Вселенная, если присмотреться к ней глазами физики, будто живёт по двум разным сценариям — и эти сценарии до сих пор не удаётся свести в один.
В мире звёзд, планет и галактик безраздельно правит общая теория относительности. Она описывает гравитацию как искривление пространства-времени и с поразительной точностью предсказывает движение огромных объектов. Но стоит спуститься на уровень атомов и реальность меняется до неузнаваемости.
Здесь вступает в силу квантовая механика, где частицы могут находиться сразу в нескольких состояниях, а события подчиняются не строгой определённости, а вероятности.
Это противоречие — не просто философская странность, а одна из главных проблем современной науки. Физики называют её задачей квантовой гравитации и уже десятилетиями пытаются найти «теорию всего». И вот теперь появился эксперимент, который делает к этому объединению небольшой, но очень важный шаг.
Исследователи из Австралийского национального университета сумели продемонстрировать квантовую запутанность не в привычных системах вроде фотонов или спина электронов, а в самом что ни на есть «осязаемом» свойстве — движении массивных атомов. Речь идёт об импульсе, то есть о направлении и скорости движения. Это означает, что запутанность впервые удалось напрямую связать с объектами, которые обладают массой и, следовательно, подчиняются гравитации.
Сама по себе квантовая запутанность давно известна. Если две частицы запутаны, изменение одной мгновенно отражается на другой, даже если их разделяют километры. Это явление проверяли снова и снова — от лабораторных установок до спутниковых экспериментов. Но почти всегда в таких опытах использовались фотоны — частицы света, практически лишённые массы.
А значит, они не позволяли ответить на ключевой вопрос... Как ведёт себя запутанность в мире, где действует гравитация?
Чтобы подойти к этому вопросу, учёные выбрали атомы гелия — лёгкие, но всё же обладающие массой. Их охладили почти до абсолютного нуля, доведя до состояния бозе-эйнштейновского конденсата — особой формы материи, в которой квантовые эффекты проявляются на макроскопическом уровне. Затем два таких облака атомов аккуратно столкнули.
На классическом уровне мы ожидали бы, что атомы разлетятся в разные стороны, как шары на бильярде. Но в квантовом мире всё происходит иначе. После столкновения каждый атом не выбирает одну траекторию — он движется сразу по нескольким. Влево и вправо, вверх и вниз — одновременно. Это не метафора, а буквальное описание того, как ведёт себя частица до момента измерения.
Именно здесь возникает ключевой эффект. Поскольку импульс определяет движение, наличие нескольких импульсов означает, что атом фактически существует сразу в нескольких вариантах своего движения — а значит, и в нескольких местах одновременно. Эти альтернативные «версии» начинают интерферировать друг с другом, как волны на воде.
Когда же атомы достигают детектора, их квантовая неопределённость «схлопывается». Измерение заставляет частицу выбрать конкретный результат. Но если атомы были запутаны, выбор одного мгновенно определяет выбор другого — где бы он ни находился.
Чтобы убедиться, что это не иллюзия, исследователи проверили результаты с помощью неравенства Белла — строгого математического критерия, позволяющего отличить настоящую квантовую связь от любых «скрытых» объяснений. Эксперимент показал, что никаких скрытых параметров нет — связь действительно фундаментальна.
Впервые в подобных экспериментах появляется масса, а значит, и гравитация. Если частица может двигаться по разным траекториям одновременно, то каждая из этих траекторий должна испытывать своё гравитационное воздействие. Но как тогда описывать пространство-время? Оно тоже «раздваивается»? Или остаётся единым? На эти вопросы пока нет ответа.
Именно здесь открывается дорога к будущим исследованиям. Если удастся масштабировать эксперимент — увеличить расстояние между запутанными атомами и устранить так называемую «лазейку локальности», то можно будет напрямую проверить, как гравитация влияет на квантовые состояния. Более того, учёные планируют запутывать разные изотопы гелия, чтобы протестировать фундаментальные принципы гравитации уже на квантовом уровне.
Пока это только начало. Но в этой работе есть нечто большее, чем очередной эксперимент. Она впервые заставляет два самых успешных описания реальности буквально «прикоснуться» друг к другу в одной установке.
Для тех, кто совсем ничего не понял, давайте обобщим всё кратко и более линейно.
Итак... Впервые запутали не абстрактные свойства частиц, а реальное движение массивных атомов гелия. Атомы начали двигаться сразу по нескольким траекториям одновременно, оставаясь квантово связанными, что для макромира видится, как безумие. Представьте себе машину, которая поехала сразу по двум дорогам.
Измерение одного атома мгновенно определяло поведение другого. В отличие от предыдущих экспериментов с почти невесомыми фотонами здесь участвуют объекты с массой, а значит и гравитацией, и теперь у физиков появился реальный инструмент, чтобы проверить, как странные квантовые эффекты взаимодействуют с гравитацией, то есть сделать шаг к объединению двух несовместимых теорий, которые описывают нашу Вселенную.
Не забывайте ставить лайки статье и подписываться! Это очень важно для развития проекта, а вы будете видеть ещё больше интересных статей в ленте! На канале есть премиум, где много интересного.