Котката на Шрьодингер обединява теорията на относителността и квантовата механика

Теоретичните физици предложиха ново решение на парадокса на котката на Шрьодингер, което може да позволи на теориите на квантовата механика и относителността на Айнщайн да живеят в по-добра хармония.

ОЩЕ: Като котката на Шрьодингер: Черните дупки могат да бъдат живи и мъртви едновременно

Странните закони на квантовата физика постулират, че физическите обекти могат да съществуват в комбинация от множество състояния, като например да са на две места едновременно или да притежават различни скорости едновременно. Според тази теория системата остава в такава „суперпозиция“, докато не взаимодейства с измервателно устройство, като придобива определени стойности само в резултат на измерването. Такава рязка промяна в състоянието на системата се нарича колапс.

Физикът Ервин Шрьодингер обобщава тази теория през 1935 г. с известния си котешки парадокс – използвайки метафората за котка в запечатана кутия, която е едновременно мъртва и жива, докато кутията не бъде отворена, като по този начин срива състоянието на котката и разкрива нейната съдба.

Но прилагането на тези правила към сценарии от реалния свят е изправено пред предизвикателства – и това е мястото, където възниква истинският парадокс. Докато квантовите закони са валидни за царството на елементарните частици, по-големите обекти се държат в съответствие с класическата физика, както е предвидено от общата теория на относителността на Айнщайн, и никога не се наблюдават в суперпозиция.

Описването на цялата Вселена с помощта на квантови принципи поставя още по-големи препятствия, тъй като Космосът изглежда изцяло класически и липсва външен наблюдател, който да служи като измервателно устройство за неговото състояние.

„Въпросът е може ли Вселената, която няма заобикаляща среда, да бъде в такава суперпозиция?“, пише водещият автор Матео Карлесо, теоретичен физик в университета в Триест в Италия, в имейл до Live Science. „Наблюденията казват „не“: всичко върви според класическите прогнози на общата теория на относителността. Тогава какво нарушава такава суперпозиция?“

За да се справят с този въпрос, Карлесо и колегите му предложили модификации на уравнението на Шрьодингер – как всички състояния, включително тези в суперпозиция, се развиват с течение на времето.

„Специфични модификации на уравнението на Шрьодингер могат да решат проблема“, казва Карлесо. По-специално екипът добавил условия към уравнението, които улавят как системата взаимодейства сама със себе си, както и добавил някои други специфични условия. Това от своя страна води до нарушаване на суперпозицията.

„Такива ефекти са по-силни, колкото по-голяма е системата“, добавя Карлесо.

ОЩЕ: Радикална теория обединява гравитацията и квантовата механика

От решаващо значение е, че тези модификации имат малко въздействие върху микроскопичните квантови системи, като атоми и молекули, но позволяват на по-големи системи – като самата Вселена – да колапсират на чести интервали, давайки им определени стойности, които отговарят на нашите наблюдения на Космоса. Екипът описва своето модифицирано уравнение на Шрьодингер в Journal of High Energy Physics.

Извеждане на котката от чистилището

В своята променена версия на квантовата физика изследователите премахват разграничението между обекти на измерване и измервателни устройства. Вместо това те предлагат състоянието на всяка система да претърпява спонтанен колапс на редовни интервали, което води до придобиване на определени стойности за някои от техните атрибути.

При големите системи често се случва спонтанен колапс, което ги прави класически на вид. Субатомните обекти, взаимодействащи с тези системи, стават част от тях, което води до бърз колапс на тяхното състояние и придобиване на определени координати, подобно на измерване.

„Без действие от външни субекти всяка система се локализира (или колапсира) спонтанно в определено състояние. Вместо котката да е мъртва И жива, човек я намира мъртва ИЛИ жива“, казва Карлесо.

Новият модел може да обясни защо пространствено-времевата геометрия на нашата Вселена не съществува в суперпозиция от състояния и се подчинява на класическите уравнения на относителността на Айнщайн.

„Нашият модел описва квантова Вселена, която в крайна сметка колапсира, като по този начин ставая класическа“, каза Карлесо. „Ние показваме, че моделите на спонтанен колапс могат да обяснят появата на класическа Вселена от квантова суперпозиция на вселени, където всяка от тези вселени има различна геометрия на пространство-времето.“

Въпреки че тази теория може да обясни защо Вселената, изглежда, се управлява от класическите закони на физиката, тя не прави нови прогнози за широкомащабни физически процеси. Въпреки това прави прогнози за това как ще се държат атомите и молекулите, макар и с минимални отклонения от конвенционалната квантова механика.

ОЩЕ: Съществува ли реалността, когато не я наблюдаваме?

В резултат тестването на техния модифициран квантов модел няма да бъде толкова просто. Бъдещата работа ще бъде насочена към изготвянето на такива тестове.

„Заедно с експериментални сътрудници се опитваме да тестваме ефектите от модификациите на колапса или да изведем граници на техните параметри. Това е напълно еквивалентно на тестването на границите на квантовата теория.“