъра, ще навлязат в декохерентност за около милисекунда.

Освен потенциалното приложение при квантовите компютри, които биха имали голяма полза от премахването на нежеланата декохерентност, работата на изследователите поставя под въпрос досегашното предположение на физиците, че само гравитационните полета на неутронните звезди и други масивни астрофизически обекти могат да имат видимо влияние върху квантовите явления. „Интересното при този феномен е, че за да го обясним, имаме нужда и от квантовата механика и от теорията на относителността“, казва Брукнер.

Един от начините този ефект да бъде тестван експериментално, е да изпратим „часовник“ (например лъч от цезиеви атоми) през ръцете на интерферометър. Първоначално интерферометърът ще бъде поставен хоризонтално и моделите на интерференцията ще бъдат записани. След това ще бъде обърнат вертикално, така че едната ръка да има по-голям гравитационен потенциал и резултатите отново ще бъдат записани.

Във вертикалното разположение двете състояния ще вибрират на различни честоти заради разтеглянето на времето. Различната скорост на „тиктакане“ ще разкрие кое състояние през коя ръка минава и след това моделът на интерференцията ще изчезне.

„Хората вече са измерили разтеглянето на времето, причинено от гравитацията на Земята“, казва Брукнер. „Но обикновено се използват два часовника в две различни позиции. Ние си казахме: защо да не използваме един часовник в суперпозиция?“

Но провеждането на такъв експеримент няма да е лесно. Фактът, че ефектът е много по-малък от други потенциални източници на декохерентност, означава, че интерферометърът ще трябва да се охлади до температура от само няколко келвина и ще трябва да е затворен във вакуум.

Според Маркус Арндт (университета във Виена), който не е участвал в това изследване, измерванията могат да бъдат много подвеждащи. Той смята, че учените ще имат нужда от милион пъти по-големи и хиляда пъти по-дълготрайни суперпозиции, отколкото оборудването позволява сега. Въпреки това Арндт приветства предложението на учените да се обърне внимание на връзката между квантовата механика и гравитацията.

Изследването е публикувано в Nature Physics.