Исследователи разработали метод, который может обеспечить поддержку альтернативных теорий стандартной квантовой теории. Основанный на низкоэнергетическом рентгеновском излучении, метод включает в себя расшифровку явления, известного как «коллапс волновой функции», что может привести к потенциальному объяснению того, почему квантовые эффекты наблюдаются только на микроскопическом уровне.
Согласно стандартной квантовой теории, объекты могут существовать в состоянии суперпозиции, в котором они одновременно проявляют несколько противоречивых свойств. Это странное явление иллюстрирует знаменитый «парадокс кота Шредингера», когда кот, запертый в коробке с пузырьком яда, может быть одновременно и мертвым, и живым. В физике это можно проиллюстрировать, например, частицей, находящейся в двух местах одновременно, или радиоактивным атомом, который одновременно распадается и не распадается.
Согласно этой теории, квантовая суперпозиция должна наблюдаться и на уровне более крупных объектов, поскольку они сами состоят из совокупности микроскопических элементов. Однако эти эффекты, похоже, применимы только к микроскопическим или субатомным объектам — противоречие, которое физики пытаются расшифровать уже несколько десятилетий. Самый массивный объект, в котором до сих пор наблюдалась квантовая суперпозиция, имеет размер всего 16 микрограммов.
С другой стороны, по причинам, которые остаются загадкой, волновая функция квантовых систем имеет тенденцию к коллапсу. Волновая функция — это математическая модель для отслеживания эволюции квантовых систем. Коллапс волновой функции представляет собой переход от квантового состояния к классическому через коллапс нескольких состояний в одно состояние.
«По неизвестной причине наблюдаемые волновые функции имеют тенденцию к коллапсу, в результате чего квантовые системы ведут себя как «классические» и теряют свои истинные квантовые свойства», — объясняет Каталина Курчану из Национального института ядерной физики во Фраскати (Италия) и Национального института ядерной физики и инженерии имени Хория Хулубея (Румыния) в пресс-релизе Института фундаментальных вопросов (FQxl). Этот коллапс происходит, когда систему наблюдают или измеряют. В примере с котом Шредингера его волновая функция разрушается, когда наблюдатель узнает его состояние, а волновая функция радиоактивного атома разрушается, когда измеряется уровень его распада.
Эти проблемы заставили физиков разработать теории, альтернативные стандартной квантовой гипотезе. Известные как «модели квантового коллапса», они предполагают, что некий физический процесс запускает коллапс волновой функции, причем чем больше система, тем быстрее происходит коллапс. Было высказано предположение, что эти процессы могут проявляться в виде спонтанного излучения. «Это означает, что в один прекрасный день эксперименты могут доказать правильность этих моделей», — говорит Курчану. В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, Курчану и его коллеги предлагают новый экспериментальный протокол, который может подтвердить некоторые из этих альтернативных теорий.
Скорость излучения, зависящая от вида атома
Были предложены две основные группы моделей квантового коллапса. Известные как модели непрерывной спонтанной локализации (CSL), первые предполагают внутренний или случайный процесс, который может быть или не быть связан с гравитацией или каким-либо другим физическим механизмом. Как следует из названия, этот процесс будет происходить спонтанно и непрерывно, приводя к потере квантовых свойств системы. Второй связан с гравитацией более непосредственно.
Курчану и его коллеги, а также другие команды, не участвовавшие в исследовании, потратили несколько лет на то, чтобы выяснить, могут ли спонтанные высокоэнергетические гамма-лучи вызвать коллапс волновой функции (согласно моделям CSL). Однако коллапса, вызванного подобным процессом, пока не обнаружено. Тем не менее, это позволило улучшить или исключить различные версии моделей, в частности, более простые, связанные с гравитацией. Предыдущие работы также позволили уточнить параметры моделей CSL.
В рамках своей последней работы команда Курчану оценила характеристики спонтанного электромагнитного излучения, которое, как ожидается, будет испускаться атомными системами при более низких энергиях, особенно в рентгеновском диапазоне. Результаты: были обнаружены значительные различия по сравнению с предсказаниями более простых моделей коллапса. Действительно, «довольно удивительно, что в этом низкоэнергетическом режиме скорость спонтанного излучения оказалась сильно зависящей от изучаемых атомных видов», — объясняет ведущий автор исследования Кристиан Пискья из Исследовательского центра Энрико Ферми в Риме. Кроме того, характеристики испускаемого излучения также зависели от изучаемой модели коллапса.
В конечном итоге эта методика может быть применена к атомным системам, что потенциально позволит определить точные механизмы, лежащие в основе коллапса волновой функции. Команда также планирует усовершенствовать свой экспериментальный протокол и продолжить изучение связи между спонтанным излучением и атомной структурой, используя несколько мишеней. «Это позволит нам лучше ограничить модели коллапса и, если сигнал будет обнаружен, определить его причину, что, конечно, будет иметь огромные последствия для науки», — заключает Курчану.
