Šta ubija Šredingerovu mačku? Podzemni eksperiment isključuje model gravitacije za kvantnu dekoherenciju

Negde između mikroskopskog carstva elementarnih čestica i makroskopskog sveta ljudskih bića, dešava se nešto čudno: čini se da pravila kvantne fizike, koja tako odlično funkcionišu za sićušne atome, gube svoj značaj kako objekti postaju veći.

Razmišljanje o tome gde i kako dolazi do ovog prelaza sa sićušne kvantne nejasnosti na svakodnevnu izrazitu izvesnost dovodi do čudnih misaonih eksperimenata poput Šredingerove čuvene mrtvo-žive mačke. Proces kojim kvantni fenomeni poput superpozicije — paradoksalnog stanja u kom se nalazi Šredingerova mačka — prelaze u klasičnu stvarnost koju doživljavamo poznat je kao dekoherencija.

Preporučujemo

Novi eksperiment je smanjio polje mogućih objašnjenja za dekoherenciju, isključujući poznatu teoriju koja povezuje gravitaciju sa ovim procesom.

„Jedno od najvećih pitanja u modernoj fizici jeste zašto se čini da neobično kvantno ponašanje koje upravlja atomima i elementarnim česticama nestaje u makroskopskom svetu koji svakodnevno doživljavamo“, kaže Katalina Kurčanu iz Nacionalnog instituta za nuklearnu fiziku u Italiji.

Sproveden u Nacionalnoj laboratoriji Gran Saso, najvećoj podzemnoj laboratoriji na svetu za istraživanje fundamentalne fizike, eksperiment je testirao jedan model u kom je dekoherencija uzrokovana gravitacijom. Ajnštajnova opšta teorija relativnosti kaže da se gravitacija manifestuje usled savijanja strukture prostor-vremena oko masivnih objekata.

Tokom 1960-ih, mađarski teorijski fizičar Friđeš Karoljhazi pretpostavio je da prostor-vreme neprestano doživljava sićušne fluktuacije koje postepeno narušavaju kvantne superpozicije, sprečavajući makroskopske objekte da postoje u vrsti kvantnih kombinacija zamišljenih u čuvenom Šredingerovom paradoksu sa mačkom. Njegov model nastavlja da intrigira fizičare i nedavno su ga oživeli, usavršili i ponovo formulisali naučnici iz Instituta za fundamentalna pitanja (FQxI).

Otkrivajući tragovi

Fluktuacije koje je predvideo Karoljhazi ne mogu se osmotriti direktno. Međutim, ako postoje, trebalo bi da uzrokuju nasumično podrhtavanje i ubrzanje naelektrisanih čestica, ostavljajući tragove elektromagnetnog zračenja. Ovo zračenje može biti toliko slabo da bi se lako moglo izgubiti u elektromagnetnom pozadinskom šumu iz izvora kao što su kosmički zraci.

To čini Nacionalnu laboratoriju Gran Saso, smeštenu ispod 1,4 kilometra stena koje umanjuju zračenje, idealnim mestom za istraživanje. „Prirodna zaštita koju pružaju stene stvara jedno od najtiših okruženja na Zemlji za detekciju ekstremno retkih fizičkih fenomena“, kaže Kurčanu.

Istraživači su koristili detektor napravljen od kristala germanijuma visoke čistoće, okruženog slojevima bakarne i olovne zaštite. Prikupljali su podatke ukupno 62 dana. Zatim su od svojih merenja oduzeli očekivano pozadinsko zračenje i tragali za potpisom koji je predviđen modelom.

Signala nije bilo. Ovo ne isključuje u potpunosti mogućnost da gravitacija igra ulogu u kvantnoj dekoherenciji. Međutim, daje važne informacije o tome gde treba tražiti moguću gravitacionu vezu. „Ovo odsustvo signala je samo po sebi značajan naučni rezultat. Isključivanjem jednog od najstarijih i najprirodnijih modela dekoherencije indukovane gravitacijom, ovaj rad sužava potragu za teorijom koja opisuje interakciju gravitacije i kvantne mehanike, dovodeći nas korak bliže razumevanju jedne od najvećih misterija fundamentalne fizike“, kaže Kurčanu.

Napuštanje domena spekulacije

Karoljhazijev model se zasniva na ideji da postoji fundamentalna granica preciznosti s kojom možemo locirati objekte i meriti dužinu. Otkako je model predložen, ova odlika se pojavljivala kao zajednička nit u mnogim savremenim teorijama koje pokušavaju da ujedine kvantnu fiziku i gravitaciju, uključujući teoriju struna i kvantnu gravitaciju petlji.

„Svaki pristup kvantnoj gravitaciji na kraju predviđa postojanje minimalne dužine povezane sa neizvesnošću u merenju prostor-vremena“, kažu istraživači.

Iako mnogi pretpostavljaju da se kvantna gravitacija ne može ispitati trenutnom tehnologijom, novo istraživanje se pridružuje sve većem broju radova koji demonstriraju da se neke ideje koje uključuju i gravitaciju i kvantnu teoriju mogu testirati danas.

„Precizni eksperimenti dostižu nivo osetljivosti na kom mogu testirati ideje koje su donedavno pripadale gotovo isključivo domenu teorijske spekulacije“, kaže Kurčanu. „Dok se osetljivost poboljšava, granica između teorije i merenja se pomera, otvarajući nove mogućnosti za otkrivanje fundamentalnih principa koji upravljaju univerzumom“.

(Telegraf Nauka/Phys.org)