КОРОБКА КОТА ШРЕДІНГЕРА ЗБІЛЬШУЄТЬСЯ: наскільки великим може бути квантовий світ

Джерело фото: orbitline.org

Сто років тому квантова механіка увірвалася в науку як теорія, що блискуче рахувала і водночас відмовлялася пояснювати. Вона давала змогу передбачати поведінку частинок із нечуваною точністю, але залишала поза увагою головне питання: що все це означає? Відтоді квантові рівняння стали невід’ємною частиною сучасної цивілізації, а здивування — їхнім незмінним супутником.

НАЙБІЛЬША В ІСТОРІЇ «СУПЕРПОЗИЦІЯ»

Сьогодні, через століття після появи квантової теорії, фізики знову повертаються до того самого питання — тільки тепер із експериментами, які ще зовсім недавно здавалися неможливими. Один із них було проведено у Віденському університеті. Він став найбільшою на сьогодні спробою перевірити, наскільки сильно можна розтягнути «квантове дивацтво», перш ніж воно поступиться місцем звичному класичному світу. Команда віденських дослідників змогла створити наймасштабнішу в історії просторову суперпозицію. Нагадаємо, що суперпозицією фізики називають стан мікрочастинки до вимірювання її місцезнаходження. Тобто це такий стан об’єкта, який важко уявити звичайній свідомості й за якого він існує у декількох місцях одночасно.

ЯК «ХВИЛІ» ТА «КУЛЬКИ» МАЛЮЮТЬ ВІЗЕРУНКИ

Саме в такий стан науковці перевели кластери металевого натрію, кожен із яких складався приблизно з 7 000 атомів. Розмір такого кластера — близько 8 нанометрів. Їх можна уявити собі як мікроскопічні «кульки», які, перебуваючи в суперпозиції, одночасно поводяться як «хвилі». При цьому вчені виявили, що «хвилі» та «кульки», являючи собою один об’єкт, поширюються по рознесених у просторі траєкторіях. Вони навіть обчислили відстань між альтернативними положеннями в суперпозиції — 133 нанометри. Цікаво, що обидві ці траєкторії інтерферують, тобто постійно накладаються одна на одну, утворюючи характерний візерунок. Власне, це й є експериментальним доказом того, що об’єкт дійсно перебував у суперпозиції.

ДЕ МЕЖА МІЖ СВІТАМИ?

Це все звучить фантастично. Але квантова механіка взагалі дивна річ. У її формулах просто немає межі, де можна було б сказати: на цьому масштабі дивацтва закінчуються. І вже зовсім відвертим дивом є те, що при тотальній невизначеності квантового світу повсякденний світ, який ми бачимо, виглядає стабільним, цілком зрозумілим і підкреслено неквантовим. Столи не проходять крізь стіни, коти не існують одночасно живими й мертвими, а предмети не розпливаються в просторі. Саме цей розрив — між універсальністю рівнянь і буденністю досвіду — залишається однією з головних загадок сучасної фізики. Експеримент австрійських науковців із натрієвими кластерами — це спроба намацати межу між квантовим і неквантовим світами. Якщо вона взагалі існує…

ФІЛОСОФІЯ З ІНЖЕНЕРНИМ ПРОДОВЖЕННЯМ

За своєю масою такі кластери порівняні з великими молекулами білка або найдрібнішими вірусами. І якщо навіть на цьому рівні квантова механіка продовжує працювати без збоїв, це означає, що звичний для нас «класичний світ» може зовсім не бути фундаментальною реальністю. А що як він — лише зручне, адаптоване під наше сприйняття наближення до неї? Однак цінність експерименту у Віденському університеті полягає не лише в тому, що він зачіпає філософські основи фізики. Йдеться про її практичне майбутнє. Візьмімо, приміром, майбутнє квантових комп’ютерів, до створення яких впритул наблизилася світова наука. Вважається, що вони стануть наступним найбільшим технологічним проривом людства. Але ж такі комп’ютери неможливі без підтримання колективних квантових станів, що включають мільйони елементів.

ЖОРСТКОЇ КВАНТОВОЇ «МЕЖІ» НЕ ІСНУЄ?

Якби в природі існувала жорстка «межа», після якої суперпозиції неминуче руйнуються самі собою, то перспектива масштабних квантових обчислень опинилася б під великим питанням. І тоді перед інженерами, які створюють квантові комп’ютери, постала б суттєва перешкода. На щастя, експерименти, подібні до описаного вище, показують: природа, принаймні на цих масштабах, не поспішає «вмикати» класичний режим.

Вступаючи до клубу друзів Huxley, Ви підтримуєте філософію, науку та мистецтво

Приєднатися до клубу друзів

КІТ ШРЕДІНГЕРА ЯК МЕТОДОЛОГІЧНА ТРАВМА

1935 року Ервін Шредінгер вигадав уявний експеримент зі своїм славнозвісним котом. Сьогодні вже мало хто пам’ятає: таким чином науковець намагався не прояснити, а висміяти, спародіювати популярні інтерпретації квантової механіки. Як відомо, його кіт, замкнений у коробці з радіоактивним атомом та ампулою отрути, виявлявся одночасно і живим і мертвим — до моменту спостереження. Минуло майже сто років, але цей «несерйозний» експеримент, як і раніше, не втратив актуальності. Ба більше, фізики дедалі ближче підходять до його буквальної реалізації — хай поки що й без живих істот.

БІЛЬШІСТЬ НАУКОВЦІВ ПРОТИ «МЕЖІ»

Насправді квантові стани зазвичай руйнуються внаслідок взаємодії з навколишнім середовищем — світлом, теплом, випадковими молекулами газу. Цей процес називають декогеренцією. Однак існують і альтернативні теорії, які припускають, що колапс квантового стану відбувається сам по собі, після досягнення певного масштабу або «межі». Щоправда, згідно з опитуванням Nature, проведеним у 2025 році, лише 4 % фізиків вважають такі моделі достатньо переконливими. Переважна більшість вчених дотримується іншої думки, але як перевірити, хто з них має рацію? Це можна зробити лише експериментально — розширюючи межі можливого. Однак науковцям такі експерименти даються досить важко.

ДВА РОКИ ГАЛАСУ Й ТИШІ

Створення великої суперпозиції вимагало від дослідників майже чернечого терпіння. Кластери натрію охолоджували до температури 77 К (−196 °C) і направляли через інтерферометр із трьох лазерних решіток в умовах надвисокого вакууму. Щоб зрозуміти, як це все працює, потрібні спеціальні знання. Але наші читачі можуть отримати уявлення про масштаб наукової праці з одного простого факту. Найменше збурення, будь-який мікроскопічний зсув або випадкова стороння частинка — й ефект зник, роботу доводиться починати знову. У підсумку команда витратила близько двох років, перш ніж побачила реальний сигнал. До цього були «тисячі годин» спостережень за візерунками, траєкторіями та шумами — без жодного натяку на інтерференцію. Вчені вже були на межі відчаю, але зрештою їхнє неймовірне терпіння було винагороджено.

РЕКОРД — ЦЕ НЕ МЕЖА

Отримана суперпозиція в 10 разів перевершує попередні досягнення за показником «макроскопічності», який враховує масу об’єкта, відстань між квантовими станами та час їхнього існування. Це не наймасивніша система в суперпозиції, проте одна з найбільш «просторово сміливих». Наступні кроки обіцяють бути ще складнішими. Більш важкі об’єкти мають коротші довжини хвиль, а отже, розрізнити квантові ефекти стає дедалі важче. І все ж авторам дослідження оптимізму не забракло: ще 15 років тому успішно проведений ними експеримент вважався неможливим у принципі.

А ЩО ЯК ДАЛІ — ЖИТТЯ?

Команда розмірковує над тим, щоб перейти до дослідження біологічних об’єктів. Деякі віруси, як ми вже згадували, за розмірами цілком порівнянні з натрієвими кластерами. Звісно, через те, що вони значно крихкіші, експеримент з ними буде технічно складнішим. Але тепер він уже не здається фантастичним. Власне кажучи, наука відносить віруси до живих організмів. Однак подібний експеримент з ними став би певним символічним рубежем, оскільки переніс би квантову інтерференцію в зону, де закінчується фізика частинок і починається розмова про життя — нехай поки що й у суто наукових термінах. Як і сто років тому, кіт Шредінгера залишається не живим і не мертвим у тій самій коробці. Ось тільки ця коробка на наших очах дедалі більшає…

Оригінальне дослідження: