Доработка уравнения кота Шредингера может объединить теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику, подсказывают исследования

 Физики предложили модификации печально известного парадокса кошки Шрёдингера, которые могли бы помочь объяснить, почему квантовые частицы могут существовать более чем в одном состоянии одновременно, в то время как крупные объекты (например, Вселенная), по-видимому, не могут.

Крупнейшие структуры Вселенной, похоже, подчиняются правилам теории относительности Эйнштейна, а мельчайшие объекты подчиняются квантовой механике. Могут ли предложенные изменения в печально известных уравнениях кота Шредингера помочь объединить две теории? (Фото: livescience.com)

Физики-теоретики предложили новое решение парадокса кошки Шредингера, которое может позволить теориям квантовой механики и теории относительности Эйнштейна жить в большей гармонии.

Причудливые законы квантовой физики постулируют, что физические объекты могут существовать в комбинации нескольких состояний, например находиться в двух местах одновременно или обладать разными скоростями одновременно. Согласно этой теории, система остается в такой «суперпозиции» до тех пор, пока не вступит во взаимодействие с измерительным прибором, лишь приобретая в результате измерения определенные значения. Такое резкое изменение состояния системы называется коллапсом.

Физик Эрвин Шредингер резюмировал эту теорию в 1935 году своим знаменитым кошачьим парадоксом, используя метафору кота в запечатанном ящике, который одновременно мертв и жив, пока ящик не открывается, тем самым разрушая состояние кошки и раскрывая ее судьбу.

Однако применение этих правил к реальным сценариям сталкивается с проблемами — и именно здесь возникает настоящий парадокс. Хотя квантовые законы справедливы для области элементарных частиц, более крупные объекты ведут себя в соответствии с классической физикой, как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна, и никогда не наблюдаются в суперпозиции состояний. Описание всей Вселенной с использованием квантовых принципов создает еще большие препятствия, поскольку космос выглядит полностью классическим и лишен какого-либо внешнего наблюдателя, который мог бы служить измерительным прибором для его состояния.

«Вопрос в том, может ли Вселенная, не имеющая окружающей среды, находиться в такой суперпозиции?» ведущий автор Маттео Карлессо, физик-теоретик из Университета Триеста в Италии, рассказал Live Science по электронной почте. «Наблюдения говорят нет: все идет в соответствии с классическими предсказаниями общей теории относительности. Тогда что же нарушает такую суперпозицию?»

Чтобы ответить на этот вопрос, Карлессо и его коллеги предложили модификации уравнения Шредингера, которое определяет, как все состояния, в том числе находящиеся в суперпозиции, развиваются с течением времени.

«Конкретные модификации уравнения Шрёдингера могут решить проблему», — сказал Карлессо. В частности, команда добавила в уравнение члены, которые отражают, как система взаимодействует сама с собой, а также добавила некоторые другие конкретные члены. Это, в свою очередь, приводит к разрушению суперпозиции.

«Такие эффекты тем сильнее, чем больше система», — добавил Карлессо.

Важно отметить, что эти модификации мало влияют на микроскопические квантовые системы, такие как атомы и молекулы, но позволяют более крупным системам — таким как сама Вселенная — схлопываться через частые промежутки времени, придавая им определенные значения, которые соответствуют нашим наблюдениям за космосом. Команда описала свое модифицированное уравнение Шрёдингера в феврале в Журнале физики высоких энергий.

Вытащить кошку из чистилища

В своей усовершенствованной версии квантовой физики исследователи устранили различие между объектами, подлежащими измерению, и измерительными устройствами. Вместо этого они предположили, что состояние каждой системы через определенные промежутки времени подвергается спонтанному коллапсу, что приводит к приобретению определенных значений некоторых ее атрибутов.

В больших системах часто происходит спонтанный коллапс, что придает им классический вид. Субатомные объекты, взаимодействующие с этими системами, становятся их частью, что приводит к быстрому разрушению их состояния и приобретению определенных координат, сродни измерению.

«Без каких-либо действий со стороны внешних объектов любая система спонтанно локализуется (или разрушается) в определенном состоянии. Вместо того, чтобы кот был мертвым И живым, мы обнаруживаем, что он мертвый ИЛИ живой», — сказал Карлессо.

Новая модель может объяснить, почему геометрия пространства-времени нашей Вселенной не существует в суперпозиции состояний и подчиняется классическим уравнениям теории относительности Эйнштейна.

«Наша модель описывает квантовую Вселенную, которая в конечном итоге схлопнулась, став фактически классической», — сказал Карлессо. «Мы показываем, что модели спонтанного коллапса могут объяснить возникновение классической Вселенной из квантовой суперпозиции Вселенных, где каждая из этих Вселенных имеет различную геометрию пространства-времени».

Хотя эта теория может объяснить, почему Вселенная, похоже, управляется классическими законами физики, она не делает новых предсказаний о крупномасштабных физических процессах.

Тем не менее, он делает предсказания о том, как будут вести себя атомы и молекулы, хотя и с минимальными отклонениями от традиционной квантовой механики.

В результате тестирование их модифицированной квантовой модели будет не таким простым. Будущая работа будет направлена на разработку таких тестов.

«Вместе с коллегами-экспериментаторами мы пытаемся проверить эффекты модификаций коллапса или получить границы их параметров. Это полностью эквивалентно проверке пределов квантовой теории».

Источник