Где заканчивается квантовый мир и начинается наш привычный? Есть ли размер, убирающий квантовые чудеса?

Ваш утренний кофе никогда не висит одновременно в двух чашках, правда? И кот Шрёдингера в реальной жизни всегда либо жив, либо мёртв, никаких «и то, и другое». Но для микроскопических частиц, из которых состоят и кофе, и коты, и мы с вами, быть в нескольких состояниях сразу — обычное дело. Это не научная фантастика, а будни квантовой механики. Так где же проходит та неуловимая граница, та тонкая грань, за которой вся эта квантовая «странность» уступает место нашей твёрдой, упорядоченной и такой предсказуемой реальности?

Загадка большого масштаба

Удивительно, но сама квантовая механика, в её классической формулировке (спасибо Эрвину Шрёдингеру и его знаменитому уравнению!), вроде как не ставит никаких ограничений по размеру. Теоретически, и слон мог бы находиться в суперпозиции — одновременно в двух разных углах вольера, пока никто не смотрит. Но на практике… что-то мешает. Что же?

Главный «виновник» — это окружающий мир. Квантовые состояния невероятно хрупки, как мыльный пузырь на ветру. Малейшее взаимодействие, случайный фотон, столкновение с молекулой воздуха — всё это может разрушить нежную квантовую связь или «схлопнуть» суперпозицию в одно конкретное состояние. Этот процесс называется декогеренцией. Чем больше объект, тем больше у него точек соприкосновения с окружением, тем сложнее его изолировать, тем быстрее он теряет свои квантовые свойства и становится «обычным», как тот самый слон.

Поэтому учёные идут на невероятные ухищрения, чтобы подглядеть за квантовым миром на всё больших масштабах. Они строят лаборатории, которые больше похожи на сейфы из шпионских фильмов, только ещё сложнее. Вспомните ту самую комнату в Саутгемптоне: тонны гранита для поглощения вибраций, хитроумные маятники, холодильники, создающие почти космический холод… Всё ради того, чтобы максимально оградить экспериментальный объект от «шума» внешнего мира. Это похоже на попытку услышать шёпот в центре оживлённой площади — нужно создать островок абсолютной тишины.

Всё больше и больше: Квантовые гиганты на сцене

И знаете, эти усилия приносят плоды! Если раньше квантовые фокусы удавались только с одиночными частицами, то сейчас физики заставляют «квантоваться» всё более крупные объекты.

• Сначала были молекулы, состоящие из тысяч атомов — уже неплохо! Учёные, например, под руководством Маркуса Арндта в Вене, смогли наблюдать их волновое поведение, словно они не частицы, а рябь на воде.
• Потом в игру вступили кристаллы! В Цюрихе заставили кристалл сапфира массой в 16 микрограммов (это немного, но уже видимо невооружённым глазом!) побывать в состоянии суперпозиции. Представьте, кристалл, который одновременно здесь и немного там.
• А как насчёт стеклянных шариков? Другая группа из того же Цюриха показала волновые свойства у 100-нанометрового шарика, содержащего миллиарды атомов!
• Недавно продемонстрировали даже запутанность между двумя облачками, каждое из которых содержало сотни атомов рубидия. Два разных объекта, связанные невидимой нитью.

Это не просто гонка за размерами ради рекордов. Каждый такой эксперимент — это проверка фундаментальных законов природы на прочность. Мы как бы спрашиваем у Вселенной: «А так можно? А если ещё чуть-чуть побольше? Где твой предел?»

Теория шепчет: А вдруг дело не во внешнем шуме?

Но что, если дело не только в назойливой окружающей среде, которая постоянно «тормошит» квантовые системы? Что, если существует некий внутренний механизм, который сам по себе не даёт квантовым эффектам распространяться на большие объекты? Эта интригующая идея легла в основу так называемых моделей спонтанного коллапса (например, модель GRW — Гирарди, Римини и Вебера).

Грубо говоря, эти модели предполагают, что волновая функция (математическое описание квантового состояния) может коллапсировать сама по себе, без внешнего вмешательства, и вероятность такого самопроизвольного коллапса растёт с размером или сложностью системы. Они даже делают конкретные предсказания: например, модель GRW намекает, что спонтанный коллапс должен становиться заметным для объектов размером около микрометра (тысячная доля миллиметра).

И вот тут-то и начинается самое интересное. Современные эксперименты уже подбираются к этим предсказанным рубежам! Они ещё не достигли их, но разрыв сокращается. Это уже не стрельба вслепую; у учёных есть теоретическая карта, указывающая, где искать «клад» — или, в данном случае, ту самую границу квантового мира.

На пороге открытия? В погоне за неуловимым

Что же дальше? Эксперименты становятся всё изощрённее. Команда Хендрика Ульбрихта в Саутгемптоне сейчас пытается загнать в суперпозицию 20-нанометровую кремниевую сферу, левитирующую в лазерном луче — это в тысячи раз тоньше человеческого волоса! Другие группы тоже не отстают, используя всё более совершенные лазеры и методы контроля, чтобы удержать эти «квантовые пузыри» от лопания.

Есть и альтернативные подходы. Вместо того чтобы напрямую наблюдать квантовый объект на грани коллапса (что очень сложно), можно попробовать «подслушать» сам процесс. Команда Анджело Басси ищет в глубине итальянских гор Гран-Сассо, под километровой толщей скал, которая служит естественным щитом от помех, следы рентгеновского излучения. Согласно некоторым теориям, такие вспышки могли бы сопровождать спонтанный коллапс волновой функции. Пока безрезультатно, но поиск продолжается, ведь на кону — проверка самих основ физики.

Что, если граница найдётся? Или не найдётся?

Представьте на секунду: эксперименты подтверждают одну из моделей спонтанного коллапса. Это будет означать, что квантовая механика, какой мы её знаем, — не полная картина мира. Её придётся модифицировать, дополнять. Это была бы настоящая революция, сравнимая с созданием самой квантовой теории сто лет назад! Мы бы поняли, что есть фундаментальный закон, запрещающий большим объектам вести себя «слишком квантово».

А что, если никаких признаков спонтанного коллапса так и не найдут, даже на предсказанных рубежах и за ними? Это укрепит другую, не менее захватывающую точку зрения: возможно, никакой фундаментальной границы и нет. Весь мир, от микрочастиц до галактик, по своей сути квантовый. Просто на макроуровне эффекты декогеренции настолько сильны и быстры, что мы не замечаем квантовой «странности» в повседневной жизни. Граница тогда окажется не физической чертой, а лишь пределом наших текущих технологических возможностей её наблюдать. Мы просто пока не научились создавать достаточно тихие «уголки», чтобы увидеть квантовую природу стула или стола.

Так где же эта грань? Возможно, её и нет вовсе, а мы просто учимся всё лучше и лучше видеть истинную, квантовую природу реальности, скрытую за завесой повседневного опыта. Поиски продолжаются, и кто знает, какие удивительные открытия ждут нас за следующим поворотом этого захватывающего научного приключения. Одно ясно точно: мы стоим на пороге понимания чего-то очень глубокого о том, как устроен наш мир. И это, честно говоря, невероятно волнующе.