Обращение к гравитации для решения квантовой тайны во многих отношениях является естественной стратегией, по крайней мере, на фоне “диких теорий”.
Во Вселенной существуют четыре фундаментальных взаимодействия:
- электромагнетизм;
- сильное взаимодействие, которое связывает атомные ядра вместе;
- слабое взаимодействие, которое ответственно за радиоактивный распад;
- и гравитация.
Гравитация - единственная из сил, которую физики не смогли объяснить в квантовых терминах. Альберт Эйнштейн потратил более 30 лет на бесплодные попытки согласовать свои теории гравитации с квантовой механикой, а его преемники до сих пор находятся в тупике.
Неудачи физиков — это признак того, что они идут по неверному пути. Большинство считает, что квантовая теория фундаментально обоснована, но наше понимание гравитации должно измениться. Вместо того, чтобы пытаться изменить теорию гравитации Эйнштейна, мы должны изучить, как гравитация влияет на объект, достаточно маленький, чтобы существовать на границе между квантовым миром атомов и человеческим миром видимых объектов.
Объект размером с пылинку стал бы идеальным для эксперимента. В этом масштабе объект достаточно мал, чтобы на него сильно влияли правила квантовой механики, но достаточно велик, чтобы его можно было наблюдать непосредственно. Современная теория предсказывает, что такой объект может существовать более чем в одном месте и может оставаться в этом расщепленном состоянии почти бесконечно.
Если бы существовал способ наблюдать за пятнышком, не нарушая его, мы бы увидели квантовую странность: макроскопическая вещь, находящаяся в двух местах одновременно, искажающая известную нам реальность.
Вместо того, чтобы рассматривать пространство-время как пустую арену, на которой разворачиваются физические события, можно рассматривать объекты, называемые твисторами, как объекты, создающие ткань пространства-времени с нуля.
(Справка из википедии: твистор — точка в 4-х мерном комплексном пространстве)
Традиционная квантовая теория кажется абсурдной, потому что она неполная. Она игнорирует эффекты гравитации. В атомных или субатомных масштабах гравитация настолько слаба по сравнению с другими силами, что большинство физиков не видят проблемы в том, чтобы исключить ее из общей картины.
Но единственный способ понять квантовый мир — это рассмотреть все силы, которые действуют на него. Для этого необходимо сочетать теорию относительности Эйнштейна с квантовой физикой способом, который никто раньше не рассматривал.
Согласно теории Эйнштейна, любой объект, обладающий массой, вызывает искривление структуры пространства и времени вокруг него. Это искривление создает эффект, который мы ощущаем как гравитацию. Крошечные объекты: пылинки, атомы, электроны - также вызывают искривления пространства-времени. Игнорирование этих перекосов — это то, где большинство физиков сбиваются с пути.
Если пылинка находится в двух местах одновременно, каждая из них должна создавать свои собственные искажения в пространстве-времени, создавая два наложенных гравитационных поля. Для поддержания этих двойных полей требуется энергия. Стабильность системы зависит от количества задействованной энергии: чем больше энергии требуется для поддержания системы, тем менее она стабильна.
Со временем нестабильная система стремится вернуться к своему простейшему состоянию с наименьшей энергией — в данном случае, один объект в одном месте создает одно гравитационное поле. Если это так, то гравитация возвращает объекты в одно местоположение без какой-либо необходимости иметь наблюдателей или параллельные вселенные.
Сколько времени занимает процесс, зависит от степени нестабильности. Электроны, атомы и молекулы настолько малы, что их гравитация и, следовательно, количество энергии, необходимое для поддержания их в повторяющихся состояниях, пренебрежимо малы. Они могут сохраняться таким образом практически вечно, как предсказывает стандартная квантовая теория.
С другой стороны, большие объекты создают такие значительные гравитационные поля, что повторяющиеся состояния исчезают почти сразу. Человеческое движение происходит за одну триллионную долю секунды. Для пылинки процесс занимает почти секунду и этого достаточно, чтобы его можно было измерить.
Суперпозиция, которая является частью квантовой механики, нестабильна для больших объектов; объект будет занимать то или иное положение в масштабе времени примерно за секунду.
Эксперимент ближайшего будущего
Физик Пенроуз предложил провести следующий эксперимент и описал теорию.
Если вместо пылинки используется крошечное зеркало, которое позволяет отражать излучение, чтобы увидеть, было ли оно в одном или двух местах одновременно, то удвоенное состояние могло бы оставаться стабильным в течение длительного времени. Зеркало сохранило бы двойное существование не более секунды, прежде чем гравитация приковала бы его к одному месту.
Предполагалось проверить эту теорию с помощью рентгеновского лазера, установленного на платформе в космическом пространстве. Лазер стал бы посылать фотоны к крошечному зеркалу-мишени, расположенному на расстоянии десятков тысяч миль. Вот где вступила бы в игру квантовая странность. Полуотражающее зеркало, называемое светоделителем, разделяло бы каждый фотон на два состояния, так что он бы следовал по двум траекториям (в двух направлениях одновременно). На одном пути фотон ударялся бы о крошечное зеркало, слегка перемещая его; на другом - он отражался бы от зеркала-мишени, поэтому зеркало не переместилось бы.
Согласно преобладающему взгляду на физику, оба события происходят одновременно: зеркало движется и остается на месте одновременно, потому что зеркало, как и фотон, может находиться в двух состояниях одновременно. На своем обратном пути дубликат фотона, который ударился в крошечное зеркало, снова попадает в то же зеркало, возвращая его в исходное положение. Затем вся система возвращается точно в свое исходное состояние, и принципиально невозможно определить, какой путь прошел фотон. В результате две версии фотона интерферируют друг с другом и рекомбинируют в один фотон, который всегда отражается по пути обратно к лазеру. Никакие рентгеновские фотоны никогда не смогут пройти путь, который ведет их к детектору.
Три разных взгляда на квантовую странность, и что это значит
Согласно ортодоксальному взгляду на квантовую механику, называемому копенгагенской интерпретацией, система не занимает определенного состояния или местоположения, пока не будет измерена. До измерения - это просто размытое пятно перекрывающихся возможностей.
Интерпретация множества миров настаивает на том, что система занимает все свои возможные состояния, но что каждое из них существует в своей собственной альтернативной вселенной. Каждая вселенная видит только одно состояние, вот почему мы никогда не наблюдаем объект в двух состояниях одновременно.
Если вмешается гравитация, то это заставит зеркало либо оставаться в покое, либо двигаться. Теперь фотон не может следовать по обоим путям, потому что гравитация привязывает зеркало к одному состоянию. Следовательно, каждый фотон будет следовать только по одному пути, поэтому он не может интерферировать сам с собой. Половина времени пути — это путь к детектору. Таким образом, если рентгеновское излучение запускает детектор, квантовый дубликат зеркала должен исчезнуть.
Расходы и технические трудности, связанные с наведением рентгеновских лазеров на цели, находящиеся за тысячи миль в космическом пространстве, казались непреодолимыми. Но Дирк Боумистер, профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, увидел способ сделать это осуществимым. Вместе с коллегами Уильямом Маршаллом и Кристофом Саймоном он изобрел способ перенести эксперимент Пенроуза буквально на Землю — на столешницу в лаборатории.
Пересмотренный эксперимент основан на относительно простом источнике видимого света, а не на рентгеновском лазере. Чтобы придать зеркалу тот же эффект, что и более энергичный рентгеновский фотон, фотонам света придется миллион раз отражаться взад-вперед между двумя зеркалами.
Также разрабатываются способы защиты эксперимента от вибраций, случайных фотонов или изменений температуры, которые могли бы испортить результаты. Нужно изолировать квантовый мир от нашего мира и посмотреть, что произойдет.
Будем надеяться, что мы доживем до того дня, когда все эти идеи будут подтверждены. Где-то между уровнем атома и человеческим сознанием должно произойти нечто, что изменит структуру квантовой механики. Проблема в том, что квантовая теория еще ни разу не подводила, предсказывая результат какого-либо эксперимента.
Большинство физиков, которые пытаются объединить теорию гравитации Эйнштейна с квантовой механикой, сосредотачиваются на микроскопических областях, недоступных любому мыслимому эксперименту. Возможно, решение, которое ускользнуло от Эйнштейна, гораздо ближе: оно на "территории", где квантовая механика едва появляется в человеческом мире.
Как вы думаете, что это за "территория"? Может одна из "территорий" - это психика человека?))) Какие варианты у вас есть, напишите в комментариях.
Ставьте лайк. Спасибо!
Начало статьи по ссылке Если электрон может находиться в двух местах одновременно, почему мы не можем?