Что «убивает» кота Шрёдингера? Физики исключили одно из старейших объяснений

Кот Шрёдингера никогда не предназначался для реального эксперимента с животным. Эрвин Шрёдингер придумал его, чтобы подчеркнуть странность квантовой механики. Пока закрытый ящик не открыт, судьба воображаемого кота связана с квантовым событием, поэтому формальное описание допускает суперпозицию состояний «жив» и «мертв». В окружающем нас мире ничего подобного не наблюдается. Стол не находится одновременно в двух местах, а человек не идет сразу по двум дорогам. Где же исчезает квантовая неопределенность?

Одна из центральных идей, объясняющих этот переход, — декогеренция. Квантовая система практически никогда не существует в абсолютной изоляции. Она взаимодействует с молекулами воздуха, тепловым излучением, светом и другими элементами окружающей среды. Информация о состоянии системы как бы рассеивается вокруг, и возможность наблюдать интерференцию между компонентами суперпозиции чрезвычайно быстро исчезает.

Но существует более радикальный вопрос. А что, если разрушение суперпозиции связано не только с обычным взаимодействием с окружающей средой? Может быть, сама природа пространства-времени устанавливает предел тому, насколько большим объектам позволено оставаться квантовыми?

Именно такую линию рассуждений еще в 1960-х годах развивал венгерский физик Фридьеш Каройхази. Он предположил, что пространство-время не является идеально гладким даже на фундаментальном уровне. Мельчайшие неизбежные флуктуации его геометрии должны создавать неопределенность при измерении расстояний и постепенно разрушать пространственные квантовые суперпозиции.

Идея привлекательна тем, что связывает две фундаментальные теории, которые до сих пор чрезвычайно трудно объединить. Квантовая механика великолепно описывает микромир, тогда как общая теория относительности связывает гравитацию с геометрией пространства-времени. Модель Каройхази предполагала, что граница между квантовым и привычным классическим миром может быть одним из проявлений гравитации.

Долгое время подобные рассуждения казались почти недоступными эксперименту. Но у модели есть важное свойство: если предполагаемые флуктуации пространства-времени действительно воздействуют на материю, они должны слегка раскачивать заряженные частицы. Ускоренный электрический заряд излучает электромагнитные волны. Следовательно, невидимое квантово-гравитационное воздействие должно оставлять вполне материальный след — чрезвычайно слабое излучение.

Проблема заключается в том, что окружающий мир буквально наполнен радиационным шумом. Космические лучи и естественная радиоактивность способны полностью скрыть искомый сигнал. Поэтому эксперимент перенесли туда, где природа сама построила гигантский защитный экран, — в Национальную лабораторию Гран-Сассо в Италии.

Она находится глубоко под горным массивом, примерно под 1,4 километра породы. Толща камня резко уменьшает поток космических частиц, создавая одну из наиболее тихих сред на Земле для поиска исключительно редких физических процессов. В таком месте отсутствие сигнала может оказаться почти столь же информативным, как его обнаружение.

Сердцем установки стал небольшой кристалл сверхчистого германия размером примерно с кофейную кружку. Германий прекрасно подходит для регистрации слабого излучения. Сам детектор дополнительно окружили слоями меди и свинца, чтобы еще сильнее подавить внешние помехи.

Эксперимент продолжался в общей сложности 62 дня. Исследователи зарегистрировали излучение, оценили известные источники фоновых событий и вычли их вклад. После этого в оставшихся данных искали характерный спектральный сигнал, который должен был возникать согласно исследуемой версии модели Каройхази.

Его не оказалось. Для экспериментальной физики нулевой результат вовсе не означает неудачу. Если теория достаточно точно предсказывает наблюдаемый эффект, а чувствительность установки позволяет его увидеть, отсутствие эффекта исключает соответствующую область параметров или сам проверяемый вариант модели. Именно это произошло в Гран-Сассо: обобщенная модель декогеренции Каройхази в исследованной форме оказалась несовместима с наблюдениями.

Но здесь важно не сделать слишком широкий вывод. Эксперимент не доказал, что гравитация вообще никак не связана с переходом от квантового мира к классическому. Он также не решил проблему измерения и не объяснил окончательно судьбу кота Шрёдингера. Проверялось конкретное физическое предсказание конкретной гравитационной модели декогеренции.

Тем не менее результат важен именно благодаря своей определенности. В фундаментальной физике существует множество красивых гипотез, способных десятилетиями оставаться практически недоступными проверке. Когда эксперимент начинает исключать хотя бы некоторые из них, пространство возможных объяснений сужается.

Особенно интересна исходная идея о фундаментальной неопределенности расстояния. Во многих попытках объединить гравитацию с квантовой механикой возникает предположение, что на чрезвычайно малых масштабах привычное понятие идеально определенной длины может перестать работать. Различные теории приходят к этому совершенно разными путями, поэтому проверка подобных следствий позволяет приблизить чрезвычайно абстрактные идеи к лабораторной физике.

И здесь подземный эксперимент демонстрирует важную перемену. Квантовую гравитацию часто связывают с масштабами энергии, недостижимыми для современных ускорителей. Но это не означает, что абсолютно все связанные с ней гипотезы невозможно проверять сегодня. Если теория предсказывает даже ничтожное дополнительное движение, нагрев или излучение обычной материи, сверхчувствительный эксперимент может попытаться найти этот побочный след.

Поэтому вопрос «что убивает кота Шрёдингера?» после эксперимента не получил окончательного ответа. Зато один из подозреваемых оказался значительно менее убедительным. А это и есть один из способов, которыми движется фундаментальная наука: иногда путь к правильной теории начинается не с обнаружения нового сигнала, а с 62 дней почти идеальной тишины глубоко под итальянской горой.