Когато котката на Шрьодингер падне — физиците най-накрая сложиха двете големи теории в една стая

Ето нещо, което си струва да обмислиш.

Представи си, че държиш еднаединствена, мъничка частица — и правиш нещо, за да я накараш да съществува на две места едновременно. Това се нарича квантова суперпозиция. Звучи като лудост, нали? Ама частиците правят това непрекъснато — стига никой да не ги наблюдава.

Сега я пусни.

Какво става?

Точно това решили да проверят няколко физици. И отговорът им е едновременно очевиден и доста вълнуващ.

Двете големи теории, които не се понасят

Нека обясня защо този експеримент е толкова важен. Става дума за две от най-мощните теории в цялата наука — и те просто не могат да работят заедно.

От едната страна стои квантовата механика — тя обяснява как се държат атомите и микроскопичните частици. Странна е, нелогична понякога, но работи перфектно. Частиците могат да бъдат в няколко състояния едновременно. Могат да преминават през стени. Могат да бъдат свързани по начин, който дори на самия Айнщайн му било неудобно (той нарече това "призрачно действие от разстояние").

От другата страна е общата теория на относителността на Айнщайн — неговата теория за гравитацията. Тя обяснява защо нещата падат, как планетите обикалят около слонцето, и защо времето тече различно в зависимост от това колко бързо се движиш или колко си близо до нещо много тежко. Елегантна е, потвърждавана е безброй пъти и описва вселената в големи мащаби.

Ето къде е проблемът: тези две теории не се разбират.

Не че наистина се мразят — това си е глупост — но физиците се опитват да ги обединят в една цялостна теория от почти сто години. И никой все още не е успял. Всяка работи безупречно в своята област, но щом се опиташ да ги приложиш едновременно, нещата се разпадат.

Като двама приятели, които са страхотни поотделно, но пълен хаос когато са заедно.

Какво точно направиха тези учени?

Експериментът е публикуван в списанието Science Advances. Ръководиха го изследователи от университета "Бен-Гурион" в Негев, университета в Улм и Оксфорд — включително легендарният Роджър Пенроуз, който е носител на Нобелова награда за физика.

Те създадоха нещо, наречено Квантов интерферометър на Галилей. Знам, звучи сложно. Но ето опростената версия:

Взеха облаци от атоми рубидий (изстудени до почти абсолютна нула) и раздели вълната на всеки атом на две отделни пътеки. Едната пътека останала на мястото си, задържана от контролирани магнитни полета. Другата паднала свободно — като топка, която си хвърлил във въздуха.

После — тук идва интересната част — събрали двете пътеки отново заедно и наблюдавали как вълните си взаимодействат.

Представи си две камъчета, пуснати в езеро в леко различни моменти. Гледаш как вълните се сблъскват и образуват шарки. Разликата в тези шарки разкрива какво се е случило с всяко камъче по пътя му.

Принципът на еквивалентността получава квантово обновление

Тук Айнщайн отново влиза в играта.

Неговият принцип на еквивалентността е един от стълбовете на теорията му за гравитацията. Основната идея е прекрасно проста: гравитацията и ускорението са неразличими. Ако си в затворена стая, не можеш да разбереш дали усещаш тежест, защото стоиш на Земята, или защото стаята се ускорява в космоса. Човек в свободно падане се чувства безтегловен, независимо от масата си.

Този принцип е тестван много пъти с обикновени предмети и винаги се е потвърждавал.

Но ето въпроса, който тези учени си задали: важи ли още, когато "предметът" ти изобщо не е на едно място? Когато е квантова вълна, която съществува в суперпозиция и следва две различни пътеки едновременно?

Именно това прави експеримента толкова специален. Те не пуснали просто една топка. Пуснали нещо, което метафизически било на две места едновременно — и искали да видят дали гравитацията се държи с двете пътеки така, както Айнщайн предсказал.

И отговорът? Да.

Квантовата фаза, която измерили — всъщност малката квантова "следа", оставена от падащата вълна — съвпадала точно с това, което би предсказал принципът на еквивалентността на Айнщайн, приложен към квантов обект.

Защо трябва да те е грижа?

Добре, някакви учени пуснали атоми в сложна постановка и Айнщайн отново се оказа прав. Е, и какво от това?

Ами защото това е важно.

Ние все още нямаме теория, която успешно обединява квантовата механика и гравитацията. Има кандидати — теория на струните, бримкова квантова гравитация — но никой не е успял да разбие кода. Една от причините е, че нямаме достатъчно експериментални данни за това какво се случва на пресечната точка на тези два свята.

Този експеримент ни дава първия реален поглед в тази територия. Сякаш най-накрая караме двамата ни приятели, които не се понасят, да влязат в една стая и внимателно наблюдаваме как си взаимодействат.

Професор Рон Фолман, ръководител на изследването, каза хубаво: "Това е уникална статия, в смисъл че съчетава труден експеримент с далечни теоретични интерпретации за един от най-фундаменталните въпроси във физиката."

А професор Влатко Ведрал от Оксфорд добави: "Този експеримент изтласква квантовата механика в един от най-завладяващите ѝ фронтове — гравитацията — и показва, че..."

Цитатът му бил прекъснат, но мисля, че можем да предположим накъде отивал. Той показва, че квантовата механика не се разпада, когато гравитацията влезе в играта. Поне не в този режим.

Какво означава това за бъдещето

Няма да ви лъжа — този експеримент не реши всичко изведнъж. До цялостна теория на всичко има още много, много път. Но експерименти като този са трохичките, по които може би един ден ще стигнем дотам.

Всеки път, когато избутваме границата между квантовото и класическото, между микроскопичното и масивното, научаваме нещо ново. И засега вселената ни казва, че и двете ни "най-добри" теории съдържат повече истина, отколкото понякога искаме да признаем — дори когато са в една стая заедно.

Така че когато някой ти каже, че физиката вече е разбрала всичко, можеш да му напомниш, че все още не можем да накараме Айнщайн и квантовата механика да работят приятелски.

Но хей — поне сега знаем, че са съгласни да бъдат в една стая.

Източник: Science Daily