Мысленные квантовые эксперименты против теории Эйнштейна.

Всё начиналось с мысленных экспериментов с кошками и часами.

Шестьдесят лет назад физики собрались для обсуждения гравитации на конструктивной конференции в Университете Чапел-Хилла. Тогда Ричард Фейнман предложил мысленный эксперимент для анализа несовместимости квантовой теории и теории относительности Эйнштейна.

Общепринятая теория относительности является «классической», поскольку любая наблюдаемая величина (например, гравитационное поле) имеет определённое значение, которое может быть представлено действительными числами. В квантовой теории напротив, наблюдаемые величины, такие как положение или скорость, не могут одновременно иметь определённые значения. Частица может существовать в состоянии «суперпозиции», которое при различных обстоятельствах может приводить к двум разным значениям. К примеру, известный мысленный эксперимент с котом Шредингера. Если кратко, то согласно его квантовой теории можно наблюдать условия, при которых кот закрытый в ящике с ядом находится в суперпозиции «живой или мёртвый» до тех пор, пока кто-то не откроет ящик для подтверждения факта.

Мысленный эксперимент: траектория Фейнмана

Именно такое столкновение правильного определения лежит в основе предложенного Фейнманом эксперимента. Для начала он рассматривает массы в квантовой суперпозиции двух траекторий А и В. Общая теория относительности описывает, как масса взаимодействует с гравитационным полем: масса падает в зависимости от силы тяжести локально, а также незначительно меняет значение поля А на В при его наличии. Это приводит нас к любопытной ситуации, рассуждал Фейнман.
Применение обеих теорий подразумевает, что подобно коту Шредингера гравитационное поле должно также принимать две конфигурации одновременно: соответствовать массе, находящейся в точках А или условиям в точке В.
Другими словами, когда гравитация взаимодействует с массой, она приобретает квантовый характер, при этом масса также ведёт себя квантовым образом.

Фейнман определяет два пути решения этого противоречия. Преобладает либо квантовая теория, либо гравитация тоже «квантуется». Или же общепринятую теорию относительности и квантовую теорию нужно применять исключительно в определённых масштабах. Но тогда предстоит обнаружить принципы, определяющие эти масштабы. И тогда Фейнман задаёт главный вопрос: возможно ли разработать эксперимент, который исключает какую-либо зависимость?

Большинство физиков считают, что пересечение квантовой теории и теории относительности слишком сложно получить через лабораторные эксперименты. И они полагают, что обоснованные выводы невозможны без полноценной теории «квантовой гравитации», объединяющую квантовую теорию и общую теорию относительности в новом наборе законов, который можно сравнить с наблюдениями.
Как понял Фейнман, главный вопрос, который хотят решить коллеги, это отнести гравитацию к классической теории или нет. А это можно сделать, развивая теоретические и экспериментальные инструменты, которые уже существуют.

Предварительные теории

Теории квантовой гравитации слишком слабо развиты, чтобы проверить их экспериментально. Существует много предположений, большинство из которых переопределяет или «квантует» гравитационное поле, утверждая, что оно может принимать разные значения одновременно. Некоторые исследователи предлагают разбивать его на небольшие единицы или «кванты», называемые гравитонами (частицы, несущие гравитационную энергию) подобно тому, как фотоны несут электромагнитную энергию.

Каждая теория делает разные прогнозы. Но все такие прогнозы имеют фундаментальную проблему. В лаборатории квантовые гравитационные эффекты, такие как гравитоны, невозможно увидеть непосредственно. Это связано с тем, что гравитация очень слабо связана с материей - примерно в 1043 раза меньше эквивалентной связи электромагнитного поля с заряженной частицей. Так, например, получившему энергию атому достаточно 1 наносекунды для излучения фотона. А для спонтанного появления гравитона потребовалось бы гораздо больше времени, чем возраст Вселенной. Именно поэтому никто никогда его не видел, и он относится к гипотетическим элементарным частицам.

Классические эксперименты.

Стандартным инструментом для наблюдения за квантовым поведением является интерференционный эксперимент. Он выстраивает систему в суперпозицию состояний и преобразует её обратно в исходное состояние. Симметрии в квантовой теории означают, что применение одного и того же преобразования дважды возвращает вас к состоянию, с которого вы начали.
Например, отправка фотона вдоль пути А через распределитель луча (аналогично частично отражающему зеркалу) позволяет либо продолжить, либо изменить направление к перпендикулярному маршруту Б. Теперь фотон находится в суперпозиции двух путей: А и В. Затем он отправляется через другой разделитель луча, реверсируя эксперимент, и его путь измеряется. Если он подчиняется квантовой физике, фотон всегда будет на исходном пути А.

Эту схему можно изменить. Например, вставка простой призмы позволяет сделать маршрут фотона асимметричным по отношению к другим. В зависимости от количества граней результат эксперимента меняется в соответствии с характером граней до такой степени, что фотон может колебаться всегда на пути B. Наблюдение этого шаблона подразумевает, что частица должна вести себя согласно квантовой теории.

Невозможно проверить теорию с помощью гравитона. Но есть возможность использовать гравитацию в таких экспериментах другими способами. Некоторые физики считают, что ключевыми моментами могут быть часы. В соответствии с общей теорией относительности, скорость с которой меняется такт маятника, зависит от силы гравитационного поля, в котором он находится. Это эффект называют гравитационным временным расширением. Таким образом, часы на вершине Монблана будут идти медленнее, чем на уровне моря. Атомные часы ещё чувствительнее в этом отношении, они реагируют на изменение высоты в 0,5 метра (временная дилатация около одной части в 10-16). Если атомные часы расположить в двух разных уровнях по высоте, то разные скорости протекания процесса могут быть использованы в экспериментах с помехами.

Широкое мышление

Вопрос Фейнмана настолько близок физикам, что они пренебрегли поисками возможных расширений. При более пристальном внимании, эксперимент может быть взят за основу для проведения тестов. Физики должны учитывать, какие экспериментальные и теоретические инструменты могут быть использованы для исследования квантования гравитационного поля с использованием квантовых зондов.

Какими функциями должен обладать подходящий квантовый зонд, и какие наблюдаемые данные следует измерять? Будет ли учитываться простая масса или будет какая-то форма атомных часов точнее? Какой размер зонда будет уместен? Как устранить воздействие других полей, таких как электромагнитное поле, или как отличить квантовый эффект силы тяжести от других сил?

Могут быть фундаментальные ограничения, вызванные слабостью гравитационного взаимодействия. В качестве альтернативы макроскопические эффекты могут компенсировать или разрушать квантовые сигналы, что приводит к «гравитационной декогеренции». Тем не менее, оценка того, являются ли такие испытания осуществимыми, является первым шагом на пути прогресса.

Отправной точкой станет целенаправленная встреча, объединяющая сообщества квантовой и гравитационной физики, а также теоретиков и экспериментаторов. Возможно, пришло время провести вторую конференцию в Чапел-Хилл.

В статье использованы изображения с оригинальной статьи, полную версию которой можно прочитать тут.