Объединение квантовой механики и общей теории относительности Эйнштейна является одним из самых интересных и до сих пор нерешенных вопросов современной физики. Общая теория относительности объединяет науку о гравитации, пространстве и времени и позволяет моделировать явления, реально наблюдаемые в космических масштабах. В свою очередь, квантовые эффекты наблюдаются в малых масштабах, например, при рассмотрении отдельных частиц и атомов. Именно поэтому очень трудно изучить взаимодействие между квантовой механикой и общей теорией относительности.

Команда физиков-теоретиков под руководством профессора Часлава Брукнера из Венского университета предложила эксперимент, который может решить старую проблему физики и изучить взаимодействие двух теорий.

Суть эксперимента состоит в измерении понятия времени из общей теории относительности в квантовом масштабе.

Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что гравитация изменяет течение времени, в частности часы тикают медленнее вблизи массивного тела и ускоряют ход по мере отдаления от него. Этот эффект приводит к так называемому «парадоксу близнецов»: если один из близнецов живет на большей высоте, он будет стареть быстрее, чем близнец живущий ниже. Это явление было подтверждено в классических экспериментах, но не в сочетании с квантовыми эффектами. Как раз последнее и является целью предлагаемого эксперимента.

рис. 1. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, в разных местах время течет по-разному из-за искажения пространства-времени гравитацией массивного объекта. Часы, находящиеся в суперпозиции в двух разных местах, позволят изучать квантовые интерференционные эффекты во взаимодействии с общей теории относительности.

Ученые планируют использовать один из квантовых эффектов, когда одна квантовая частица теряет «классическое» свойство находиться в определенной позиции, переходя в так называемую суперпозицию, т.е. одновременное пребывание в двух состояниях, описанное в хорошо известном парадоксе Шредингера. Любое вмешательство в состояние частицы и точные сведения о ее позиции нарушают состояние суперпозиции в соответствии с принципом взаимодополняемости Нильса Бора.

Команда ученых из Венского университета предлагает разместить частицы в суперпозиции выше и ниже над поверхностью Земли. Согласно общей теории относительности, часы на разных высотах будут показывать разное время, но так как измерение времени раскрывает информацию о том, где были расположены стрелки часов (например, спины частиц), возникает вмешательство и в волновую природу часов. Таким образом ученые впервые смогут провести эксперимент, требующий взаимодействия общей теории относительности и квантовой механики.