КОРОБКА КОТА ШРЕДИНГЕРА РАСТЕТ: насколько большим может быть квантовый мир

Источник фото: orbitline.org

Сто лет назад квантовая механика ворвалась в науку как теория, которая блестяще считала и в то же время отказывалась объяснять. Она позволяла предсказывать поведение частиц с неслыханной точностью, но оставляла за скобками главный вопрос: что все это значит? С тех пор квантовые уравнения стали неотъемлемой частью современной цивилизации, а недоумение — их неизменным спутником.

КРУПНЕЙШАЯ В ИСТОРИИ «СУПЕРПОЗИЦИЯ»

Сегодня, спустя век после рождения квантовой теории, физики снова возвращаются к тому же вопросу — только теперь с экспериментами, которые еще недавно казались невозможными. Один из них был проведен в Венском университете и стал крупнейшей на сегодняшний день попыткой проверить, насколько сильно можно растянуть «квантовую странность», прежде чем она уступит место привычному классическому миру. Команда венских исследователей сумела создать самую масштабную в истории пространственную суперпозицию. Напомним, что суперпозицией физики называют состояние микрочастицы до измерения ее местоположения. То есть это такое с трудом представимое обыденным сознанием состояние объекта, при котором он существует в нескольких местах одновременно.

КАК «ВОЛНЫ» И «ШАРИКИ» РИСУЮТ УЗОРЫ

Именно в такое состояние ученые привели кластеры металлического натрия, каждый из которых состоял примерно из 7 000 атомов. Размер такого кластера — около 8 нанометров. Их можно представить себе как микроскопические «шарики», которые, находясь в суперпозиции, одновременно ведут себя как «волны». При этом ученые обнаружили, что «волны» и «шарики», будучи одним объектом, распространяются по разнесенным в пространстве траекториям. Они даже вычислили расстояние между альтернативными положениями в суперпозиции — 133 нанометра. Интересно, что обе эти траектории интерферируют, то есть постоянно накладываются друг на друга, образуя характерный узор. Собственно, это и является экспериментальным доказательством того, что объект действительно находился в суперпозиции.

ГДЕ ГРАНИЦА МЕЖДУ МИРАМИ?

Звучит это все фантастически. Но квантовая механика вообще штука странная. В ее формулах попросту отсутствует предел, где можно было бы заявить: на этом масштабе странности заканчиваются. И уж совсем откровенным чудом является то, что при тотальной неопределенности квантового мира видимый нами повседневный мир выглядит стабильным, вполне понятным и подчеркнуто неквантовым. Столы не проходят сквозь стены, коты не существуют одновременно живыми и мертвыми, а предметы не расплываются в пространстве. Именно этот разрыв — между универсальностью уравнений и обыденностью опыта — остается одной из главных загадок современной физики. Эксперимент австрийских ученых с натриевыми кластерами — это попытка нащупать границу между квантовым и неквантовым мирами. Если она вообще существует…

ФИЛОСОФИЯ С ИНЖЕНЕРНЫМ ПРОДОЛЖЕНИЕМ

По своей массе такие кластеры сопоставимы с крупными молекулами белка или самыми маленькими вирусами. И если даже на этом уровне квантовая механика продолжает работать без сбоев, это означает, что привычный нам «классический мир» может вовсе не быть фундаментальной реальностью. А что, если он всего лишь удобное, адаптированное под наше восприятие приближение к ней? Однако ценность эксперимента в Венском университете не только в том, что он затрагивает философские основы физики. Речь идет о ее практическом будущем. Возьмем, например, будущее квантовых компьютеров, к созданию которых вплотную подошла мировая наука. Считается, что они станут следующим крупнейшим технологическим прорывом человечества. Но ведь такие компьютеры невозможны без поддержания коллективных квантовых состояний, включающих миллионы элементов.

ЖЕСТКОГО КВАНТОВОГО «ПРЕДЕЛА» НЕ СУЩЕСТВУЕТ?

Если бы в природе существовал жесткий «предел», после которого суперпозиции с неизбежностью разрушаются сами по себе, то перспектива масштабных квантовых вычислений оказалась бы под большим вопросом. И тогда у инженеров, создающих квантовые компьютеры, появилось бы серьезное препятствие. К счастью, эксперименты, подобные вышеописанному, показывают: природа, по крайней мере на этих масштабах, не спешит «включать» классический режим.

Вступая в клуб друзей Huxley, Вы поддерживаете философию, науку и искусство

Присоединиться к клубу друзей

КОТ ШРЕДИНГЕРА КАК МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ТРАВМА

В 1935 году Эрвин Шредингер придумал мысленный эксперимент со своим знаменитым котом. Сегодня уже мало кто помнит: таким образом ученый пытался не прояснить, а высмеять, спародировать популярные интерпретации квантовой механики. Как известно, его кот, запертый в коробке с радиоактивным атомом и ампулой яда, оказывался одновременно и живым и мертвым — до момента наблюдения. Прошло почти сто лет, но этот «несерьезный» эксперимент по-прежнему не утратил актуальности. Более того, физики все ближе подходят к его буквальной реализации — пусть пока и без живых существ.

БОЛЬШИНСТВО УЧЕНЫХ ПРОТИВ «ПРЕДЕЛА»

В реальности квантовые состояния обычно разрушаются из-за взаимодействия с окружающей средой — светом, теплом, случайными молекулами газа. Этот процесс называют декогеренцией. Однако существуют и альтернативные теории, предполагающие, что коллапс квантового состояния происходит сам по себе, после достижения определенного масштаба или «предела». Правда, согласно опросу Nature, проведенному в 2025 году, лишь 4 % физиков считают такие модели достаточно убедительными. Подавляющее большинство ученых придерживается иного мнения, но как проверить, кто из них прав? Это можно только экспериментально — расширяя границы возможного. Однако ученым такие эксперименты даются весьма нелегко.

ДВА ГОДА ШУМА И ТИШИНЫ

Создание большой суперпозиции потребовало от исследователей почти монашеского терпения. Кластеры натрия охлаждали до температуры 77 К (−196 °C) и направляли через интерферометр из трех лазерных решеток в условиях сверхвысокого вакуума. Чтобы понять, как это все работает, нужны специальные знания. Но наши читатели могут получить представление о масштабе научного труда из одного простого факта. Малейшее возмущение, любой микроскопический сдвиг или случайная посторонняя частица — и эффект уничтожен, работу приходится начинать заново. В итоге команда потратила около двух лет, прежде чем увидела реальный сигнал. До этого были «тысячи часов» наблюдений за узорами, траекториями и шумами — без какого-либо намека на интерференцию. Ученые уже были на грани отчаяния, но в конечном итоге их невероятное терпение было вознаграждено.

РЕКОРД — НЕ ПРЕДЕЛ

Полученная суперпозиция в 10 раз превосходит предыдущие достижения по показателю «макроскопичности», который учитывает массу объекта, расстояние между квантовыми состояниями и время их существования. Это не самая массивная система в суперпозиции, но одна из самых «пространственно смелых». Следующие шаги обещают быть еще сложнее. Более тяжелые объекты имеют более короткие длины волн, а значит, различить квантовые эффекты становится все труднее. И все же авторам исследования оптимизма не занимать: еще 15 лет назад успешно проведенный ими эксперимент считался невозможным в принципе.

А ЧТО, ЕСЛИ ДАЛЬШЕ — ЖИЗНЬ?

Команда задумывается над тем, чтобы перейти к исследованию биологических объектов. Некоторые вирусы, как мы уже упоминали, вполне сопоставимы по размерам с натриевыми кластерами. Конечно, из-за того, что они значительно более хрупкие, эксперимент с ними будет технически более сложным. Но теперь он уже не кажется фантастическим. Строго говоря, наука относит вирусы к живым организмам. Однако подобный эксперимент с ними стал бы неким символическим рубежом, поскольку перенес бы квантовую интерференцию в зону, где заканчивается физика частиц и начинается разговор о жизни — пусть пока и в строго научных терминах. Как и сто лет назад, кот Шредингера по-прежнему остается не живым и не мертвым во все той же коробке. Вот только эта коробка на наших глазах становится все больше и больше…

Оригинальное исследование: