Десять лет назад этот смелый венский физик преобразил новую теорию квантовой механики своим «волновым уравнением», описавшим, как квантовые частицы могут вести себя как волны. С тех пор он наблюдал за тем, как некоторые исследователи использовали его теорию для изобретения нелепой (по его мнению) интерпретации квантовой теории, которая, казалось, отрицала реальность существования квантовых объектов, таких как атомы или субатомные частицы, до момента их наблюдения.

Шрёдингер написал письмо своему коллеге-скептику Альберту Эйнштейну, в котором изложил мысленный эксперимент, в котором квантовое событие могло бы убить — а могло бы и не убить — кота, спрятанного внутри коробки. Как нелепо, писал Шрёдингер, предполагать, что кот может быть одновременно живым и мёртвым до того, как мы его наблюдаем, и что одно лишь наблюдение может заставить природу выбрать то или иное состояние.

Позволяя квантовому поведению влиять на объекты, достаточно большие, чтобы мы могли их увидеть — и даже погладить, — Шрёдингер хотел разоблачить абсурдность идеи о том, что наблюдение обладает силой определять реальность.

На протяжении столетия его мысленный эксперимент вызывал споры о том, что означает проведение измерения или наблюдения в квантовой теории. Он бросил вызов экспериментальным физикам: насколько большими мы можем сделать объекты, чтобы по-прежнему обнаруживать в их поведении определённую «квантовость» — чтобы они могли находиться сразу в двух состояниях, или ни в одном из них? Можем ли мы поместить, если не кота, то хотя бы значительные куски неживой материи (которые некоторые физики в шутку называют «котятами Шрёдингера») в такие странные квантовые «суперпозиции»?

И это не просто теоретические измышления. В прошлом году Нобелевскую премию по физике присудили учёным, которые ещё в 1980-х годах доказали, что в петлях из сверхпроводящего провода можно создавать суперпозиции: именно такие компоненты сейчас используются в качестве квантовых битов в квантовых компьютерах, производимых такими компаниями, как Google и IBM. Они достигают своей впечатляющей вычислительной скорости за счёт обработки информации, представленной в виде суперпозиций двоичных значений «1» и «0».

В конечном счёте, эксперименты с «котятами Шрёдингера» направлены на изучение пределов самой квантовой теории. Действительно ли мир полностью квантовый снизу доверху, а последствия квантовости просто становятся всё менее заметными по мере увеличения размеров и масс? Или, как полагают некоторые исследователи, может существовать предельный момент, когда квантовая механика перестаёт действовать, и для описания мира будет работать только классическая физика старого образца?

Некоторые исследователи сейчас пытаются создать «котят Шрёдингера» из крошечных кристаллов, размером почти с пылинку, что может помочь разрешить фундаментальные вопросы о космосе. Если эти маленькие частицы обладают достаточной массой, чтобы взаимодействовать друг с другом посредством гравитационного притяжения, то помещение их в хрупкие квантовые суперпозиции может стать способом проверить, можно ли дать гравитации квантово-механическое описание (большинство исследователей полагает, что можно, хотя и без веских доказательств). А их неустойчивая природа могла бы стать чувствительным методом обнаружения неуловимых частиц, подобных тем, которые предлагаются на роль кандидатов загадочной тёмной материи, (вроде бы) пронизывающей весь космос.

Кот, напавший на Копенгаген

Чем же так был возмущён Шрёдингер? С момента появления первой математической формулировки квантовой механики, разработанной в 1925 году немецким физиком Вернером Гейзенбергом (за которой в начале 1926 года последовала альтернативная волновая теория Шрёдингера), Гейзенберг и другие, в особенности его наставник Нильс Бор из Копенгагена, утверждали, что эта теория заставляет нас переосмыслить само понятие реальности. Согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики, теория может сказать нам лишь о вероятности получения тех или иных экспериментальных результатов при наблюдении за квантовой системой.

В целом теория предсказывает несколько возможных исходов измерения, каждый из которых имеет чётко определённую вероятность. До момента наблюдения квантовый объект, такой как атом или субатомная частица, не может считаться находящимся в каком-либо из этих состояний; они каким-то образом смешаны в суперпозиции. Только когда мы наблюдаем объект, изначально находящийся, скажем, в пространственной суперпозиции, происходит выбор, и он приобретает определённое положение.

Бор и его коллеги настаивали на том, что мы должны просто принять это как закон, по которому устроен квантовый мир. Измерение каким-то образом порождает определённые результаты — элементы реальности — из того, что ранее представляло собой лишь диапазон возможных миров. Во времена Шрёдингера было принято говорить о суперпозициях как о нахождении в нескольких состояниях или местах одновременно, хотя на самом деле это не совсем верный способ выразить суть дела: суперпозиция просто означает, что возможен любой из нескольких наблюдаемых результатов.

Идея о том, что само измерение может оказывать этот, казалось бы, волшебный эффект создания реальности, и что объекты могут находиться в нескольких состояниях одновременно до момента наблюдения, не устраивала ни Шрёдингера, ни Эйнштейна. Казалось, что это отрицает существование какой-либо предшествующей, объективной реальности, противореча тому, что учёные всегда считали само собой разумеющимся.

Шрёдингер продемонстрировал, насколько безумной и, по сути, нелогичной была эта идея, представив эксперимент, в котором некоторое вероятностное квантовое событие, такое как радиоактивный распад атома (который может произойти в любой момент), запускает цепь событий, приводящую к отравлению кота в коробке. Если атом до того, как мы откроем коробку, чтобы заглянуть внутрь, находился в суперпозиции «распавшийся» и «не распавшийся», то кот должен находиться в суперпозиции «живой» и «мёртвый».

«Его мысленный эксперимент по-прежнему демонстрирует нам всю абсурдность квантовой механики, как только в описание включается наблюдатель», — говорит физик Клаус Хорнбергер из Университета Дуйсбург-Эссен в Германии, занимающийся квантовой физикой объектов на нанометровом масштабе.

Представить себе субатомную частицу, находящуюся «одновременно в двух местах (или состояниях)», во времена Шрёдингера не казалось чем-то сложным, поскольку в те дни никто и не рассчитывал на то, что их когда-нибудь удастся наблюдать по отдельности. Но, расширив эту идею до макромасштаба и применив её к свойству, которое должно принимать одно значение из двух (как что-либо может быть одновременно и живым, и мёртвым?), Шрёдингер поднял ставки, чтобы разоблачить абсурдность копенгагенского отрицания заранее существующей объективной реальности.

Однако сегодня многие физики рассматривают этот мысленный эксперимент несколько иначе. Мы не только знаем, что квантовые суперпозиции реальны, но и с 1970-х годов эксперименты показывают, что результаты наблюдения, по-видимому, не предопределены до проведения измерения [или же просто верна теория пилота-волны / прим. перев.].

Тем не менее, в масштабах нашей повседневной жизни объекты действительно кажутся либо тем, либо другим, смотрим мы на них или нет — именно так, как предполагает классическая физика. Итак, в какой момент квантовая физика становится классической? Становятся ли квантовые суперпозиции просто всё труднее различимыми по мере увеличения размеров объектов, или существует какой-то более фундаментальный принцип, запрещающий квантовые суперпозиции таких масштабов, как у кота Шрёдингера?

Волнообразная материя

Суперпозиции, как правило, неустойчивы. Согласно квантовой механике, наблюдение разрушает их — но на самом деле дело не в том, смотрим мы на них или нет. Для разрушения суперпозиции достаточно, чтобы любая информация о состоянии объекта просочилась в окружающую среду, где её потенциально можно обнаружить: всё сводится к тому, возможно ли провести наблюдение. Если фотон света отражается от объекта или если сам объект излучает фотон, мы, возможно, сможем определить, где находится объект, наблюдая за фотоном — и это разрушит суперпозицию.

Эта «утечка» информации о квантовом состоянии вследствие его взаимодействий с окружающей средой и последующее разрушение его «квантовости» — процесс, называемый декогеренцией. Чем больше становится объект, тем сложнее подавить подобные взаимодействия. По мнению большинства исследователей, именно в этом заключается причина сложности наблюдения квантовых эффектов в крупных масштабах: не потому, что они по своей природе нестабильны для крупных объектов, а потому, что крупные объекты трудно изолировать и оградить от декогеренции.

Наблюдать атомы в состоянии суперпозиции довольно просто. Один из способов — использовать их в знаменитом квантовом эксперименте с двумя щелями, в котором пучок частиц проходит через две близко расположенные щели в экране. Уравнение Шрёдингера описывало все квантовые объекты как волнообразные сущности, а ключевым свойством волн является то, что они могут интерферировать друг с другом: их пики и впадины усиливают или гасят друг друга, создавая интерференционную картину.

В эксперименте с двумя щелями такая интерференция между волнами, исходящими из каждой щели, создаёт характерную картину на экране, расположенном напротив источника: серию «светлых» полос, где обнаруживается много частиц, разделённых тёмными полосами, где их мало. Интерференция атомных волн была впервые продемонстрирована в начале 1990-х годов. Она возникает только в том случае, если частицы находятся в суперпозиции; то есть можно считать, что они проходят «через обе щели одновременно» и интерферируют даже сами с собой. Если попробовать измерить, через какую щель проходит каждая частица, суперпозиция разрушается — интерференционная картина исчезает.

Можно ли увеличить масштаб таких экспериментов? Будут ли так же вести себя и целые молекулы? В 1999 году Маркус Арндт, тогда работавший в группе будущего нобелевского лауреата Антона Цайлингера, показал, что волны материи, образованные молекулами фуллерена, действительно интерферируют. Фуллерен — это полая сферическая молекула из 60 атомов углерода, напоминающая футбольный мяч. Сегодня Арндт считается одним из ведущих экспериментаторов в области создания крупных квантовых суперпозиций.

С тех пор Арндт демонстрирует интерференцию у всё более крупных молекул. В 2019 году его команда сообщила о квантовых суперпозициях органических молекул, содержащих до 2000 атомов и имеющих массу 25 000 дальтонов. (Один дальтон — это примерно масса одного протона или нейтрона, частиц атомного ядра.) В этих экспериментах частицы обычно направляются не на двойную щель, а на целую сетку параллельных щелей, созданную самим светом: лазерные лучи, подготовленные в виде «стоячих волн», где они отражаются туда и обратно между зеркалами, создавая интерференционную картину из светлых и тёмных участков.

Однако для создания «большой» позиционной суперпозиции недостаточно просто использовать крупные объекты. Всё также зависит от того, насколько далеко друг от друга находятся два наблюдаемых объекта, а точнее, их центры тяжести. Чтобы измерить этот масштаб, Хорнбергер ввёл понятие «макроскопичности».

«Показатель макроскопичности количественно характеризует, насколько непонятен тот или иной квантовый эффект для физика-классика», — говорит он. Если, например, создать суперпозицию для мяча для гольфа, в которой разница между двумя положениями составляет менее ширины атома, то макроскопичность такой суперпозиции может оказаться ниже, чем у суперпозиции молекулы фуллерена, которая одновременно находится в Нью-Йорке и в Сан-Франциско.

В прошлом году группа Арндта в сотрудничестве с Хорнбергером сообщила о новом рекорде по макроскопичности квантового объекта. Они продемонстрировали, что могут создавать суперпозиции для крошечных кристаллов натрия диаметром около 8 нанометров, содержащих около 7 000 атомов. Расстояние между центрами масс двух суперпозиционных положений достигало 133 нанометров — это более чем в 10 раз превышает размер частиц.

Хорнбергер считает, что создание интерференции материальных волн для частиц, масса которых, возможно, примерно в 10 раз превышает массу нанокристаллов натрия, «станет действительно сложной задачей». Он предполагает, что для масштабирования до этого уровня может потребоваться другой метод: левитация наночастиц, охлаждённых до самого низкого возможного квантового энергетического состояния (основного состояния).

Маркус Аспельмейер из Венского университета — пионер в этой области. В 2020 году он и его коллеги сообщили, что им удалось охладить частицы диоксида кремния диаметром около 150 нанометров, содержащие примерно 100 миллионов атомов, так, что они проводили не менее 70% времени в основном состоянии, а не переходили под воздействием тепловых колебаний в состояния с более высокой энергией. Для этого они подняли частицы в воздух с помощью оптической ловушки, удерживая их в поле интенсивного лазерного излучения.

В следующем году команда Аспельмайера, а также другая группа из Цюриха (Швейцария) продемонстрировали, что могут охладить такие частицы ещё сильнее и более надёжно удержать их в основном состоянии, отказавшись от оптической ловушки и используя свет лишь для того, чтобы слегка подталкивать частицы и удерживать их на месте. Однако привести к суперпозиции такие крупные частицы материи — это совсем другое дело, и пока никому это не удалось.

Арндт, однако, настроен оптимистично. «Мы видим реальный путь к [суперпозициям] частиц в диапазоне десятков миллионов дальтонов в ближайшие годы», — говорит он. Это «уже было бы стократным улучшением по массе и увеличением макроскопичности на шесть порядков по сравнению с текущим мировым рекордом, установленным нашей частицей металлического натрия».

В поисках квантовой гравитации

Одна из причин для экспериментов со всё более крупными «котятами Шрёдингера» заключается в том, что они могут показать нам, что сама квантовая механика перестаёт работать ещё до того, как мы достигнем макромасштаба. Некоторые исследователи давно подозревали, что это может произойти.

Согласно одной из теорий, независимо предложенной венгерским физиком Лайошем Диоси и британским математиком Роджером Пенроузом, квантовые объекты, находящиеся в суперпозиции, подвергаются спонтанному «коллапсу» в чётко определённое состояние с вероятностью, которая возрастает по мере увеличения размера объекта, так что на определённом масштабе коллапс станет неизбежным, что бы мы ни делали. Пенроуз считает, что такой коллапс необходим для того, чтобы квантовая механика не вступала в противоречие с общей теорией относительности — теорией гравитации, разработанной Эйнштейном в 1916 году.

Согласно теории Эйнштейна, массивные объекты деформируют само пространство-время, заставляя другие объекты двигаться по траекториям, которые отклоняются именно так, как и ожидается, в соответствии с тем, что мы традиционно называем силой гравитационного притяжения. Пенроуза беспокоило то, что, когда объекты становятся достаточно большими, чтобы оказывать значительное гравитационное воздействие, суперпозиция двух положений создаст две разные геометрии пространства-времени — ситуацию, которая должна сопровождаться огромным количеством энергии. Спонтанный коллапс отключит квантовые эффекты, такие как суперпозиция, до того, как возникнет эта нежелательная ситуация.

Но, возможно, между квантовой механикой и общей теорией относительности нет никакого противоречия, поскольку сама гравитация — это квантованная сила, подобная электромагнетизму. Несмотря на то, что у нас нет теории квантовой гравитации, согласующейся как с квантовой механикой, так и с общей теорией относительности, большинство физиков считают, что гравитация действительно имеет квантовую природу. Первым, кто выдвинул эту идею, был физик Ричард Фейнман в 1957 году. Фейнман даже предложил мысленный эксперимент для проверки этой идеи — но он и представить себе не мог, что когда-нибудь удастся провести реальные эксперименты.

Однако это — единственный способ выяснить правду. «Я не вижу абсолютно никаких оснований полагать, что у нас уже есть полная картина» о предполагаемой квантовой природе гравитации, — говорит Арндт. «Лично я был бы шокирован, если бы принципы квантовой теории перестали действовать» на более крупных масштабах.

Цель доказательства этого, по словам Аспельмейера, заключается в создании «систем, обладающих достаточной массой для генерации измеримого гравитационного поля и достаточно делокализованных (то есть находящихся в суперпозициях с достаточно большой макроскопичностью), чтобы гравитационные явления больше не могли описываться классической общей теорией относительности». Он и его коллеги предложили неформальный показатель полезности таких объектов для исследования квантовой гравитации, который в некоторой степени аналогичен понятию макроскопичности Хорнбергера и который они, в честь Шрёдингера, называют «квантовой кошатностью» [quantum cattiness].

Два десятилетия назад был предложен один из способов использования «квантово-кошачьих» объектов для изучения квантовой гравитации: проверить, можно ли с помощью гравитационных взаимодействий создать странный квантовый эффект, называемый запутанностью.

Это, пожалуй, самое озадачивающее и противоречащее интуиции из всех квантовых явлений. Как указал Эйнштейн в 1935 году, если два квантовых объекта взаимодействуют — если они каким-то образом «ощущают» присутствие друг друга — то, согласно квантовой механике, в дальнейшем они будут вести себя практически как единое квантовое целое: два исходных объекта становятся запутанными.

Это влечёт за собой странные последствия. Например, мы можем определить свойства одного объекта, наблюдая за другим. Эйнштейн утверждал, что, если копенгагенская интерпретация верна и квантовые свойства не фиксируются до момента наблюдения, это, по-видимому, означает, что наблюдение одного из запутанных объектов в одном месте мгновенно влияет на другой, независимо от того, как далеко он находится. Такое мгновенное действие на расстоянии запрещено теорией специальной относительности Эйнштейна, и Эйнштейн считал, что этот кажущийся парадокс свидетельствует о том, что квантовая механика не может быть полной картиной.

Но на самом деле квантовая запутанность не требует действия на расстоянии, поскольку запутанная пара вовсе не представляет собой отдельные сущности. Их свойства стали «нелокальными»: они не привязаны к самим частицам. Каким бы странным это ни казалось, в настоящее время это было подтверждено экспериментально бесчисленное количество раз.

Именно Шрёдингер, также в 1935 году, назвал это явление «запутанностью». Причина, по которой его можно использовать для поиска квантовой гравитации, заключается в том, что практически единственный способ, которым два объекта могут стать запутанными в результате взаимодействия, — это если сама сила их взаимодействия квантована. Таким образом, если бы две массы могли запутаться исключительно посредством своей гравитации, это стало бы доказательством того, что гравитация является квантовой.

Однако сложность в обнаружении такой запутанности, вызванной гравитацией, заключается в том, что частицы должны быть достаточно большими, чтобы их взаимное гравитационное притяжение было достаточно сильным, чтобы иметь значение, но при этом не настолько большими, чтобы их стало невозможно удерживать в квантовом состоянии.

Физик Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона и его коллеги в 2017 году предложили эксперимент, в котором два нанокристалла помещаются в состояния суперпозиции на достаточном расстоянии друг от друга (около 100 микрометров), чтобы они не ощущали электромагнитные поля друг друга, а взаимодействовали исключительно посредством гравитации. Суперпозиции положений означали бы, что гравитационные взаимодействия в разных положениях частиц различались бы, создавая измеримые интерференционные эффекты.

По словам Бозе, чтобы удержать такие относительно большие массы в состоянии суперпозиции, необходимо обеспечить их чрезвычайно тщательную изоляцию от любых взаимодействий с окружающей средой. Даже одной молекулы газа или одного фотона, столкнувшегося с одной из них, может оказаться достаточно, чтобы привести к коллапсу суперпозиции. Таким образом, их придётся удерживать в левитации в условиях чрезвычайно высокого вакуума и экранировать от любых посторонних электромагнитных полей.

По словам Аспельмейера, ключевыми задачами для повышения «гравитационной кошатности» котят Шрёдингера являются «расширение наших нынешних методов квантового управления на более крупные массы» и уменьшение декогеренции, вызванной ударами молекул газа или блуждающим электромагнитным излучением. Несмотря на огромные технические сложности, Арндт считает, что идея проверки квантованной гравитации таким способом заслуживает внимания.

Так может ли всё на самом деле быть квантовым снизу доверху? «Я не вижу веских причин, по которым законы квантовой теории должны перестать действовать на каком-то макроскопическом масштабе», — говорит Хорнбергер. «Но мы этого просто не знаем, и есть веские основания подозревать, что произойдут фундаментальные изменения, как только вступит в силу общая теория относительности». Однако, добавляет он, «я полагаю, что если квантовую теорию когда-нибудь заменит что-то более фундаментальное, то это будет, наверное, ещё более безумная теория».

Нет пределов?

Чуть менее века назад Шрёдингер хотел найти экстремальный сценарий, который бы выявил, по его мнению, недостатки копенгагенской интерпретации квантовой механики. В итоге он добился гораздо большего. Он подтолкнул целые поколения физиков к ещё более глубокому изучению неопределённого характера самой реальности.

Арндт считает, что современные попытки создать всё более крупных «котят Шрёдингера» могут оказаться полезными в поиске тёмной материи — той субстанции, которая, как предполагается, объясняет «дополнительную» гравитацию, необходимую, по-видимому, для удержания вращающихся галактик от разрушения. Многие исследователи полагают, что эта предполагаемая невидимая материя состоит из неизвестных и крайне неуловимых частиц, и ни одну из них до сих пор никто не обнаружил. Но если частицы тёмной материи взаимодействуют, пусть даже невероятно редко, с обычной материей, можно ли выявить их присутствие благодаря их способности вызывать коллапс неустойчивых суперпозиций? Тонкие состояния суперпозиции крупных объектов также могут раскрыть проявления совершенно новых сил природы, выходящих за рамки четырёх уже известных, таких как «пятая сила», существование которой некоторые физики давно подозревают. Если такая пятая сила связывает суперпозицию с окружающей средой, это может вызвать коллапс.

А что же сам кот? Сегодня физиков по-прежнему мучает вопрос: что бы почувствовал — если вообще что-то почувствовал — живой, дышащий, мыслящий организм, оказавшийся в состоянии суперпозиции? Оставляя в стороне этические соображения, смогли бы учёные когда-нибудь провести оригинальный эксперимент Шрёдингера? Неясно, что вообще может означать суперпозиция «живой/мёртвый», учитывая, что жизнь не имеет чётко определённого квантового описания. Но можно ли хотя бы поместить крошечный живой организм, например бактерию, в суперпозицию?

Арндт считает, что это возможно, по крайней мере в случае с вирусом. «Если мы получим на это деньги, то, безусловно, приложим все усилия, чтобы достичь этой цели, — говорит он. — Проблем очень много, но это не невозможно».

А что насчёт живой клетки? «Дайте мне ещё немного времени, чтобы об этом подумать», — говорит он с улыбкой.