Физики предложили модифицировать квантовую теорию, введя понятие спонтанного коллапса

Физики-теоретики предложили новое решение парадокса кота Шредингера, которое, возможно, позволит теориям квантовой механики и теории относительности Эйнштейна прийти в гармонию.

Причудливые законы квантовой физики постулируют, что физические объекты могут существовать в комбинации нескольких состояний, например, находиться в двух местах одновременно или обладать различными скоростями одновременно. Согласно этой теории, система остается в такой "суперпозиции" до тех пор, пока не вступит во взаимодействие с измерительным устройством, получая определенные значения только в результате измерения. Такое резкое изменение состояния системы называется коллапсом.

Физик Эрвин Шредингер обобщил эту теорию в 1935 году своим знаменитым кошачьим парадоксом — используя метафору кошки в закрытой коробке, которая одновременно мертва и жива, пока коробку не откроют.

Однако применение этих правил к сценариям реального мира сталкивается с трудностями — и именно здесь возникает настоящий парадокс. В то время как квантовые законы справедливы для области элементарных частиц, более крупные объекты ведут себя в соответствии с классической физикой, как предсказано общей теорией относительности Эйнштейна, и никогда не наблюдаются в суперпозиции состояний. Описание Вселенной с использованием квантовых принципов тоже затруднительно, поскольку в ней отсутствует какой-либо внешний наблюдатель, который мог бы служить средством измерения состояния.

"Вопрос в том, может ли Вселенная, у которой нет наблюдателя, находиться в такой суперпозиции?" – спрашивает Маттео Карлессо, физик-теоретик из Университета Триеста в Италии. Чтобы решить этот вопрос, Карлессо и его коллеги предложили модификации уравнения Шредингера, которое определяет, как все состояния, включая суперпозиционные, развиваются с течением времени.

"Определенные модификации уравнения Шредингера могут решить проблему", - говорит Карлессо. В частности, команда добавила в уравнение термины, которые отражают как система взаимодействует сама с собой, а также некоторые другие специфические термины. Это, в свою очередь, приводит к нарушению суперпозиции.

"Такие эффекты тем сильнее, чем больше система", - добавляет Карлессо.

Важно отметить, что эти модификации оказывают незначительное влияние на микроскопические квантовые системы, такие как атомы и молекулы, но позволяют более крупным системам, таким как сама Вселенная, коллапсировать с частыми интервалами, придавая им определенные значения, которые согласуются с нашими наблюдениями за космосом. Команда описала свое модифицированное уравнение Шредингера в журнале Journal of High Energy Physics.

В своей измененной версии квантовой физики исследователи устранили различие между объектами, подлежащими измерению и измерительными устройствами. Вместо этого они предложили, чтобы состояние каждой системы претерпевало спонтанный коллапс через регулярные промежутки времени, что приводит к приобретению определенных значений для некоторых ее атрибутов.

Для больших систем часто происходит самопроизвольный коллапс, придающий им классический вид. Субатомные объекты, взаимодействующие с этими системами, становятся их частью, что приводит к быстрому коллапсу их состояния и приобретению определенных координат, сродни измерению. 

"Без каких-либо действий со стороны внешних объектов любая система самопроизвольно локализуется (или разрушается) в определенном состоянии. Вместо того, чтобы ожидать увидеть кошку мертвой или живой, можно найти ее мертвой или живой", - сказал Карлессо.

Новая модель может объяснить, почему геометрия пространства-времени нашей вселенной не существует в суперпозиции состояний и подчиняется классическим уравнениям теории относительности Эйнштейна.

"Наша модель описывает квантовую Вселенную, которая в конечном итоге разрушилась, став фактически классической, - поясняет Карлессо. - Мы показываем, что модели спонтанного коллапса могут объяснить возникновение классической Вселенной из квантовой суперпозиции Вселенных, где каждая из этих Вселенных имеет разную геометрию пространства-времени".

Проверить эту теорию не так то просто. Тем не менее, она делает прогнозы о том, как будут вести себя атомы и молекулы. Это поведение, хотя и с минимальными отклонениями, будет отличаться от традиционной квантовой механики. Будущая работа будет направлена на создание таких тестов.