Недавно физики предложили модификацию знаменитого парадокса кота Шрёдингера, которая может помочь объяснить, почему квантовые частицы могут существовать в нескольких состояниях одновременно, в то время как большие объекты (такие, как Вселенная), похоже, не могут этого делать.
Относительность Эйнштейна и квантовая механика
Физика — сложная и увлекательная область, которая стремится понять фундаментальные законы, управляющие нашей Вселенной. Две наиболее влиятельные и успешные теории в этой области — теория относительности Эйнштейна и квантовая механика.
Теория относительности, сформулированная в основном Альбертом Эйнштейном в начале XX века, произвела революцию в нашем понимании пространства, времени и гравитации. Эта теория состоит из двух основных частей: специальной относительности и общей относительности. Специальная относительность описывает поведение объектов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, а общая относительность объясняет гравитацию как искривление пространства-времени из-за наличия массы и энергии.
Квантовая механика, с другой стороны, является теорией, описывающей поведение субатомных частиц, таких как электроны и фотоны. В отличие от классической физики, она постулирует, что эти частицы могут существовать в наложенных друг на друга состояниях, то есть они могут занимать несколько состояний одновременно. Например, электрон может находиться как в волновом состоянии, так и в состоянии частицы, пока его не наблюдают. Другими словами, когда производится измерение, квантовая система переходит в одно из этих состояний, давая точное значение измеряемой величины.
Проблема совместимости
Проблема возникает, когда мы пытаемся объединить эти две теории в единое связное описание Вселенной. Относительность и квантовая механика, по всей видимости, расходятся во мнениях по нескольким важнейшим пунктам. Например, квантовая механика предсказывает существование наложенных друг на друга состояний, в то время как общая теория относительности описывает вселенную, в которой объекты имеют четко определенные положения и скорости. Кроме того, квантовая механика использует вероятностную структуру для описания поведения частиц, в то время как относительность опирается на детерминированные уравнения для описания динамики пространства-времени.
Парадокс кота Шредингера — прекрасная иллюстрация этой несовместимости. В этом знаменитом сценарии кот находится в коробке с устройством, которое может вызвать выброс яда, убивающего кота. Согласно квантовой механике, пока коробка закрыта, кот находится в состоянии суперпозиции, одновременно живой и мертвый. Только когда коробку открывают и наблюдают кота, его состояние определяется. Однако это противоречит классической интуиции, согласно которой кот не может быть ни живым, ни мертвым, а должен находиться в одном четко определенном состоянии.
Пытаясь примирить эти две, казалось бы, противоречивые точки зрения, физики предложили модификацию уравнения Шредингера, лежащего в основе квантовой механики. Это изменение предполагает, что квантовые системы спонтанно разрушаются через регулярные промежутки времени, приобретая определенные значения для своих наблюдаемых параметров. Другими словами, вместо того чтобы бесконечно оставаться в наложенном состоянии, квантовые частицы в конечном итоге «выбирают» определенное состояние случайным и спонтанным образом.
Инновационный подход
Чтобы увидеть все более ясно, представьте, что вы смотрите на мир через две разные линзы. С одной стороны, у вас есть линза квантовой механики, которая позволяет увидеть мир субатомных частиц, где все может находиться в нескольких состояниях одновременно, как в своеобразном вероятностном танце. С другой стороны, у вас есть линза общей теории относительности Эйнштейна, которая дает вам картину Вселенной в больших масштабах, где объекты следуют четко определенным детерминированным траекториям, как планеты, вращающиеся вокруг звезды.
Таким образом, эти два взгляда на мир часто кажутся противоречащими друг другу. Квантовая механика говорит нам, что все может быть нечетким и неопределенным, в то время как общая относительность говорит нам, что все точно и определено. Это похоже на попытку смешать масло с водой: кажется, что это просто невозможно.
Поэтому в новой работе физики подумали: а что, если вместо того, чтобы рассматривать вещи как размытые или точные, мы найдем способ, чтобы они были и теми, и другими одновременно, но в разных масштабах? Вот тут-то и пригодилась модификация уравнения Шредингера.
Эта модификация предполагает, что квантовые системы, такие как субатомные частицы, могут спонтанно распадаться через регулярные промежутки времени, выбирая определенное состояние из множества возможных. Это дает им своего рода «толчок» к определенному состоянию, что делает их более совместимыми с нашим классическим представлением о крупномасштабном мире, управляемом общей относительностью.
Другими словами, эта модификация уравнения Шредингера позволяет квантовым частицам переходить от нечеткого, неопределенного состояния к точному, определенному состоянию с течением времени, без необходимости внешнего наблюдения для этого. Это объясняет, почему мы видим макроскопические объекты, такие как коты в коробках, не в странных наложенных друг на друга состояниях, а в определенных, наблюдаемых состояниях.
Мы как будто нашли способ объединить две линзы, чтобы получить более четкое и последовательное изображение окружающего нас мира. Конечно, предстоит еще много работы, чтобы проверить эту идею и убедиться, что она действительно верна, но это захватывающая перспектива, которая может помочь нам лучше понять тайны Вселенной.
Подробности исследования опубликованы в журнале Journal of High Energy Physics.
