ОТО и квантовая механика, предположительно, должны смыкаться в районе величин, близких к планковским: при предельно высоких энергиях и малых дистанциях. Впрочем, нынешние возможности экспериментальной науки очень далеки от таких энергий и расстояний. Поэтому недавно австро-английская научная группа, представляющая Венский университет и Имперский колледж Лондона, предложила новый тип квантового эксперимента, в котором, использовав зеркала планковской массы, можно проверить некоторые положения, предсказанные в рамках теоретических наработок по квантовой гравитации.

Поиск теории, объединяющей квантовую механику с ОТО, — один из основных вызовов, стоящих перед современной физикой. Первая описывает процессы на уровне частиц и атомов, вторая — на уровне больших масс. Предположительно, есть момент, где те и другие силы (и гравитация, и квантовая механика) совместно влияют на частицы. Это происходит при достижении планковских масс и расстояний: последнее составляет 1,6×10^-35 м.

Рис. 1. Сегодня наилучшие лазеры уже достигли уровня, позволяющего попытаться использовать их в столь непростых опытах. (Изображение Jonas Schmöle / VCQ / University of Vienna).

Для наглядности можно сказать, что если это расстояние растянуть до одного метра, то атом, увеличенный во столько же раз, стал бы размером с видимую Вселенную.

Планковская энергия, в свою очередь, столь велика, что даже Большой адронный коллайдер может обеспечить нас лишь незначительной частью того, что в энергетическом смысле необходимо для подобных экспериментов. А чтобы придать частицам такую энергию при существующих технологиях, ускорители придётся строить размерами с планету. Все эти препятствия заставляли физиков думать, что эксперименты в этой области сейчас невозможны. Но, по всей видимости, это не так.

В квантовой механике нельзя одновременно знать местоположение и скорость частицы. Их можно измерять только последовательно: сначала одно, затем другое. Но при этом измеряемый показатель будет варьироваться. Причём если вначале измерить скорость, а затем узнать местоположение, то получится один экспериментальный результат, а если сделать то же самое, но в обратном порядке, — другой.

Согласно множеству теоретических наработок по квантовой гравитации, эти различия изменяются в зависимости от массы системы. Австро-английская группа физиков показала:

хотя такие вариации экспериментальных результатов окажутся невелики, на их основе всё же можно сделать информативные выводы по квантовой гравитации — если в опытах будут задействованы массивные квантовые системы. Что особенно интересно, для такого рода экспериментов не понадобится масштабное оборудование.

Рис. 2. Система движущихся зеркал должна помочь наблюдателям выявить разницу в показаниях четырёх последовательных измерений положения и скорости частиц. (Изображение Igor Pikovski, Michael R. Vanner, Markus Aspelmeyer, M. S. Kim & Časlav Brukner).

Учёные предлагают использовать лазерный луч и систему движущихся зеркал (см. иллюстрацию), чтобы точно определить разницу между точкой измерения местоположения частицы после фиксации её же скорости и результатами по замеру скорости после предварительного определения местоположения. Разумеется, для этого придётся применить весьма точные атомные часы для измерения время прохождения импульсов. И тем не менее предложенный эксперимент — единственный из доступных нам при сегодняшнем уровне технологии, который может дать хоть какую-то информацию в этой области, дотоле недоступной для опытов.

«Любые отклонения от результатов, ожидаемых в рамках квантовой механики, будут захватывающими, но даже если их вовсе не окажется, это всё же поможет в поиске новых возможных теорий [объясняющих такой результат]», — замечает представляющий австрийскую сторону Игор Пиковски.

По сути, это первый предложенный эксперимент такого рода, позволяющий каким-то образом получить экспериментальные данные из области квантовой гравитации. При этом он не требует ни дорогостоящих ускорителей, ни редких астрономических явлений.

Отчёт об исследовании опубликован 18 марта в журнале Nature Physics.