У якийсь момент квантова поведінка зникає між крихітним світом частинок і атомів і більшим світом, який ми відчуваємо щодня.
Квантова механіка дозволяє частинкам існувати в комбінаціях можливих станів, явище, відоме як суперпозиція. Ця дивна особливість надихнула Шредінгера на знаменитий уявний експеримент, у якому кіт водночас живий і мертвий, поки за ним спостерігають. Але в повсякденному світі все відбувається не так.
Фізики називають втрату цих специфічних квантових ефектів декогерентністю. Чому саме відбувається декогеренція і чи відіграє роль гравітація, залишається одним із основних відкритих питань у фундаментальній фізиці.
Тепер новий експеримент, підтриманий FQxI, розвінчав видатне пояснення, пов’язане з гравітацією. Висновки були опубліковані в журналі Новий журнал фізики у червні 2026 року.
«Одне з найглибших питань сучасної фізики полягає в тому, чому дивовижна квантова поведінка, яка керує атомами та елементарними частинками, зникає в макроскопічному світі, з яким ми стикаємося щодня», — говорить член FQxI Каталіна Курчану, директор з досліджень і речник VIP-кооперації в Національній лабораторії Фраскаті (INFN-LNF) в Італії.
Дослідження ролі гравітації в квантовій декогеренції
Експеримент проводився в Національній лабораторії INFN Gran Sasso (INFN-LNGS), найбільшій у світі підземній лабораторії, присвяченій фундаментальній фізиці.
Дослідники зосередилися на моделі, яка передбачає, що сама гравітація може допомогти знищити квантові суперпозиції.
Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна, масивні об’єкти спотворюють тканину простору-часу. У 1960-х роках угорський фізик-теоретик Фрієш Кароліхазі припустив, що простір-час також може зазнавати тонких і неминучих змін.
У його моделі ці зміни поступово руйнують квантові суперпозиції. Цей процес може пояснити, чому великі об’єкти не залишаються в дивних комбінаціях станів, дозволених квантовою механікою, таких як мертвий і живий стани, уявлені в розумовому експерименті котів Шредінгера.
Ідея Кароліхазі привернула увагу і нещодавно була відроджена, доопрацьована та переглянута Анджело Бассі та колегами з FQxI.
Пошук сигнатури слабкого випромінювання
Зміну в просторово-часовій проекції неможливо визначити безпосередньо. Але якщо вони існують, вони повинні мати вимірні побічні ефекти.
Вони змушують електрично заряджені частинки рухатися і випадково прискорюватися. У свою чергу, ці частинки повинні випромінювати дуже слабке електромагнітне випромінювання.
Виявити такий слабкий сигнал важко, оскільки він може бути легко похований під випромінюванням від інших джерел, включаючи космічні промені.
Ось чому Gran Sasso такий корисний. Лабораторія вбирає 1,4 кілометра радіоактивної породи, яка блокує велику частину фонових перешкод, які інакше ускладнили б пошук.
«Природне екранування, яке створює камінь, створює одне з найтихіших середовищ на Землі для виявлення надзвичайно рідкісних фізичних явищ», — каже Курчану.
Дослідники використовували детектор, побудований навколо шматка високоякісного кристала германію розміром з каву, захищеного додатковими шарами міді та свинцю.
Вони збирали дані протягом 62 днів, а потім відняли кількість фонової радіації, яку вони очікували. Те, що залишилося, було порівняно з діаграмою спрямованості, передбаченою моделлю Кароліхазі.
Результат був простий: сигнал не знайдено.
Основна теорія вражає
Це відкриття не доводить, що гравітація має якесь відношення до квантової декогеренції.
Натомість він відкидає важливу варіацію ідеї та дає фізикам більш жорсткі рамки для майбутніх теорій, які пов’язують гравітацію з квантовою механікою.
“Ця відсутність сигналу сама по собі є чудовим науковим результатом”, – каже Курчану. «Відкидаючи одну з найстаріших і найприродніших моделей декогеренції, спричиненої природною гравітацією, ця робота звужує пошук теорії, яка описує взаємодію гравітації та квантової механіки, наближаючи нас на один крок до розуміння однієї з найглибших таємниць у фундаментальній фізиці».
Від квантової теорії до фізики, яку можна перевірити
Модель Кароліхазі базується на тому факті, що природа може визначити фундаментальну межу для визначення положення об’єкта або вимірювання відстані.
Відколи була запропонована модель, подібні ідеї з’явилися в кількох сучасних спробах об’єднати гравітацію та квантову механіку, включаючи теорію струн і кільцеву квантову гравітацію.
«Кожен підхід до квантової гравітації закінчується передбаченням існування мінімальної довжини, яка залежить від невизначеності вимірювання часу», — каже Крістіан Піскіккіа, квантовий фізик з Дослідницького центру Енріко Фермі/INFN/VIP в Італії та експериментальний керівник нового дослідження.
Квантова гравітація часто розглядається як тема, недосяжна для сучасних експериментів. Але це дослідження додає все більше доказів того, що принаймні деякі передбачення як гравітації, так і квантової механіки вже можна перевірити.
«Тепер точні експерименти досягли такого рівня чутливості, коли вони можуть перевіряти ідеї, які донедавна належали лише до сфери теоретичних спекуляцій», — каже Курчану. «З підвищенням чутливості межа між теорією та вимірюванням продовжує рухатися, відкриваючи нові можливості для відкриття фундаментальних принципів Всесвіту».
Дослідження було підтримано Інститутом фундаментальних питань FQxI через програму «Свідомість у фізичному світі».
«Дослідження, які заохочує FQxI, об’єднують команди різних поколінь, кордонів і дисциплін», — каже Курчану. «Це справді може діяти як інкубатор нових ідей».
