Метод на основе рентгеновских лучей может помочь поддержать альтернативные квантовые теории
Физики предложили новый экспериментальный протокол, способный подтвердить альтернативные теории квантовой механики. Метод основан на регистрации низкоэнергетического рентгеновского излучения, которое, согласно некоторым моделям, должно возникать в момент коллапса волновой функции. Если гипотеза подтвердится, это объяснит, почему квантовые эффекты, такие как суперпозиция, наблюдаются только на микроуровне, исчезая в макромире.
Парадокс кота Шредингера и границы квантового мира
Стандартная квантовая теория допускает, что объекты могут находиться в суперпозиции — одновременно обладать взаимоисключающими свойствами. Знаменитый мысленный эксперимент с котом Шредингера иллюстрирует этот принцип: животное в коробке с ядом может быть одновременно и живым, и мертвым. На практике это проявляется, например, в способности частицы находиться в двух местах сразу. Однако, несмотря на то, что макрообъекты состоят из квантовых элементов, подобные эффекты на них не распространяются. Самый массивный объект, в котором удалось зафиксировать суперпозицию, весит всего 16 микрограммов.
Ключевая загадка заключается в коллапсе волновой функции — процессе, при котором система из множества вероятных состояний переходит в одно, классическое. «По неизвестной причине волновые функции имеют тенденцию к коллапсу, заставляя квантовые системы вести себя как классические», — поясняет Каталина Курчану из Национального института ядерной физики (Италия) и Института ядерной физики имени Хория Хулубея (Румыния). Этот коллапс традиционно связывают с актом наблюдения или измерения.
Модели квантового коллапса и рентгеновский след
В поисках объяснения физики разработали «модели квантового коллапса». Они постулируют, что некий физический процесс запускает коллапс, причем скорость этого процесса растет с увеличением размера системы. Существует две основные группы таких моделей: модели непрерывной спонтанной локализации (CSL), предполагающие внутренний случайный механизм, и модели, напрямую связывающие коллапс с гравитацией. Считается, что эти процессы могут проявляться в виде спонтанного излучения.
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, команда Курчану оценила характеристики спонтанного электромагнитного излучения, которое атомные системы должны испускать в рентгеновском диапазоне. Результаты показали, что скорость такого излучения сильно зависит от типа атома. «Довольно удивительно, что в низкоэнергетическом режиме скорость спонтанного излучения оказалась сильно зависящей от изучаемых атомных видов», — комментирует ведущий автор Кристиан Пискья из Исследовательского центра Энрико Ферми в Риме. Кроме того, характеристики излучения различались в зависимости от конкретной модели коллапса.
Разработанный протокол позволяет не только проверять альтернативные теории, но и отсеивать неверные гипотезы. Предыдущие эксперименты, нацеленные на поиск высокоэнергетических гамма-лучей, не выявили коллапса, что помогло исключить ряд упрощенных моделей, особенно связанных с гравитацией. Новая методика, работающая в рентгеновском диапазоне, открывает путь к более точной верификации. Команда планирует усовершенствовать протокол и продолжить изучение связи между спонтанным излучением и структурой атомов, используя различные мишени. «Это позволит нам лучше ограничить модели коллапса и, если сигнал будет обнаружен, определить его причину, что будет иметь огромные последствия для науки», — заключает Курчану.
