Гравитация не смогла убить кота Шрёдингера
Физики провели под землёй сверхчувствительный поиск излучения, которое должно было возникать, если гравитация разрушает квантовые суперпозиции по механизму Фридьеша Каройхази. Предсказанного сигнала не обнаружили, а полученные ограничения позволили исключить модель в проверенной обобщённой форме. Вывод сужает круг возможных объяснений того, почему квантовые свойства крупных объектов исчезают, но не доказывает, что гравитация вообще не участвует в таком процессе.
Знаменитый кот Шрёдингера здесь служит лишь наглядной метафорой. Квантовая система способна находиться в суперпозиции нескольких состояний, однако при взаимодействии с окружающим миром такая суперпозиция быстро теряет наблюдаемые квантовые свойства. Физики называют процесс декогеренцией. Чем крупнее объект, тем труднее сохранить его квантовое поведение достаточно долго для наблюдения.
Каройхази ещё в 1960-х годах предположил, что причина может скрываться в самом пространстве-времени. В его модели квантовая механика и гравитация накладывают фундаментальный предел на точность измерения расстояний, а метрика пространства-времени постоянно испытывает крошечные случайные флуктуации. Такие колебания должны постепенно разрушать когерентность материи.
У гипотезы есть важное следствие, которое можно проверить без создания настоящего макроскопического «кота». Флуктуации пространства-времени должны случайным образом ускорять заряженные частицы, заставляя их испускать очень слабое электромагнитное излучение. Стандартная квантовая механика такого дополнительного свечения не предсказывает, поэтому отсутствие сигнала позволяет ограничивать параметры модели.
Для поиска использовали детектор из высокочистого германия диаметром и длиной по 8 см с активным объёмом 375 см³. Установку окружили медью и свинцом, а герметичный корпус продували азотом, чтобы уменьшить фон от радона. Сверху находилось около 1,4 км горной породы, благодаря чему поток космических мюонов снижался примерно в миллион раз.
Измерения продолжались около 62 дней, причём сами данные были собраны ещё в период с августа 2014 по август 2015 года. Новая работа использовала их для проверки более поздней версии теории. Анализ сосредоточили на диапазоне энергий от 1,3 до 1,6 МэВ, где расчёт фонового излучения описывал более 97% зарегистрированного спектра. Статистически значимого избытка фотонов, который могла бы создать модель Каройхази, физики не нашли.
Главным параметром служила пространственная длина корреляции RK, определяющая масштаб предполагаемых флуктуаций. Эксперимент показал, что RK должна превышать 4,64 м с доверительной вероятностью 95%. Однако предыдущий теоретический анализ требовал значения меньше 1,98 м, иначе механизм уже не обеспечивал бы ожидаемую локализацию макроскопических объектов. Совместить оба условия невозможно, поэтому проверенная гауссова версия обобщённой модели Каройхази не выдерживает экспериментальных ограничений.
Тот же результат распространяется на связанную с ней немарковскую версию модели непрерывной спонтанной локализации, которая в рассматриваемых условиях даёт те же наблюдаемые предсказания. Более широкий класс теорий коллапса волновой функции и другие варианты гравитационной декогеренции эксперимент не закрывает.
Особенно важен сам способ проверки. Идеи о квантовой природе гравитации часто связывают с масштабами, недоступными современным ускорителям, но некоторые модели оставляют слабые побочные эффекты при гораздо меньших энергиях. Подземные детекторы с крайне низким фоном позволяют искать такие следы и отбрасывать конкретные варианты теорий, не дожидаясь прямого доступа к планковским масштабам.