Возможно, коллапс волновой функции нарушает ровное течение времени

В соответствии с общепринятой модели, элементарные частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно, пока не произойдёт коллапс волновой функции – после чего их состояние становится определённым.

При поддержке Института фундаментальных вопросов (FQxI) международная группа физиков более внимательно изучила модели квантового коллапса. Их выводы предполагают, что эти идеи могут иметь неожиданные последствия для поведения самого времени, в том числе незначительные ограничения на точность его измерения. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Research, также предлагает возможный метод проверки этих моделей на соответствие стандартной квантовой теории.

В 1980-х годах исследователи стартовали создавать теории, согласно которым коллапс волновой функции происходит спонтанно, без необходимости наблюдения или измерения. В отличие от традиционных интерпретаций квантовой механики, которые главным образом предлагают различные способы осмысления одних и тех же уравнений, эти модели коллапса дают предсказания, которые в целом можно проверить экспериментально.

Учёные рассмотрели две ведущие версии таких моделей. Одна из них — схема Диоси — Пенроуза, которая предлагает связь между гравитацией и коллапсом волновой функции. Другая — модель непрерывной спонтанной локализации. В своей новой работе исследователи установили количественную связь между этой второй моделью и флуктуациями в пространстве-времени, вызванными гравитацией.

В модели Диоси — Пенроуза предполагается, что каждая квантовая система постоянно взаимодействует с классическим стохастическим (случайным) полем, природа которого связана с гравитацией. Эффект этого взаимодействия крайне мал для микрочастиц, но становится значительным для макроскопических объектов. Схема предсказывает характерное время коллапса, которое зависит от размера системы и разницы её гравитационной энергии в разных ветвях суперпозиции.

Чтобы избежать бесконечно сильных флуктуаций на малых расстояниях, модель вводит параметр сглаживания — минимальное расстояние, на котором гравитационное взаимодействие «размазывается». Подбор этого параметра — одна из ключевых задач, которой занимаются экспериментаторы.

Разработчики новой работы выводят эту идею на второй уровень. Они показывают, что фундаментальная неопределённость гравитационного поля (предсказываемая, включая, и моделью Диоси — Пенроуза) приводит к фундаментальной неопределённости в течении времени.

Другими словами, если модель верна, то наш мир устроен так, что «тиканье» любых часов неизбежно будет испытывать крошечные, но фундаментально неустранимые флуктуации. Авторы рассчитали этот эффект и пришли к важному выводу: пределы точности, накладываемые гравитацией, всё ещё находятся далеко за пределами возможностей самых точных атомных часов, созданных человечеством.

Даже самые совершенные атомные часы не смогли бы зафиксировать этот эффект. В соответствии с объяснениям физиков, неопределённость на некоторое количество порядков ниже всего, что мы можем измерить сегодня, следовательно она не имеет практических последствий для повседневного измерения времени.

На протяжении десятилетий физики пытаются объединить квантовую механику с теорией гравитации. Каждая из этих теорий отлично работает в своей области. Квантовая механика описывает поведение частиц на микроскопических масштабах, а общая теория по сравнению ссти объясняет, как гравитация формирует крупномасштабную структуру Вселенной, включая звёзды и галактики. Тем не менее эти две теории по-разному трактуют время.

Опираясь на ранее выдвинутые идеи о том, что квантовая механика может быть частью более глубокой теории, новое исследование указывает на возможные связи между квантовым поведением, гравитацией и самим течением времени.