Космическая рябь стремится объединить две физики

Наш мир описывается как минимум двумя абсолютно разными способами – при помощи так называемых классической и квантовой физик. Уже почти век учёные с переменным успехом пытаются разработать теорию, которая объединила бы законы объектов макромира с таинственным поведением субатомных частиц, способных быть в нескольких местах и состояниях одновременно.

Интригующий вариант разрешения этой дуальности предлагает команда исследователей под руководством Браима Ламина (Brahim Lamine) из парижского университета Пьера и Мари Кюри (UPMC). На очередном коллоквиуме "Гравитация и фундаментальная физика в космосе" (GPhyS) учёные обнародовали теорию, которая могла бы положить конец вековому противоречию классической и квантовой физики.

Мирное сосуществование обеих моделей, как объясняет группа Ламина, может присутствовать во Вселенной, пространственно-временной континуум которой по сей день пронизывает своеобразная "космическая рябь" гравитационных волн. Это явление возникло как результат быстрого расширения Вселенной после Большого взрыва и последующих космических катаклизмов наподобие сталкивающихся чёрных дыр.

Провоцируемое гравитационными волнами явление декогерентности воздвигает некое подобие естественной границы между "классическими" и "квантовыми" объектами, что мы наблюдаем (иллюстрация tdub303/Flickr.com).

Браим в своей статье (PDF-документ; 3,8 Мб) при помощи коллег рассчитал, как колебания пространства-времени могут способствовать проявлению квантовой декогерентности на примере систем с очень большой массой (планеты и спутники).

Как и предполагалось, специалисты обнаружили, что при индуцировании гравитационными волнами немедленно происходит коллапс любой квантовой суперпозиции. По идее, то же верно и для объектов классической физики меньшего размера, но проверить это пока так же нельзя, как и точно определить границу перехода между двумя физиками по мере плавного уменьшения размера объекта.

Для экспериментального подтверждения гипотезы Ламина потребовалось бы в полностью изолированной системе применить прибор под названием материально-волновой интерферометр, в котором молекулы проходят через несколько дифракционных решёток.

Проходя через череду решёток, молекулы, которые в силу квантового дуализма являются и волнами, отклоняются и создают интерференционную картину. Такой корпускулярно-волновой дуализм уже удалось обнаружить для сравнительно крупных молекул C₆₀ (иллюстрация ESA/Brahim Lamine).

Австрийские физики из университета Вены (Universit?t Wien) ранее проводили эксперимент, схожий по структуре с предложенным, в котором использовали пучки из фуллеренов C₆₀. Для них впервые удалось наблюдать волны де Бройля и интерференцию, а ведь эти молекулы из-за своей сложности можно уже считать едва ли не макрообъектами.

Однако даже с молекулами такого размера эффект от воздействия гравитационных волн был бы слишком мал, чтобы чётко его зафиксировать. Для успешного подтверждения теории воздействия космической ряби потребовалось бы провести интерференцию сверхзвуковых пучков многослойных фуллеренов C₃₀₀₀ на пространстве площадью около 1 квадратного метра.

По мере роста размера молекул они всё сильнее приближаются к макрообъектам и классическому миру. Поэтому в случае применения в опыте с интерференцией пучков фуллеренов с числом атомов порядка 3000 (и в случае если невидимо присутствующий фон пространственно-временных колебаний и впрямь влияет на декогерентность) картина интерференции не возникнет – она будет разрушена в результате коллапса волновой функции (иллюстрация ESA/Brahim Lamine).

Теория космической ряби интересна прежде всего тем, что она изящно закольцовывает кажущееся противоречие двух физик. Если Большой взрыв и впрямь породил рябь, до сих пор, прямо в эту секунду пронизывающую всю Вселенную, то фактически это означает, что явление, описывающееся в рамках общей теории относительности (то есть гравитационные волны), напрямую оказывает влияние на квантовые явления. В данном случае – на декогерентность. А она, в свою очередь, создаёт стрелу времени через череду коллапсов неопределённых состояний в определённые и формирует привычный нам мир классической физики.

Квантовые эффекты, как выясняется, вполне можно наблюдать в макромире – не так давно мы рассказывали, например, про использующую обе физики микролампу и про то, как описывается квантовым уравнением обычная электроцепь. Всё это наводит на мысли о том, что если и не "космическая рябь", то какая-то другая теория должна успешно объединить две физики, описывающие одну и ту же Вселенную разными языками (иллюстрация Wojciech Zurek).

Получается картинка наподобие ленты Мёбиуса или поедающего свой хвост змея Уробороса, который, по представлениям древних (возможно, не таким уж наивным), обвивает мир.

Гипотеза гравитационной космической ряби вполне жизнеспособна и уж точно более проста для понимания, чем теория суперструн, считающаяся сейчас главным кандидатом на роль "теории всего". Подтвердится ли она экспериментально – покажет лишь генерируемое космической рябью время.